中國儲能網(wǎng)訊：關(guān)于固態(tài)電池何時量產(chǎn)何時大規(guī)模應(yīng)用的討論從來沒有停止過，不可否認，行業(yè)內(nèi)外對于2030年最終量產(chǎn)上車的時間節(jié)點仍然存在較多的質(zhì)疑。這是一個存在不確定性的事情，甚至對于固態(tài)電池在什么場景下率先應(yīng)用、滲透率可以達到百分之多少、最終定價在什么價位等等，也存在較大的不確定性。但我們可以確定的是，固態(tài)電池正在做也一定會去做，這是對固態(tài)電池的關(guān)注經(jīng)久不息的原因之一。
硫化物是目前全固態(tài)電池熱度最高的路線，以良好的離子電導率獲得了較高的上限空間，但也存在空氣敏感度、固-固接觸界面以及成本方面的問題。在這里，我們首先去梳理硫化物固態(tài)電池的制備工藝，先把它“造出來”，先解決“有”和“無”的問題，在這個過程中所謂的難點和堵點自然會出現(xiàn)。
01
可基于傳統(tǒng)鋰電池生產(chǎn)線
傳統(tǒng)鋰電池的生產(chǎn)通?？梢苑譃榍岸?、中段和后段三個階段。
前段負責正負極片的制造，包括制漿、涂布、輥壓、分切。簡單的說，就是用濕法將正負極材料“涂”到正負極的基材上，再進行壓實和切分。
中段負責電芯的合成組裝，包括卷繞/疊片、入殼、點焊、注液、封口等等。主要是將多層的正極、隔膜和負極通過卷繞或疊片的方式組合在一起，再一起放入“容器”并互相焊接，最終注入液態(tài)的電解液并封口。這里的注液就是注入傳統(tǒng)的電解液，能夠讓電極充分的浸潤而不需要人為的構(gòu)筑接觸，這也是固態(tài)電池最大的難點。
后段負責最后的封裝，包括化成、老化、分容、包裝等等。到了這一步電芯基本完成，主要是需要充放電激活電極材料，并進行容量、內(nèi)阻的分級，最終封裝測試。
對于固態(tài)電池，實際上最根本的正負電極傳遞離子的原理和路徑并沒有改變，只是對電解質(zhì)這一環(huán)節(jié)進行了調(diào)整。因此，制備固態(tài)電池的工藝環(huán)節(jié)可以基于原有的產(chǎn)線，但需要對一部分關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行改造和新增。
在這里，我們選取三個典型環(huán)節(jié)進行具體分析，包括前段的干法/濕法電極制備、中段的疊片以及中段的固-固界面致密化。前兩者可以說是根據(jù)固態(tài)電解質(zhì)本身的性質(zhì)進行的選擇，而后者是對于硫化物本身固-固接觸的問題進行的新增。此外，惰性氣氛+低濕度的生產(chǎn)環(huán)境是針對硫化物本身的空氣敏感性而進行的配置，更多的是設(shè)備和環(huán)境而非工藝原理本身，因此本篇文章暫不討論。
02
干法or濕法
前文已經(jīng)分析過，傳統(tǒng)鋰電池在前段采用“濕法工藝”，通過混合的“漿料”進行涂布，最終正負極片成型。濕法的好處是成熟、穩(wěn)定、設(shè)備和產(chǎn)線早已普及，幾乎所有鋰電廠都在用。缺點也明顯，要用大量溶劑、要烘干、要回收廢氣、要消耗能量等等。
到了全固態(tài)時代，問題就來了。硫化物固態(tài)電解質(zhì)不是液體，而是粉末狀的固體，且對水和氧氣非常敏感。繼續(xù)用濕法工藝，會引入溶劑殘留，反而破壞電解質(zhì)的性能，還可能在后續(xù)的高溫處理過程中分解或失效。因此，干法工藝開始進入視野，計劃是直接將粉末材料在高壓下“壓合”到金屬箔上，做成電極片。
干法的好處很直觀。它省去了溶劑和烘干的環(huán)節(jié)，能耗更低、廠房更緊湊、環(huán)保壓力小。更重要的是，它與固態(tài)電解質(zhì)天然兼容，不會有液體殘留或界面污染的問題。但問題是，這一工藝目前仍處于驗證和改進階段。干法涂布要求極高的粉末分散性和壓實均勻度，一旦出現(xiàn)局部不均或空隙，就會影響電池性能。
目前，行業(yè)內(nèi)干法和濕法兩條路線屬于并行的狀態(tài)，但對干法的嘗試更為激進。寧德時代多次提及干法電極工藝是核心研發(fā)方向之一，有消息稱，2025年5月寧德時代全球首條硫化物全固態(tài)電池中試線在合肥正式投產(chǎn)，其中包括了干法電極與等靜壓工藝；日系的豐田目前沒有明確公開過前段工藝的路線選擇，但早在2012年，豐田與日本化學公司Zeon共同申請了一項關(guān)于粉末靜電噴涂法制造電極的專利，作為早期對干法電極工藝的知識產(chǎn)權(quán)布局；今年6月，韓國的三星SDI也在試驗生產(chǎn)線上啟動了基于干法電極的電池驗證工作；美國的特斯拉于2019年收購擁有干法電極涂布技術(shù)專利的Maxwell之后，一直在積極探索干法電極工藝，但在近期也有消息稱，公司在實際推進中發(fā)現(xiàn)這一技術(shù)轉(zhuǎn)化難度極大。總體上可以說，干法的想象空間更大，而濕法仍是退一步的選擇。
03
卷繞or疊片
傳統(tǒng)鋰電池在中段的電芯組裝中通常有兩種做法：卷繞和疊片。卷繞就像卷蛋糕，把正極、隔膜、負極依次疊好后卷成圓柱或方形結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)效率高、自動化程度強，適合圓柱和方形電池。疊片則像疊千層餅，一層層堆放、壓實成型，優(yōu)點是能量密度高、循環(huán)壽命長，但由于傳統(tǒng)疊片工藝需要精準裁切和逐片對齊，造成了該工藝速度慢、成本高，一般適用于軟包電池。這兩種方式能并行，是因為傳統(tǒng)液態(tài)電解液可以自由滲透，不論卷繞還是疊片，電解液都能把電極間隙浸滿，離子通道自然連通，不影響性能。
同樣到了全固態(tài)時代，情況就完全不同了。固態(tài)電解質(zhì)是粉末或薄膜，無法像液體那樣流動。如果把層疊好的結(jié)構(gòu)再去卷，會導致電解質(zhì)層彎曲、開裂、脫層，嚴重影響導離性能和壽命。因此，疊片幾乎成為全固態(tài)電池唯一可行的結(jié)構(gòu)方式。
與傳統(tǒng)疊片相比，固態(tài)電池的中段工藝產(chǎn)生了較大的變化。首先，隔膜不再存在。傳統(tǒng)電池用塑料隔膜，而固態(tài)電解質(zhì)直接可以充當這一角色，它既隔離正負極，又導通離子。其次，一部分國內(nèi)廠商新增了“膠框印刷”環(huán)節(jié)。這相當于在每一層電芯邊緣“畫”上一圈密封膠框，用來固定電極片和電解質(zhì)層的相對位置。同時，這一保護框能夠起到防潮、絕緣、密封的作用，避免正負極邊緣短路，避免空氣和水的影響。
總體來看，疊片的行業(yè)共識已經(jīng)基本形成。未來誰能在疊片自動化、膠框工藝和良率控制上實現(xiàn)突破，誰就更有可能率先實現(xiàn)固態(tài)電池的規(guī)模量產(chǎn)。
04
固-固界面致密化
在傳統(tǒng)的電解液鋰電池體系中，電極和電解質(zhì)之間的界面并不是決定性問題，因為電解液可以自然滲透，填滿孔隙，自動形成連續(xù)的離子導通通道。但在全固態(tài)電池中，電解質(zhì)與電極的接觸界面問題就變成了最關(guān)鍵的一環(huán)。固體與固體之間天然無法自發(fā)貼合，界面上任何微小空隙、粗糙面、脫粘區(qū)、不均勻處都會直接形成高阻區(qū)，造成性能和壽命的影響。
所謂固-固界面的致密化，指的就是在完成疊片之后，必須通過一系列壓實與界面工程手段（界面工程本文不展開），讓電解質(zhì)與電極的接觸盡可能連續(xù)、緊密、穩(wěn)定。
從壓實方式來看，最核心的劃分標準是受力是否均勻，因為這決定了界面的接觸質(zhì)量。第一類是非均勻受力，即壓力只從一個方向或少數(shù)方向施加。這類工藝簡單、設(shè)備成熟，是現(xiàn)實中量產(chǎn)最容易落地的路線。最基礎(chǔ)的是單軸壓制（uniaxial），由上下壓模從一個方向擠壓，作用集中在厚度方向。進一步提升的是雙軸壓制（biaxial），會在上下擠壓的同時加入側(cè)向約束或側(cè)壓力，讓界面受力更加均勻。第二類是均勻受力，也就是將壓力從各個方向同時施加，讓材料幾乎處于“浸泡式受壓”的三維受力狀態(tài)，行業(yè)討論最熱的“等靜壓”就是典型方式。這類工藝的壓實質(zhì)量極佳，是實驗室獲得高性能樣品的主要手段，但設(shè)備昂貴、生產(chǎn)節(jié)拍慢，距離真正的量產(chǎn)還存在一定距離。
換句話說，如果以生產(chǎn)節(jié)拍為劃分標準，壓實的工藝又可以分為連續(xù)式和間歇式兩類。傳統(tǒng)的輥壓成型就是典型的連續(xù)式工藝，更具備量產(chǎn)能力；而批次式的等靜壓就是典型的間歇式工藝，更適合研發(fā)或低產(chǎn)量階段。二者路線存在分化，尚未有定論，這與最終產(chǎn)品的實際落地場景和價位高度相關(guān)。
當然，真實產(chǎn)業(yè)的選擇遠比我們上述的分類更加復雜。寧德時代堅持“可量產(chǎn)優(yōu)先”，采用連續(xù)輥壓作為主干工藝，并在疊片后增加短程的單軸熱壓輔助處理，通過控制溫度和壓力參數(shù)提升層間貼合度。日本豐田基于硫化物體系的材料特性，更強調(diào)多層涂布工藝搭配平板熱壓流程，采用批次式平板熱壓來保證貼合度。韓國三星SDI在中試線上以單軸熱壓與輥壓為主，曾經(jīng)引入溫等靜壓，但效果并不理想。美國QuantumScape則依托自身氧化物薄膜的柔性，將界面難度降到最低，結(jié)合批次式熱壓作為關(guān)鍵步驟，并僅在實驗室采用等靜壓作為性能對比。
05
尾聲
需要強調(diào)的是，本文并非對全固態(tài)電池技術(shù)做全面綜述，而是從制造工藝視角，討論硫化物體系相對于傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池在哪些環(huán)節(jié)出現(xiàn)了“必然性的、結(jié)構(gòu)性的”變化，并選取了正負極片制造、疊片工藝以及固-固界面致密化三個代表性的改動點。
然而真實的技術(shù)演化過程必然更加復雜，不同企業(yè)會根據(jù)材料體系、生產(chǎn)節(jié)拍、成本結(jié)構(gòu)、良率約束、設(shè)備基礎(chǔ)甚至供應(yīng)鏈合作模式做出不同組合與優(yōu)化策略，未來也可能出現(xiàn)新的工藝單元、順序變化或跨路線融合。當前我們能明確的，僅是行業(yè)正在經(jīng)歷從“材料突破”向“工程落地”過渡的關(guān)鍵階段，許多問題將從科學問題轉(zhuǎn)化為制造問題，而制造問題往往更難、更慢，也更考驗資源與組織能力。換句話說，現(xiàn)階段任何絕對的判斷都為時過早，但技術(shù)分化點已經(jīng)足夠清晰，觀察窗口已經(jīng)緩緩打開。
