新質生產力材料---固態電池生產技術

QT能源科技有限公司成立于2022年11月30日，投資557718萬元，購置位于臺州市黃巖區澄江街道工業地塊，占地面積164087.4m2，通過新建工業廠房及其他配套設施，并購置電極、裝配、檢測、PACK等設備，實施清陶10GWh固態鋰電池項目。

項目投料方式：

本項目主材噸包裝經過吊裝設備將主材吊到投料口，采用負壓方式吸入到計量罐內，輔材投料采用真空吸料方式加入攪拌機內，投料過程中加料首先關閉料倉出料閥門，開啟真空泵使料倉和輸送管道內形成真空；再接上真空吸槍，物料被吸入輸送管道，并進入料倉中；真空泵與料倉之間設置有過濾器，對氣體和粉料進行分離；當料倉內添加到一定量的物料后，真空泵停止。生產時主材通過重力落料方式投入攪拌機內。溶劑采用隔膜泵從NMP儲罐中經過密封管道輸送到計量罐內，生產時采用流量計輸送到攪拌機內。本項目投料過程均先投加液狀原料，再投加粉狀原料，有利于減少粉塵的產生量。

材料混配方式：

本項目主材噸包裝經過吊裝設備將主材吊到投料口，采用負壓方式吸入到計量罐內，輔材投料采用真空吸料方式加入攪拌機內，投料過程中加料首先關閉料倉出料閥門，開啟真空泵使料倉和輸送管道內形成真空；再接上真空吸槍，物料被吸入輸送管道，并進入料倉中；真空泵與料倉之間設置有過濾器，對氣體和粉料進行分離；當料倉內添加到一定量的物料后，真空泵停止。生產時主材通過重力落料方式投入攪拌機內。溶劑采用隔膜泵從NMP儲罐中經過密封管道輸送到計量罐內，生產時采用流量計輸送到攪拌機內。本項目投料過程均先投加液狀原料，再投加粉狀原料，有利于減少粉塵的產生量。

項目BOM表：

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核心原材料：

正極

鎳鈷錳酸鋰：年消耗22652噸；

單壁納米碳管：年消耗1849噸；

多壁碳納米管（CNT）：年消耗2319噸；

導電碳黑（SP）：年消耗265噸；

N-甲基吡咯烷酮（NMP）：年消耗7109噸；

三氧化二鋁：年消耗543噸；

負極

石墨：年消耗13171噸；

羧甲基纖維素（CMC）鈉、粒度50μm：年消耗207噸；

丁苯膠乳膠（SBR）：年消耗689噸；

固態電解質

雙三氟甲基磺酰亞胺鋰（LiTFSI）：年消耗106噸；

鋰鑭鋯氧粉體（LLZTO）：年消耗178噸；

二甲基乙酰胺（DMAC）：年消耗4384噸；

N-甲基吡咯烷酮（NMP）：年消耗130噸；

浸潤電解液

電池電解液(EC、DEC、DMC、EMC、PP、PC均≤60.0％，LiPF610.0~20.0％):

年消耗545.6噸；

碳酸二甲酯（DMC）：年消耗472噸；

基材

正極鋁箔：年消耗2112噸；

負極銅箔：年消耗3639噸；

聚酰亞胺高溫膠帶：年消耗595182平方米；

PET疊片終止膠帶：年消耗178555平方米；

PP隔膜：年消耗11810萬平方米；

無紡布：年消耗71500萬平方米；

密封

雙組份（環氧/聚酯）導熱結構膠：

A組份：填料40~70%、氫氧化鋁10~30%、胺類物質＜15%、聚硫醇＜15%、有機硅聚合物＜3%

B組份：填料50~90%、氫氧化鋁10~30%、聚酯共聚物10~20%、環氧樹脂1~10%、藍色染料＜3%、有機硅聚合物＜3%

年消耗共380噸；

密封鋁釘：年消耗2500萬個；

密封膠釘：年消耗2500萬個；

過程PP密封釘：年消耗2500萬個；

隔熱墊固態：年消耗1342萬個；

串聯匯流排：年消耗1241萬個。

鋰離子電池整體生產工藝示意圖：

主要工藝說明

極片：

項目負極極片生產工藝與正極極片生產工藝一致，僅原料不同。正/負極主輔材采用投料系統經過密封管道自動輸送攪拌機內，采用雙行星制漿機在一定轉速、-0.080MPa真空條件下將主輔材進行攪拌分散，再經過過濾、除鐵、除泡后制成分散均勻、穩定的漿料。制漿配料過程中有粉塵產生。

自動投料：

主材噸包裝經過吊裝設備將主材吊到投料口，采用負壓方式吸入到計量罐內，輔材投料采用真空吸料方式加入攪拌機內，投料過程中加料首先關閉料倉出料閥門，開啟真空泵使料倉和輸送管道內形成真空；再接上真空吸槍，物料被吸入輸送管道，并進入料倉中；真空泵與料倉之間設置有過濾器，對氣體和粉料進行分離；當料倉內添加到一定量的物料后，真空泵停止。

生產時主材通過重力落料方式投入攪拌機內；整個過程中粉塵經過管道負壓收集經布袋除塵和高效過濾器處理凈化后返回車間。溶劑采用隔膜泵從NMP存儲罐中經過密封管道輸送到計量罐內，生產時采用流量計輸送到攪拌機內。本項目投料過程均先投加液狀原料，再投加粉狀原料，有利于減少粉塵的產生量。

正極粉體原料（鎳鈷錳酸鋰、導電炭黑和PVDF）、負極粉體原料（石墨、CMC）在密閉的正極（負極）配料房內進行投料，所用設備是自動上料機系統，粉體原料均為噸袋或紙袋，因此該過程不會產生粉塵。將噸袋或紙袋裝的鎳鈷錳酸鋰（固）、導電炭黑（固）、PVDF（固）的出料口與混合器進料口通過軟管相接，采用重力投料的方式。

加料投料時，首先關閉料倉出料閥門，拆去噸袋或紙袋外層包裝，將內包裝是鋁塑膜噸袋或者紙袋直接投入設備中，再由設備內部進行開袋，依靠物料自身重力將物料投入計量罐中，由計量罐將每種物料投送至發送罐，再集中由發送罐投入攪拌機進行混料；至此，一個投料過程完成。

勻漿：

正極勻漿：將單壁納米碳管、NMP、CNT采用隔膜泵+流量計通過密封管道輸送乳化機內，攪拌0.5~1h左右，使其充分溶解，至呈糖狀液體，制成NMP膠液。

主材經過自動計量精確計算重量，采用重力落料經過管道輸送到攪拌機內，膠液通過隔膜泵+流量計，經過密封管道輸送到攪拌機內(真空度-0.08Mpa)，材料輸送到攪拌機后設定公轉、自轉、真空度等參數經過4~8H攪拌制成正極漿料，漿料制成后，通過管道自動輸送出到儲存罐，經初過濾最低要求過150目）、除鐵（用磁鐵吸除漿料中的鐵雜質）、消泡和漿料粘度檢測后輸送入涂布機。

正極攪拌機使用NMP溶液（濃度是99%的NMP溶液，混合1%的漿料）進行常溫攪拌清洗，15天清洗一次，約20次/年，12.5T/次，產生清洗廢液。濾網上的少量濾渣需定期拆下，用無塵布擦拭干凈；另外，遇停產或設備維修，需要用棉布將合漿壁上掛料擦凈，產生廢擦拭棉布。

負極勻漿：

①純水儲存在勻漿車間的1500L儲罐中。首先，按所需純水用量通過人機對話控制系統控制，通過管道自動輸送系統將儲罐中的純水加入攪拌機中。

②投加純水、SBR后，密閉合漿罐，然后緩慢打開合漿罐上的真空閥，緩慢抽真空；到達真空度-0.080MPa以下后，關閉合漿罐上的真空閥，停止抽真空；再通過管道向攪拌機中輸入CMC，每次三分之一，分三次加入，每十分鐘加入一次；最后開啟攪拌機在常溫下開始打膠，打膠時間為5h，制成2%的膠液，靜置并保持真空密閉狀態。為保證漿料質量，減少攪拌過程產生氣泡，攪拌機設置真空泵，待形成濕料后開始抽取真空。

③漿料制成后，通過管道自動輸送出到儲存罐，經初過濾最低要求過150目）、除鐵（用磁鐵吸除漿料中的鐵雜質）、消泡和漿料粘度檢測后輸送入涂布機。

濾網上的少量濾渣需定期拆下，用無塵布擦拭干凈；另外，遇停產或設備維修，需要用棉布將合漿壁上掛料擦凈，產生廢擦拭棉布、廢負極漿料。負極攪拌機使用純水進行常溫攪拌清洗，15天清洗一次，約20次/年，17.6T/次；攪拌機零部件300次/年，0.1T/次。負極清洗過程會產生清洗廢水。

涂布：

涂布采用雙層兩面高速連續擠壓涂布機，涂布烘箱采用蒸汽加熱，漿料經密封管道從制漿輸送到涂布中轉罐，經過過濾、除鐵由螺桿泵輸送到涂布頭中，經模頭擠壓均勻涂覆在正/負極箔材上（正極基材為鋁箔，負極基材為銅箔，放卷后直接使用，無前處理工序），涂布溫度在120℃左右，涂布速度為60m/min，涂布厚度為0.2mm。

涂布后的濕極片送入涂布機自帶的干燥烘箱進行干燥，去除漿料中的溶劑或水分，其中正極為NMP廢氣，負極為水分，干燥溫度約90~140℃。本項目干燥烘箱采用蒸汽加熱，NMP由熱風循環系統帶走進入NMP冷凝回收系統處理。干燥后的極片經張力調整、自動糾偏、面密度檢測合格后收卷，供下一步工序進行加工。

涂布機為全密封設備，涂布基片進出口為微負壓，同時在涂布機烘箱上安裝配套的NMP回收系統，涂布及干燥過程中揮發的NMP全部進入NMP回收系統，回收后的NMP委托供貨單位回收處理。

涂布機產生的NMP廢氣通過排風機將其從設備內抽出后，進入熱回收器，通過真空泵壓入冷凝器[制冷劑為R-134a（四氟乙烷），為目前國際公認的替代R12的主要制冷工質之一，是環保型制冷劑，通過一級冷卻段、二級冷卻段兩級冷卻水的熱量交換后，將冷凝為液態的NMP導入至回收液體罐中，委托供貨單位回收處理，剩余廢氣（＜30mg/m2）經排氣筒排入大氣。主要是利用同一物質在不同溫度下具有不同的飽和蒸汽分壓，且溫度越低，飽和蒸汽分壓越低。將廢氣溫度逐級降低后，使廢氣中NMP達到過飽和狀態而結露析出，從而實現NMP與空氣組分的分離。每天生產完后，涂布機與極片接觸位置需要用棉布擦拭干凈，產生廢擦拭棉布。

聚偏氟乙烯（PVDF）的分解溫度為＞316℃，項目的烘干溫度為105℃，遠低于其分解溫度，故PVDF不會發生分解而產生氟化氫氣體。

輥壓：

正極輥壓采用單輥輥壓機，負極采用雙輥輥壓機，涂布后極卷經過展平、糾偏、進入對輥裝置，在0.5～0.7Mpa壓力條件下將極片涂層壓實，壓實后極片厚度滿足工藝要求，經過展平、測厚后收卷。

分切：

采用輥壓分切一體機將極卷按照規定尺寸進行分切，極卷由人工采用上料小車安裝在放卷軸上，極卷通過糾偏、張力控制、主牽引、進入分切刀內，極卷分切后經過除塵、除鐵、糾偏收卷。分切后進行極片尺寸檢測，不合格產品作為廢極片處理，合格極片進入下道工序。

制備（自動投料、勻漿）：

固態電解質由企業自行制備，電解質制漿采用自動上料系統上料，固態電解質以DMAC（二甲基乙酰胺）為主要溶劑（重量比例超過30%）將其他戊類（LLZTO鋰鑭鋯鉭氧氧化物固態電解質）、LiTFSI混合制成漿料。其制備過程同正極（負極）漿料的制備過程一致。濾網上的少量濾渣需定期拆下，用無塵布擦拭干凈；另外，遇停產或設備維修，需要用棉布將合漿壁上掛料擦凈，產生廢擦拭棉布。攪拌機、管道使用NMP溶液（濃度是99%的NMP溶液，混合1%的漿料）進行常溫攪拌清洗，15天清洗一次，5.4T/次，清洗過程會產生清洗廢液。

涂布：

半固態電解質成型采用轉移式連續涂布，烘箱采用蒸汽加熱，將制備好的電解質漿料通過隔膜泵和密封輸送管道輸送到涂布機模頭中，通過調整刮刀間隙保證涂層均勻性。涂覆后極片傳送到烘箱內經過90~120℃高溫烘烤，快速揮發電解質中溶劑。經過牽引、糾偏、輥壓、面密度檢測合格后收卷。

涂布機產生的DMAC廢氣通過排風機將其從設備內抽出后，進入熱回收器，通過真空泵壓入冷凝器[制冷劑為R-134a（四氟乙烷），為目前國際公認的替代R12的主要制冷工質之一，是環保型制冷劑]中，通過一級冷卻段、二級冷卻段兩級冷卻水的熱量交換后，將冷凝為液態的液體溶劑導入至回收液體罐中，委托供貨單位回收處理，剩余廢氣（＜30mg/m2）經排氣筒排入大氣。主要是利用同一物質在不同溫度下具有不同的飽和蒸汽分壓，且溫度越低，飽和蒸汽分壓越低。將廢氣溫度逐級降低后，使廢氣中DMAC達到過飽和狀態而結露析出，從而實現DMAC與空氣組分的分離。

電解質干燥過程中揮發的DMAC全部進入NMP回收系統，回收后的回收液委托供貨單位回收處理。每天生產完后，涂布機與極片接觸位置需要用棉布擦拭干凈，產生廢擦拭棉布。

電芯模切

采用高速五金模切生產，人工將極卷安裝到設備的放卷氣脹軸上，設備自動放卷，糾偏機構對放卷過程進行自動糾偏，并通過張力控制系統控制放卷張力，進入模切之前會進行二次糾偏（過程糾偏），放卷儲片，沖切工位利用五金模將極耳沖切成型、R角成型、CCD瑕疵檢測，然后通過拉料機構拉到裁切位裁切成片后，通過輸送皮帶運送至尺寸檢測，經過刷粉檢測后（兩面），不良品自動被分類剔除到NG料盒中，合格品被收集到成品料盒。

電芯疊片

將整卷隔膜放入疊片機中，按照正極片—隔膜—負極片相互間隔的方式，在疊片機中進行Z字形疊片。完成后貼固定膠、二維碼膠。

設備采用彈夾式極片料盒上料，正負極極片料盒通過人工退入到疊片機的取料位。離子導體膜放卷為主動放卷，有張力控制機構。離子導體膜通過放卷帶路引入疊片臺，疊片臺帶動離子導體膜前后往復移動。負極片先疊，負極機械手吸盤先將負極片從負極料盒中取出，經CCD預定位后疊放在疊片臺；疊片臺移動到正極疊片位，同時正極機械手吸盤將正極片從正極料盒中取出，經CCD預定位后疊放在疊片臺上；然后疊片臺返回負極，疊負極片。正負極如此交替疊片；設備可實現雙工位同時疊片。

單個電芯疊片完成后，機械手夾取電芯下料，依次完成離子導體膜切斷，尾卷、自動平貼二維碼、側面貼膠、稱重后自動下料至輸送線托盤中。

電芯裝配

裝配采用全自動裝配線生產，線體包括：絕緣檢測、熱壓成型、X-RAY對齊度檢測、絕緣/厚度檢測、預焊、極耳裁切、極耳終焊、焊印貼膠、包Mylar膜、入殼、頂蓋焊接、氦檢、絕緣檢測工序。

絕緣檢測：利用絕緣測試儀對電池施加高壓直流電，檢測電池絕緣性能。

熱壓成型：利用熱烘箱將電池加熱到預定溫度，電池在高溫、高壓條件下離子導體膜與極片粘合定型。

綜合檢測：利用絕緣測試儀檢測電池絕緣值，利用高度測量儀器檢測極組厚度。

預焊：通過超聲波焊接機發出的高頻振動波傳遞到兩個需焊接的金屬表面，在加壓的情況下，使兩個金屬表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。

極耳裁切：裁切過程對極耳壓緊，利用五金刀具將多余極耳裁切掉。

極耳終焊：分別在正、負極焊機上將極耳焊接在電芯疊片體上。正、負極耳均外購，正極耳是由熱熔膠帶和鋁帶組成的鋁極耳，負極耳是由熱熔膠帶和銅帶組成的銅極耳。此工序采用極耳焊接機，不使用任何助劑，直接使金屬相連，因此不產生焊接廢氣。

焊接工藝介紹如下：鋰電池極耳焊接機是利用高頻振動波傳遞到兩個需焊接的金屬表面，在加壓的情況下，使兩個金屬表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合，其優點在于快速、節能、熔合強度高、導電性好、無火花、接近冷態加工，不需任何助焊劑、氣體、焊料，環保安全，無焊煙產生，無需安裝排焊煙裝置。

焊印貼膠帶：在焊點位置貼上保護膠帶并用測試機進行檢測。

包Mylar膜：機械手夾取電芯上料、定位，人工進行底托片上料、絕緣片上料，機械手抓取絕緣片與底托片熱熔，對極組絕緣片熱熔、側部熱熔，機械手對極組及絕緣片貼固定膠、尾部貼固定膠，采用絕緣測試儀對大面進行絕緣檢測。

入殼：設備通過鋁殼定位機構定位鋁殼，入殼機械手夾取電芯，通過四周的入殼導向裝置，將電芯壓入到鋁殼中，完成入殼。通過合蓋機構對入殼后的電池進行合蓋，通過檢測儀器對合蓋后間隙檢測，通過激光焊接對合蓋后的電池進行預點焊，確定良品和不良品，并將不良品挑選出來。

頂蓋焊接：機械手抓取電芯掃碼后定位，上保護蓋組件、采用激光焊接對頂蓋進行焊接，焊接后對焊接外觀進行檢測提出不良品。激光焊接是以激光束作為能量源，利用聚焦裝置使激光聚集成高功率密度的光束照射在工件表面進行加熱，在金屬材料的熱傳導作用下材料內部溶化形成特定的溶池。

氦檢：通過機械手實現鋰電池的上料后，對被檢工件抽真空和充注氦氣，應用真空箱法進行氦質譜氣密性檢測，通過該裝置判斷出被檢工件中的合格與不合格，最后將被檢工件內的氦氣排出。

絕緣檢測：利用絕緣測試儀對電池施加高壓直流電，檢測電池絕緣性能。

電芯烘烤

采用全自動電芯烘烤線生產，將裝配后電池抓取放在烘烤夾具內，采用機械人將夾具送入烘箱內，在80~95℃、-0.08MPa條件下烘干一段時間（烘干過程充氮氣保護，防止其氧化）去除電芯在制作過程中吸入的微量水分。使用卡爾費休水份檢測儀對電池進行水分檢測。

界面處理

半固態電池中，正極/固態電解質和負極/固態電解質界面接觸電阻相比于液態電池略大，為了更優的電性能，需要注入微量的電池電解液，降低內阻，提升倍率性能。浸潤時由真空泵將腔內真空度抽至-60~-90kpa，采用定量伺服泵將電池電解液注入電池內。

電解液固化

電池密封放置在40~45℃高溫房內靜置10~24H，電解液發生固化反應。

化成/靜置

目的為對電芯進行充放電處理，確保正負極表面活性物質充分激活。

工序在鋰電池化成機中進行，激活器全密閉，電芯已被封口，將電芯的極耳與激活器的導線相連接，激活器對電芯進行充放電，將電極材料激活，使正、負電極片上聚合物與電解質相互滲透，確保正負極片表面活性。

NCM三元材料中過渡金屬離子的平均價態為+3價，Co以+3價存在，Ni以+2價及+3價存在，Mn則以+4價及+3價存在，其中+2價的Ni和+4價的Mn數量相等。

電池充放電過程可用下式表示：LiCoxMnyNi1-x-yO2Li1-zCoxMnyNi1-x-yO2+zLi++ze對電芯進行充電激活電極材料，設備采用負壓排氣工藝，在濕度露點-30~-40℃，溫度45±3℃的環境下進行，可使化成產生的氣體及時排除，有效的緩解電池化成過程的鼓脹問題，保證了界面穩定一致。

化成時先采用0.01~0.05~C小電流充電達到一定電壓后，靜置幾分鐘再用0.1~0.5C進行充電在達到一定電壓后化成完成。

一次注液完成后隨即對電池進行負壓化成處理，化成工序在密閉化成柜內。

電池在首次充電中，完成電化學反應的產氣過程，化成柜直連真空泵抽氣以便除去化成工序產生的廢氣，確保電池密封后不至于再產生更多的氣體從而影響電池安全性能和外觀尺寸。

電解液中含有六氟磷酸鋰（LiPF6），該物質若暴露空氣中及高溫條件下會分解產生PF5（白色煙霧）。PF5在常溫常壓下為具有刺激臭的無色有毒腐蝕性氣體。熱穩定性好，空氣中不燃燒。只要有少量水分就水解生成氟化氫和氟氧化磷（POF3），而POF3最終轉變成磷酸，即PF。遇水水解生成氟化氫和磷酸。因此，它在空氣中強烈地發煙。但在干燥環境下，即使在250℃環境下也不與氫、氧、磷、硫等物質反應。

注液時輔以氮氣干燥系統，注液工序采取全封閉形式，采用雙層真空不銹鋼筒密封儲存電解液，通過自動接頭到自動注液機進行注液操作，保證注液過程從電解液容器開口到電池注液封口均在封閉狀態下進行操作，且車間設置有轉輪除濕系統嚴格控制注液過程的濕度，經采取以上措施后，注液工序六氟磷酸鋰分解放出的氟化物氣體量很小，可忽略不計。讓在化成內壓及壓力條件下外溢的少量電解液回流至卷芯體，穩定卷芯性能。

激光封口

項目采用激光焊接工藝，電池定位、密封釘自動上料并夾緊定位、激光清洗，激光密封釘預焊定位，封口片圓周焊接等工作，焊接的同時對附近的極柱可實現有效保護。封口后采用氦氣作為示蹤氣體，將已充氦氣電池放入真空箱中，然后通過氦檢漏儀能高精度迅速準確的判斷工件的泄漏情況。在線檢焊接過程檢測系統，實時監測熔深、焊縫外觀、工作距離、焊縫寬度及表面形貌、焊縫位置跟蹤來檢查焊接效果。

分容

先用0.3~1C倍率將電池充滿，再采用0.3~1C對電池進行放電，計算放電容量，分容記錄充放電曲線、電池電壓、電流、容量、開路電壓等特征數據，對應條形碼形成電池各種檢測數據，并將數據上傳儲存到數據庫。并對電池容量進行挑選，NG電池自動排出。

OK電池輸送到靜置房在常溫25±5℃靜置12~24H，再進行分容后首次電壓測試，再輸送到25±5℃靜置7~15天后進行電壓測試，計算擱置期內壓降情況，將不合格電池挑選出來，合格電池轉入下一工序。

自放電檢測

檢測電池初始電壓，將電池放置在恒溫房內一段時間后，復測電池電壓；計算電壓差值得出K值。將不合格電池挑選出來，合格電池轉入下一工序。

包膜

清理電池表面、檢測電池尺寸后在電池表面貼上一層保護薄膜和條形碼，以防劃傷。起到保護鋁殼作用。

分選

先對電池表面進行清理、檢測電池尺寸后在電池表面貼上藍膜、頂貼片起到保護鋁殼和絕緣作用。按照電池的電壓、內阻、K值、容量，根據工藝要求進行等級篩選合格產品入庫。

電池組電芯預加工

將分選后的電芯按照事先設計好的電壓、容量等要求在特定的范圍內進行電芯配對。疊裝將配組、充電后的若干電芯串并聯在一起，并用絕緣膠帶包好，并放置在模塊盒內，形成一個標準模塊。

涂導熱膠

在準備好的鋁合金上、下殼體內部涂上外購配好的導熱膠，導熱膠是以有機硅膠為主體，添加填充料、導熱材料等高分子材料，混煉而成的硅膠，具有較好的導熱、電絕緣性能。激光焊接通過激光焊接機，將配件焊接在模塊盒頂蓋上。

裝配/入箱

焊接好的標準模塊進入半自動組裝線，進行入箱、串聯連接、信號線連接等。外殼焊接通過激光焊接機對電芯頂蓋與鋁殼殼口進行焊接。

焊接

通過激光焊接機對電芯頂蓋與鋁殼殼口進行焊接。

測試

成組系統進入測試工序，進行高溫老化及充放電測試。

電池檢驗

每批次生產抽取部分產品進行檢驗，檢驗后進行人工拆解（電池進行絕緣檢測，并進行放電或絕緣處理，經檢測后的鋰離子電池使用螺絲刀、扳手等工具進行人工外部拆—48—解，拆開外殼，并對電芯進行進一步拆解（該過程恒溫并保持干燥，因企業生產固態鋰電池，電芯中添加少量電池電解液，故該過程僅產生少量揮發性有機物）。

固態電池的原理

固態電池工作原理：

●充電過程（鋰離子從負極移動到正極）：

1.鋰離子的脫嵌：

在充電時，負極材料（如鋰金屬或鋰合金）釋放鋰離子。這些鋰離子原本嵌入在負極材料的晶格結構中。

鋰離子在電場的作用下，通過固態電解質向正極遷移。固態電解質允許鋰離子通過，但阻止電子通過，確保電子只能通過外部電路流動。

2.電子的流動：

電子從負極通過外部電路流向正極，產生電流。這個電子流動與鋰離子在電解質中的遷移相配合，以保持電荷守恒。

3.鋰離子的嵌入：

鋰離子穿過固態電解質，到達正極材料（如鋰鈷氧化物LiCoO2或其他高容量正極材料）。

在正極材料的晶格結構中，鋰離子找到空位并嵌入其中。這個過程伴隨著能量的儲存。

●放電過程（鋰離子從正極移動到負極）：

1.鋰離子的脫嵌：

當電池連接到負載并開始放電時，正極材料中的鋰離子開始脫嵌。

鋰離子在電場的作用下，通過固態電解質向負極遷移。

2.電子的流動：

電子從正極通過外部電路流向負載，為設備供電。同時，電子也從負載流回負極，完成電路。

3.鋰離子的嵌入：

鋰離子穿過固態電解質，到達負極材料，并嵌入其中。這個過程釋放了儲存在電池中的能量。

固態電解質的主要功能是提供一個通道，允許鋰離子在正負極之間移動，同時阻止電子通過，確保電子只能通過外部電路。

固態電池的分類

根據液態電解質占電芯材料混合物的質量分數分類，電池可細分為液態(25%)、半固態(5%~10%)、準固態(0%~5%)和全固態(0%)四大類，其中半固態、準固態和全固態3種統稱為固態電池。

半固態電池

相比液態電池，半固態電池減少液態電解質的用量，增加氧化物和聚合物的復合電解質，其中氧化物主要以隔膜涂覆和正負極包覆形式添加，聚合物以框架網絡形式填充，此外負極從石墨體系升級到預鋰化的硅基負極、鋰金屬負極，正極從高鎳升級到了高鎳+高電壓、富鋰錳基等正極,隔膜仍保留并涂覆固態電解質涂層，鋰鹽從LiPF6升級為LiTFSI，能量密度可達350Wh/kg以上。半固態電池雖然減少了液態電解質的用量，但仍存在易燃的風險。

全固態電池

相比液態電池，全固態電池取消原有液態電解質，選用氧化物、硫化物、聚合物等作為固態電解質，以薄膜的形式分割正負極，從而替代隔膜的作用，其中氧化物目前進展較快，硫化物未來潛力最大，聚合物性能上限較低，負極從石墨體系升級到預鋰化的硅基負極、鋰金屬負極，正極從高鎳升級到了超高鎳、鎳錳酸鋰、富鋰錳基等正極，能量密度可達500Wh/kg。

根據固態電解質的材質和特性，固態電池可以被分為幾個主要類別，包括硫化物、氧化物和聚合物固態電池。

硫化物固態電池

硫化物固態電池使用的是無機硫化物材料作為電解質，這類材料通常具有較高的鋰離子電導率，接近或超過傳統液態電解質的水平。

硫化物固態電解質因其高的離子電導率而備受關注，例如Li10GeP2S12（LGPS）電解質的電導率可以達到1.2×10^-2S/cm。然而，硫化物電解質對水汽敏感，容易與水反應生成有毒的H2S氣體，且與空氣中的氧氣、水蒸氣發生不可逆的化學反應，導致離子電導率降低和結構破壞。

因此，硫化物固態電解質的開發難度較大，對生產環境要求嚴苛。

氧化物固態電池

氧化物固態電池使用的是氧化物材料作為電解質，這類材料的離子導電率一般較低，但具有良好的機械性能和化學穩定性。

氧化物電解質的代表是石榴石型結構的Li7La3Zr2O12（LLZO），其離子導電率較高，常溫下可達10^-4S/cm。氧化物電解質的致密形貌使其具有更高的機械強度，在空氣中穩定性好，耐受高電壓。但是，由于其機械強度高，氧化物電解質的形變能力和柔軟性能差，電解質片易脆裂，固固界面接觸損耗大，限制了其應用。

聚合物固態電池

聚合物固態電池由聚合物基體和鋰鹽構成，室溫下離子電導率較低，但在加熱至60℃以上時，離子電導率得到顯著提升。

聚合物電解質具有質量輕、彈性好、機械加工性能優良的特點，且其工藝與現有鋰電池接近，易于大規模量產。然而，聚合物電解質室溫下離子導電率低，且存在鋰枝晶穿透造成短路的風險，熱穩定性有限。

結合型固態電池

除了上述三種主要類型的固態電池外，還有結合型固態電池，如復合固態電解質，它是由硫化物/氧化物和聚合物電解質復合得到的電解質。這種復合電解質綜合了無機和有機固態電解質的優點，兼具高鋰離子導電率和電化學穩定性。

此外，還有氯化物固態電解質，它同時具備硫化物的高離子電導率、可變形性以及氧化物對高電壓正極材料的穩定性，但在大規模商業化方面尚不具備可行性。

產業鏈上游：電解質

全固態鋰電池使用固態電解質代替傳統的有機液體電解質，有望從根本上解決電池安全問題，并且是電動汽車和大規模儲能的理想化學電源。當然，用于全固態電池的所有電解質都有其優缺點。當前，世界各地的全固態電池公司都在進行各種電解質系統的技術研發。其中，西方公司偏愛氧化物和聚合物系統，日本和韓國公司正在努力解決硫化物系統。2020年1月中科院成功開發出多體系硫化物固體電解質和高性能固態電池，在固態電池的進程中邁出重要一步。

聚合物固態電解質

聚合物固態電解質(SPE)，由聚合物基體(如聚酯、聚酶和聚胺等)和鋰鹽(如LiClO4、LiAsF4、LiPF6、LiBF4等)構成，因其質量較輕、黏彈性好、機械加工性能優良等特點而受到了廣泛的關注。

發展至今，常見的SPE包括聚環氧乙烷(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚環氧丙烷(PPO)、聚偏氯乙烯(PVDC)以及單離子聚合物電解質等其它體系。

目前，主流的SPE基體仍為最早被提出的PEO及其衍生物，主要得益于PEO對金屬鋰穩定并且可以更好地解離鋰鹽。

然而，由于固態聚合物電解質中離子傳輸主要發生在無定形區，而室溫條件下未經改性的PEO的結晶度高，導致離子電導率較低，嚴重影響大電流充放電能力。

研究者通過降低結晶度的方法提高PEO鏈段的運動能力，從而提高體系的電導率，其中最為簡單有效的方法是對聚合物基體進行無機粒子雜化處理。

目前研究較多的無機填料包括MgO、Al2O3、SiO2等金屬氧化物納米顆粒以及沸石、蒙脫土等，這些無機粒子的加入擾亂了基體中聚合物鏈段的有序性，降低了其結晶度，聚合物、鋰鹽以及無機粒子之間產生的相互作用增加了鋰離子傳輸通道，提高電導率和離子遷移數。無機填料還可以起到吸附復合電解質中的痕量雜質(如水分)、提高力學性能的作用。

為了進一步提高性能，研究者開發出一些新型的填料，其中由不飽和配位點的過渡金屬離子和有機連接鏈(一般為剛性)進行自組裝，形成的金屬有機框架(MOF)因其多孔性和高穩定性而受到關注。

氧化物固態電解質

按照物質結構可以將氧化物固態電解質分為晶態和玻璃態(非晶態)兩類，其中晶態電解質包括鈣鈦礦型、NASICON型、LISICON型以及石榴石型等，玻璃態氧化物電解質的研究熱點是用在薄膜電池中的LiPON型電解質。

氧化物晶態固體電解質

氧化物晶態固體電解質化學穩定性高，可以在大氣環境下穩定存在，有利于全固態電池的規?；a，目前的研究熱點在于提高室溫離子電導率及其與電極的相容性兩方面。目前改善電導率的方法主要是元素替換和異價元素摻雜。另外，與電極的相容性也是制約其應用的重要問題。

LiPON型電解質

1992年，美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)在高純氮氣氣氛中采用射頻磁控濺射裝置濺射高純Li3P04靶制備得到鋰磷氧氮(LiPON)電解質薄膜。

該材料具有優秀的綜合性能，室溫離子導電率為2.3x10-6S/cm，電化學窗口為5.5V(vs.Li/Li+)，熱穩定性較好，并且與LiCoO2、LiMn2O4等正極以及金屬鋰、鋰合金等負極相容性良好。LiPON薄膜離子電導率的大小取決于薄膜材料中非晶態結構和N的含量，N含量的增加可以提高離子電導率。

固態電池的難點：界面工程

金屬鋰負極-固態電解質界面存在的問題，并把他們統一劃分為靜態及動態。靜態問題中的化學不穩定或物理接觸差都會導致界面阻抗大及固態電池性能衰退.界面修飾是一種普適性較強的解決策略,可通過反應型浸潤有效地解決上述問題.在阻隔金屬鋰與固態電解質直接接觸的前提下,均勻地傳導鋰離子,因此還能在一定程度上解決動態問題。大多數動態問題是金屬鋰不均勻沉積/剝離反應造成的.靜態問題導致的界面不均勻性會衍生出動態問題.對于枝晶生長問題:枝晶可能會穿透聚合物電解質造成電池失效,提高聚合物電解質的模量可以在枝晶尖端產生抑制生長的應力;在無機固態電解質中,金屬鋰沉積在裂紋內部具有動力學優勢.機械應力將積累在裂紋尖端,導致裂紋進一步擴展,甚至電解質完全破裂.此外,電解質的電子導電性可能會導致金屬鋰直接沉積在其內部,引起電池短路.因此,減少無機固態電解質的缺陷及降低電子電導率能夠解決枝晶生長問題;金屬鋰內部污染物會驅使枝晶形成,因此對其純化也是抑制枝晶生長的有效策略.另一個動態問題是孔洞形成:盡管在電池制備過程可以構建緊密接觸的界面,一旦界面處的剝離速度大于補充速度,孔洞就會形成,減小后續沉積時的有效接觸面積,造成局部電流密度提升、枝晶生長等一系列問題.因此,CCS應該在后續研究中受到更多的關注.施加外部壓力能夠有效地提高CCS.然而,這種做法在實際應用中受限.彈性界面/集流體、三維結構設計是解決動態問題的有效策略。

近年來,固態電解質的離子電導率可以達到甚至超過液態電解質,固態電池的ASR也通過不斷優化達到與基于液態電解質的電池相近水平,然而在滿足實際使用的前提下,固態電池的性能還相對遜色,逐漸凸顯出了動態問題對于實現高性能固態電池的重要性.三維結構是解決動態問題的有效策略,然而結合電化學穩定性問題還延伸出了如下問題值得關注:一般認為Ⅲ型界面對金屬鋰穩定.然而,該界面在移動的金屬鋰作用下可能發生剝落,導致副反應發生造成容量損失.且電阻性的Ⅲ型界面層可能會使金屬鋰完全失去電子傳導通路,形成“死鋰”.最近的研究工作揭示了金屬鋰沉積的新機理,并系統地給出了基于蠕變機制的固態金屬鋰電池設計規則.用于液態電解質的三維多孔集流體可以按照前述設計規則改造,應用于基于蠕變機制的固態金屬鋰電池.而如何實現大規模高效的基于蠕變機制的三維結構制備仍具挑戰.

實現高性能的全固態金屬鋰電池必須要在解決靜態問題的基礎上解決動態問題,界面工程可以在不改變金屬鋰負極及固態電解質性質的前提下顯著提高固態電池的性能,是重要的研究方向.然而,單一的解決策略很難完全解決界面問題或是存在實際應用方面的困難.因此,未來的研究應當從固態電解質(材料的選擇及成型工藝等)、金屬鋰電極、電極-電解質界面及電池結構等多方面綜合考慮.總之，在走全固態電池的路上，任重而道遠！

全固態電池產業化尚需時日，半固態電池寸積跬步，兼具固態、液態電解質的優勢。當下仍面臨電導率（倍率性能）、界面（循環壽命）和成本問題，發展方向上來看，（半）固態電池核心仍是電解質，對于核心問題有較好解決的均有放量潛質，推薦關注固態電解質及鋰鹽、高性能正負極等。

半固態電池有望實現高能量密度+高安全性。能量密度：目前主流三元液態電池一定安全性下已接近能量密度上限，當前半固態電池能量密度已達到360wh/kg，后續將繼續突破。安全性：半固態電池電解液質量分數僅為5%-10%，固態電解質的不易燃、零揮發，顯著提升了電池的熱穩定性。

當下仍面臨電導率（倍率性能）、界面（循環壽命）和成本問題，發展方向上來看，（半）固態電池核心仍是電解質，現階段多是聚合物+氧化物等，基于主流固態電解質性能出發，后續為了綜合性能大概率延續復合體系的路徑，同時添加新型鋰鹽等，為了提升能量密度大概率要使用高性能正負極比如超高鎳、富鋰錳基、鋰金屬負極等，同時輔以外部加壓、電解質厚度平衡等工藝優化才可實現較好的性能。但就（半）固態產品而言性能是前提，成本是能否放量的基礎，或先在成本容忍度高的領域應用，在新能源汽車領域應用大概率要平衡一部分性能和成本，空間上看，預計2030年固態電池滲透率6%，需求合計約300GWh，未來幾年將迎來較快放量。

半固態電池是過渡路線

不過固態電池仍存在離子電導率低導致性能變差、成本高昂等問題，因此距離規模量產還有5-10年。固態電池電解液與電極之間是固-固界面，難以形成像固-液界面那樣緊密充分的接觸，因而不利于鋰離子在正負極間的傳輸，影響了電池性能，而通過在固態電池內部添加部分電解液可以改善界面接觸電阻，因此固態電池未來的技術發展采用逐步轉化策略，即電解液含量逐步下降，最終采用固態電解質。按照電解質固液比例的不同，固態電池可分為半固態、準固態和全固態三種，固態電解質比例依次上升。半固態電池基于高安全性、與現有產線的高兼容性以及良好的經濟性，成為當下液態電池向全固態電池過渡的最優選擇，預計2025年前可以實現規模量產。

目前國內絕大多數廠商的量產規劃都是基于半固態電池，以北京衛藍、贛鋒鋰業、清陶能源為代表的企固態電池均有望在2023年實現裝車。搭載北京衛藍半固態電池的蔚來ET7預計于2023年上半年交付；搭載贛鋒鋰電半固態電池的東風E70示范運營車已于1月下旬完成交付，并且同樣搭載贛鋒鋰電半固態電池的純電動SUV賽力斯SERES-5計劃于2023年上市；搭載國軒高科的高合汽車HiPhix將于2023年第一季度開始交付；搭載孚能科技半固態電池的嵐圖追光轎車，首批新車已量產下線；清陶能源的半固態電池將搭載上汽和哪吒的相關車型。

其實半固態電池對于能量密度提升并沒有太大幫助，其短期的驅動因素主要還是安全性的提升，尤其在對于外部撞擊、外部加熱、內部短路等問題的風險測試中，固態電池的表現遠優于液態電池。另外半固態電池在生產制造上與傳統的軟包電池產線兼容度很高，主要在原有工序的基礎上增加原位固態化工藝即可實現快速的切換，所以半固態在短期內具備快速起量的條件，這也是半固態電池能夠在今年裝配到這么多車型上的主要原因。

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