走进全固态电池 | 全固态电池制程及品控知多少？

同学同学，请问你们知道全固态电池吗？

知道的，就是不使用液体电解质的电池。比液态电池更安全、可靠的电池。

你们知道固态电池有哪些种类吗？

当然知道了，氧化物类、聚合物类，硫化物类，我还知道中国或将投入约60亿元用于全固态电池研发，宁德时代、比亚迪、一汽、上汽、卫蓝新能源和吉利共六家企业或获得政府基础研发支持，并且聚合物和硫化物更是作为全固态电池研发的重点呢！

对啊，国轩高科不也在接受采访时透露，保守预计2027年将实现全固态电池小批量上车实验，2030年实现量产。

哈哈，看来固态电池很有名嘛！那你们知道硫化物类全固态电池在工艺开发过程中怎么测试电性能吗？

这个不是很清楚，每个厂家不一样吧？好像都要压片，上夹具之类的……元能不是做检测设备开发和测试方法开发的吗？你们怎么测啊？你们的客户怎么测啊？

感谢元宝们对元能的关注，元能作为锂电行业检测仪器开发的专业供应商，也时刻关注着行业的动态和各位老师们的需求，关于固态电池版块，近期更是做了系统化梳理，接下来小编就带各位一起看下元能在全固态电池制程品控测试部分的一些配套方案。

1. 全固态电池的制程工艺流程

全固态电池制程工艺主要包括电解质合成、成膜、电芯组装三个阶段，其中电解质合成包括原料的预处理、混合、烧结及烧结后的颗粒破碎微纳化等几个阶段，以LPSC的合成为例，经破碎后的LiCl、P4S10与Li2S充分混合，混合物经200-600℃，10-20h烧结后可获得LPSC块状物，对块状LPSC进一步破碎可获得不同粒径的LPSC粉末，其中用于全固态电池的正极层电解质粉末平均粒径通常要2μm，负极层要求更细，通常要1μm，常规电解质层粒径不小于4μm，需要合理的破碎工具结合粒径测试进一步明确。电解质合成后需要结合成膜工序分别进行电解质层成膜制备及正负极成膜制备，当前主要有湿法成膜和干法成膜两种制程工艺，湿法工艺成膜与液态电池有许多相似之处，且操作简单，工艺成熟，易于规模化生产，是目前最有希望实现固体电解膜量产的工艺之一，全固态电池湿法成膜工序中溶剂除水是重要的环节，溶剂残留会降低膜的离子电导率。干法工艺是将固体电解质与聚合物粘结剂进行纤维化分散，然后对混合物进行压碾成膜，干法成膜无溶剂残留，可获得更高的离子电导率。固态电池负极一般采用金属锂，电极制备主要是指正极极片，制备工艺也可以分为湿法和干法工艺，与传统锂电池的主要差别就是在电极中需要加入固态电解质组分，替代液态电解液。电解质成膜和电极制备工序段完成后，需要经过模切、叠片、热压、焊接、封装及等静压等工序，最终获得成品的全固态电池。如图1为全固态电池制程工艺流程图。

图1.全固态电池制程工艺流程图

2. 全固态电池制程过程关键点品控

元能科技自成立以来，一直专注于锂电行业新型检测仪器的研发生产与应用方法开发，在固态品控版块也有一些成熟设备被行业所应用。其中在固态电解质研究领域，电导率是面临的关键科学问题之一，固态电解质电导率包含电子电导率和离子电导率两部分，需要降低电子电导率，提高离子电导率，离子电导率是大家关注的重点，目前测量离子电导率的最佳方式是通过阻塞电极，测试交流阻抗进行计算而得，并且由于界面问题，固态电解质在测试过程往往需要大压力压制成片之后进行测试，且实现交流阻抗需要大于1MHz的频率段完成测试。元能为进一步助力固态电解质离子电导率的测试重点推出了SEMS系列固态电解质测试系统及LN-Z2-HF系列高频阻抗测试系统，两大系统相结合，实现固态电解质不同量化压力下100MHz频率下的高频阻抗测试评估，可理想地将固态样品的阻抗分为粒子单体阻抗、粒界（粒子之间）阻抗、电极界面阻抗三个部分，同时该系统还具备温控功能，可有效实现-183℃~600℃之内的阻抗测试，实现更加微观及精细化的材料评价。

图2.固态电解质离子电导率评估方案

除了电解质合成后的电导率性能评估，当前全固态电池电解质成膜和电极制备工序中配料均匀性及成膜稳定性是重要的一个环节，如何识别异常亦是关键点，关于这一部分元能成熟的PRCD系列粉体电阻率&压实密度仪及BER系列极片电阻仪被行业所接受及认可，如图3为PRCD系列粉体电阻率&压实密度仪在配料均匀性品控方面的应用，配料混合后的样品进行不同位置取样的电阻率和压实密度评估，通过重复均匀性测试偏差监控配料的均匀性，对于不同配料混合时长及混合参数的制定都有着指导意义。

图3.PRCD系列粉体电阻率&压实密度仪在配料均匀性品控方面的应用

固态成膜工艺和电极制备阶段，成品膜片或固态电极的均匀性监控亦是全固态电池制程工艺的关键环节，行业内液态锂离子电池成膜工艺采用膜片电阻指标评估膜的均匀性，且在产线批次稳定性监控中有比较成熟的应用；在全固态电池的成膜工艺端，经实际测试评估，该方法也能实现固态成膜阶段品质的有效评估。如图4为基于BER极片电阻仪进行的固态膜片的电阻测定，通过对比两种不同的极片电阻，可有效区分两种膜片在电子导电性能版块的差异，同时结合膜片不同位置电阻率的相对标准偏差（COV）也可以有效评估膜片均匀性的差异，为制程工艺条件优化提供指导性数据。

图4.BER系列极片电阻仪在固态成膜均匀性中的评估应用

3. 小结

本文主要结合当前行业发展现状，梳理全固态电池制程工艺流程的整体思路，结合元能现状提供电池组装前工序段的相关品控设备及应用场景。全固态电池当前的发展多以实验线为主，随着行业方向的明确及政策的支持，小试线、中试线甚至量产线都将得到进一步的发展，制程流程很关键，品质把控更是重中之重，元能致力于制程及品控联手抓，助力全固态行业高速稳定发展，在此也欢迎固态行业内的老师、专家及工程师们给予元能更多的支持与指导，也欢迎有需求的朋友们咨询交流或送样测试。后续元能将进一步梳理全固态电池测试方面的一些理解与方案，大家可持续关注！

4. 参考文献

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