蓋世汽車訊 據(jù)外媒報道，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT，F(xiàn)raunhofer ILT）正在開發(fā)激光工藝，以實現(xiàn)固態(tài)電池的工業(yè)化生產(chǎn)。該研究所表示，這項技術(shù)有望克服固態(tài)電池制造過程中的關(guān)鍵難題。研究內(nèi)容涵蓋固體電解質(zhì)的激光燒結(jié)、界面結(jié)構(gòu)化以及鋰金屬箔的切割。

圖片來源： Fraunhofer ILT

鋰離子電池是目前電能存儲的標(biāo)準(zhǔn)——從消費電子產(chǎn)品和電動汽車到固定式儲能系統(tǒng)——近年來發(fā)展迅猛。

然而，這項技術(shù)正接近其物理極限。能量密度增長緩慢，由于采用液態(tài)電解質(zhì)，安全性仍然有限，而且對鎳、錳或鈷等關(guān)鍵原材料的依賴性問題尚未解決。因此，固態(tài)電池被視為下一代電化學(xué)儲能技術(shù)。它們有望憑借鋰金屬負極實現(xiàn)更高的能量密度，憑借固態(tài)電解質(zhì)實現(xiàn)更高的安全性和更寬的溫度窗口，并在電池設(shè)計方面帶來新的自由度。

但固態(tài)電池尚未達到工業(yè)化成熟。鋰金屬和含硫化物電解質(zhì)等材料需要新的工藝策略，而且生產(chǎn)制造需要投資于專用干燥室或惰性氣體環(huán)境。激光技術(shù)可以發(fā)揮決定性作用，例如通過選擇性燒結(jié)固態(tài)電解質(zhì)、定向構(gòu)建界面結(jié)構(gòu)以及非接觸式切割延展性金屬。因此，它有可能成為從實驗室電池到工業(yè)固態(tài)電池的關(guān)鍵技術(shù)。

固態(tài)電池的潛力和應(yīng)用

目前，眾多制造商正在推進固態(tài)電池的研發(fā)。豐田、比亞迪、三星SDI和蜂巢能源等亞洲公司已公布了計劃，擬于2027年開始試生產(chǎn)。梅賽德斯-奔馳和Stellantis等歐洲汽車制造商也在與合作伙伴測試初步的半固態(tài)電池概念，而日產(chǎn)已在橫濱建設(shè)一座試點工廠。這些活動表明，這項技術(shù)正日益走出實驗室，走向工業(yè)化應(yīng)用。

“固態(tài)電池的關(guān)鍵優(yōu)勢在于其固有的安全性，”Fraunhofer ILT切割部門的物理學(xué)家Stoyan Stoyanov解釋道，“由于不使用液態(tài)電解質(zhì)，因此不存在泄漏或熱引發(fā)火災(zāi)的風(fēng)險。此外，許多固態(tài)電解質(zhì)具有很高的機械穩(wěn)定性，可以抑制鋰枝晶的形成，而鋰枝晶是傳統(tǒng)電池內(nèi)部短路的主要原因?！?/p>

除了安全性之外，更高的能量密度是主要驅(qū)動力。比容量高達3860 mAh g?1的鋰金屬負極遠勝于石墨負極。結(jié)合薄型固態(tài)電解質(zhì)，這在續(xù)航里程和重量方面都具有優(yōu)勢，而這對于電動汽車和航空領(lǐng)域至關(guān)重要。

首批應(yīng)用領(lǐng)域正在涌現(xiàn)，這些領(lǐng)域?qū)Π踩院托阅芤髽O高：例如航空航天、賽車運動、醫(yī)療技術(shù)和高安全性數(shù)據(jù)存儲。在這些領(lǐng)域，更高的能量密度足以彌補復(fù)雜的制造工藝。

就目前而言，固態(tài)電池在大眾市場的經(jīng)濟競爭力仍然有限。生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施仍在建設(shè)中，而現(xiàn)有的鋰離子電池系統(tǒng)也在同步發(fā)展。

“在可預(yù)見的未來，固態(tài)電池將與傳統(tǒng)的鋰離子電池并存，并將主要服務(wù)于汽車行業(yè)中一些要求特別高的應(yīng)用，例如豪華車市場，”Stoyanov說道。

制造挑戰(zhàn)

因此，R?rig和Ribbeck正在研究如何通過定向激光結(jié)構(gòu)化來優(yōu)化界面。他們利用飛秒級的超短激光脈沖，在固體電解質(zhì)表面引入微結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)增加了有效接觸面積，并促進了更均勻的電流分布，從而有可能降低界面阻抗?！拔覀円呀?jīng)證明，可以生成尺寸約為30微米的可重復(fù)結(jié)構(gòu)，”R?rig解釋道。

然而，目前的研究結(jié)果也凸顯了相互作用的復(fù)雜性。雖然結(jié)構(gòu)化表面在個別情況下表現(xiàn)出更好的潤濕性，但電池的整體電阻有時卻有所增加。研究人員推測，晶體結(jié)構(gòu)的變化和工藝相關(guān)的缺陷都對此有所影響。

目前，研究人員正利用拉曼光譜和其他分析方法，對激光加工后晶格的結(jié)構(gòu)變化進行表征。同時，他們也在研究定向鋰沉積技術(shù)以更好地控制接觸，以及所謂的“無陽極電池”的概念，在這種電池中，鋰僅在首次充電過程中沉積。

鋰金屬電極的激光切割

Fraunhofer ILT的另一項重點研究方向是切割用作負極材料的鋰金屬箔?！颁嚱饘俦徽J為是下一代高能量密度電池的關(guān)鍵組件，但它對制造技術(shù)提出了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，”Stoyan Stoyanov表示?！斑@種材料質(zhì)地柔軟、粘附性強且反應(yīng)活性極高。傳統(tǒng)的機械加工工藝，例如旋轉(zhuǎn)刀具或沖壓，很容易導(dǎo)致材料涂抹、刀具粘連以及切割邊緣不均勻?！贝送?，機械加工只能實現(xiàn)線性切割，這嚴(yán)重限制了電池布局的靈活性。激光技術(shù)開辟了新的可能性。作為一種非接觸式、無磨損的工藝，它能夠?qū)崿F(xiàn)精確切割并允許靈活的輪廓。

然而，無論是機械加工還是激光加工，都必須在密封的惰性氣體或干燥室環(huán)境中進行。這對于安全處理鋰至關(guān)重要，但也帶來了自身的工藝工程挑戰(zhàn)。Stoyanov解釋說：“氬氣特別合適，因為它能防止氧化，從而形成均勻的邊緣，但價格昂貴。氮氣便宜得多，但會導(dǎo)致氮化鋰的生成。而含水氣氛則會促進氧化物和氫氧化物的生成。”這些反應(yīng)產(chǎn)物會增加工藝的能量需求，并且還會損害電極的電化學(xué)性能。

目前，研究人員正在探索更具成本效益的工藝氣氛和更有效地控制鋰表面反應(yīng)?！斑@些方法仍處于早期階段。因此，在我們的實驗室演示裝置中，我們使用露點低于-70°C的純氬氣，盡管其他氣氛在技術(shù)上也是可行的?！?/p>

另一個挑戰(zhàn)是避免激光加工過程中可能產(chǎn)生的顆粒和飛濺。這些會損害表面質(zhì)量，并導(dǎo)致后續(xù)電池復(fù)合材料出現(xiàn)缺陷。因此，Stoyanov及其團隊正在開發(fā)工藝策略，以有針對性地控制燒蝕并有效地消除排放物。

脈沖持續(xù)時間在皮秒范圍內(nèi)的超短脈沖激光器是獲得高質(zhì)量切割邊緣的一種選擇，這種切割邊緣不會形成明顯的毛刺，并且熱影響區(qū)最小。該團隊還在研究一些技術(shù)上更容易集成且經(jīng)濟效益更高的方案，例如使用納秒激光器，這種激光器能夠在較低的投資成本下實現(xiàn)可接受的切割質(zhì)量。與此同時，研究人員正在研究將激光工藝集成到可擴展的生產(chǎn)環(huán)境中的概念，例如借助可以有針對性地用惰性氣體沖洗的緊湊型微型環(huán)境。

邁向工業(yè)化應(yīng)用

固態(tài)電池從實驗室走向工業(yè)化生產(chǎn)，不僅需要新型材料，更重要的是需要穩(wěn)健可靠的工藝流程。鋰離子電池的生產(chǎn)提供了一個寶貴的參考。從電極生產(chǎn)、電池組裝到最終加工，許多工藝步驟在原理上都與鋰離子電池類似，盡管固態(tài)電池的要求要高得多。

激光技術(shù)在鋰離子電池生產(chǎn)中已相當(dāng)成熟。例如，激光切割（即對電極箔進行精確的縱向切割）、激光干燥（用于快速高效地去除溶劑）以及激光開槽（用于集流體）。這些經(jīng)驗中的許多都可以應(yīng)用于固態(tài)電池。然而，對精度、純度和材料穩(wěn)定性的要求正在顯著提高：即使是最小的顆粒、缺陷或化學(xué)變化也會影響電池的功能。

“這就是激光工藝日益重要的原因，”Stoyanov認為?！捌浞墙佑|式、選擇性的能量輸入能夠?qū)崿F(xiàn)高精度加工，并可集成到干燥室或微型環(huán)境等受保護環(huán)境中。這使得激光成為一種能夠滿足材料要求并兼顧嚴(yán)格環(huán)境條件的工具?！?/p>

如此一來，實驗室開發(fā)的工藝鏈便可轉(zhuǎn)化為工業(yè)應(yīng)用。在目前高廢品率和長啟動時間仍然普遍存在的領(lǐng)域，基于激光的工藝可以為確保固態(tài)電池的可擴展性和成本效益做出決定性貢獻。

Fraunhofer ILT的定位

Fraunhofer ILT將其核心能力整合于固態(tài)電池的整個價值鏈中。其重點在于對材料開發(fā)和后續(xù)產(chǎn)業(yè)化至關(guān)重要的激光制造工藝。這些工藝包括固體電解質(zhì)的激光燒結(jié)、用于優(yōu)化界面的激光結(jié)構(gòu)化、鋰金屬箔的激光切割，以及電池復(fù)合材料的接觸和集成工藝。

一個研究小組致力于研究新型電解質(zhì)和負極材料的性能和局限性，而另一個團隊則致力于開發(fā)穩(wěn)健且可擴展的工藝來處理這些材料?！斑@種雙重視角使我們能夠在早期階段就搭建起實驗室驗證與工業(yè)化應(yīng)用之間的橋梁，”Ribbeck總結(jié)道。

盡管如此，固態(tài)電池短期內(nèi)不會取代現(xiàn)有的鋰離子電池，即便它們?yōu)槟切Π踩院湍芰棵芏纫髽O高的應(yīng)用領(lǐng)域開辟了新的前景?！昂娇蘸教臁⑨t(yī)療技術(shù)、高性能汽車，以及數(shù)據(jù)中心和醫(yī)院的不間斷電源（UPS）等應(yīng)用，都體現(xiàn)了固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)勢，足以抵消其額外的成本，”Stoyan Stoyanov表示。從中長期來看，生產(chǎn)成本的下降也可能為固態(tài)電池進入更廣闊的市場鋪平道路。

這為歐洲帶來了一個特殊的機遇。雖然鋰離子電池的大眾市場主要由亞洲制造商主導(dǎo)，但在固態(tài)電池技術(shù)領(lǐng)域，目前尚未形成成熟的產(chǎn)業(yè)壟斷。企業(yè)和研究機構(gòu)可以盡早占據(jù)市場先機，參與制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并構(gòu)建新的價值鏈。

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