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$利元亨(SH688499)$ 跻身第一梯队！宁德时代、比亚迪、利元亨发力固态电池“等静压”工艺2024年11月16日 19:04 上海
固态电池作为对现有电池体系的颠覆，其研发与设计的过程，离不开多种锂电材料的迭代、创新甚至融合应用。此背景下，如何提高电芯内部不同界面的相容性，便成为了固态电池产业化推进的核心任务。
良好固固接触界面的形成，除了可降低电池内阻，还可避免循环过程中的接触损耗和锂枝晶形成，是固态电池充分发挥其安全性与高能量密度的必要构成。
而相较于电解质复合、包覆等从化学角度改善固固接触的策略，改进压制工艺则是在工程化环节可直接影响固态电解质层与极片间接触的物理手段。
传统锂电生产中所涉及的热压、辊压等方式，提供压力有限且无法进行均匀施压，难以保证致密堆积的一致性要求。因此，利用液体或气体不可压缩和均匀传递压力的性质、支持从各个方向对加工件进行均匀加压的等静压工艺开始被引入固态电池的制备中。
当前，等静压工艺多被用于固态电芯堆叠后的一体化压制和固态电解质层（试）制备中，以提高致密度与均匀度。干法电极片的大面积连续制备还主要依靠辊压设备来进行。
对于裸电芯压制来说，等静压可有效消除电芯内部空隙，提升电极、电解质不同材料界面之间的接触效果，进而增强导电性，提高能量密度。据了解，在对全固态电池进行等静压成型时，其压力一般超过400Mpa。
等静压尤其适用于硫化物固态电解质层的成型。宁德时代曾在相关论文中提及，通过300Mpa等静压将LAGP（磷酸锗铝锂）粉末压制成片后再进行高温烧结的操作。等静压支持在低温条件下进行压制，不会影响硫化物电解质的化学稳定性，适用于高温下容易分解或反应的硫化物材料试验。
观察发现，宁德时代、比亚迪、利元亨等锂电产业企业均在等静压工艺上有深入布局，且已形成相关专利。这意味着以上公司的固态电池相关研发已进入实验室结果转化阶段，同时也深入电池制备，甚至是后段制备环节，
宁德时代指出，当前电池生产商采用等静压工艺生产电池电芯，缺少夹具，裸电芯在设备的腔体内易出现受压及受热不均，导致容易出现塑性变形不一致的缺陷，从而影响裸电芯的安全性能及后工序入壳等。
为此，宁德时代为了缓解受压及受热不均的问题， 在料框设计中加入夹料组件，夹料组件可以适当浮动以夹紧待挤压的裸电芯，并利用夹料组件的夹料板固定夹紧并使得裸电芯保持平整，最终使得裸电芯的表面受力均匀。
比亚迪则提出，若固态电芯本身承压能力较低，在后续的拘束加压过程中也会导致电池内部压力分布不均匀，对电池首效和循环性能不利。
因此，比亚迪过将固态电芯的最外层设计为陶瓷层，利用陶瓷层自身良好的刚性和硬度，使电池在等静压过程中承受较大的压力时，能保证均匀的受力，使得压面平整，不易使外包装膜破裂，且在后续拘束加压过程中保持压面平整，使电池具有良好的首效和循环性能。
设备企业利元亨也提出了固态电池电芯等静压处理方法、装置及生产线专利。
利元亨通过对容腔进行镂空设置，添加散热组件等，支持固态电芯在接受等静压处理后，能够以更快速度降温，节省固态电芯降温的等待时间，提高对固态电池电芯的处理效率。
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等静压技术及等静压机
等静压技术是将待压件的粉体置于高压容器中，利用液体或气体介质不可压缩和均匀传递压力的性质从各个方向对加工件进行均匀加压，使粉体各个方向上受到的大小一致的压力，从而实现高致密度、高均匀性坯体的成型。在这过程中，材料的特性与尺寸、形状、取样方向无关，而与材料的成型温度、压力有关。
等静压机具有技术先进性、能耗性、故障率低、使用稳定性、使用维修方便性、安全性、长寿命久耐用性、压坯密度均匀一致等优点。按成型和固结时的温度高低，等静压机主要分为冷等静压机、温等静压机、热等静压机三类。
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图片来源：四川航空工业川西机器有限责任公司
1、冷等静压机
冷等静压是目前最常用的等静压成型技术，冷等静压机在常温下运行，无需加热装置，一般由加压站、冷却系统、缸体（钢筒）、框架、上端塞（顶盖）、控制柜等组成。通常利用液体（例如水或油或乙二醇混合液体）为压力介质，利用橡胶和塑料作包套模具材料，相比热等静压，可对粉末施加更高的压力（100-630MPa），可为下一步烧结、煅造或热等静压等工序提供具有足够强度的“生坯”，并可在烧结之前对其进行较为精细的机械加工，显著减少烧结后制品的加工量。根据其成型过程不同，冷等静压机可分为湿袋式和干袋式两种形式。
湿袋式冷等静压机工序较多，生产效率较难提高，所以较适用于实验室制备或小批量生产；干袋式冷等静压机自动化程度较高，可实现连续生产，适用于大批量生产。
冷等静压机在固态电池的生产中已得到了广泛应用。有研究人员利用冷等静压技术制备石榴石基超薄柔性复合固态电解质膜，另有研究人员采用冷等静压-高温固相法制备Li6.3Al0.15La3Zr1.75Ta0.25O12固态电解质。韩国LG能源公司也曾公开专利，利用冷等静压机采用新型硫化物固态电解质制备了无负极全固态电池。
2、温等静压机
温等静压机，利用液体或气体作为工作介质，在密闭容器中通过增压系统逐步加压，使得被加工的物体在各个表面受到相等的压强，并在模具限制下完成成型过程。与冷等静压机相比，温等静压机在工作过程中会加热介质或工件，以达到特定的温度条件，从而促进材料的致密化、扩散或相变等过程。工作温度一般不超过500℃，压强范围可达300MPa左右。
但是温等静压的温度和压力对于制品有着很大的影响，其主要通过外部干套或内部热交换器施加到工作介质，再通过增压器不断把压力介质加入工作缸内部，达到对粉体加热加压的目的，这种工作方式会使压力介质受到摩擦、增压的作用而持续升温，较难实现对温度的精准控制，同时工作缸内均温性也难以得到保证。
三星SDI是等静压技术的推崇和应用者。今年1月，有报道称其在固态电池产线中测试中采用了水压和辊压工艺的温等静压机，所以，温等静压机也可用于固态电池的生产。
3、热等静压机
热等静压机，需要以较为昂贵的氩气、氮气、氦气等惰性气体或其他混合气体作为压力介质，向制品（粉体或已经成型的样品）施加各向同等压力（100~200MPa）的同时利用加热炉对制品施加1000~2200℃的高温，从而使制品得以烧结或致密化的过程。
热等静压机在固态电池生产中的优势：高度均匀性，热等静压机能够确保电池组件在高压和高温下受到均匀的压力，从而产生高度均匀的材料，提高电池的整体性能；可控性强，通过调节压力和温度等参数，可以精确控制固态电池的致密化和界面接触过程，满足不同应用场景的需求；适用范围广，热等静压机适用于不同材料和结构的固态电池生产，具有广泛的适用性。
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等静压技术为固态电池带来了什么
①推动固态电池技术的发展，有助于提升能量密度、减轻电池组重量或延长使用寿命
②降低内部电阻率，缩短充电时间；
③对电芯施加均匀的压力，获得可靠且始终如一的质量；
④具备大规模生产能力，以满足超级工厂的需求；
⑤相较于液态电解质锂离子电池生产，生产流程得以简化。
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探索与挑战
等静压技术本身是一项成熟的技术，在陶瓷、粉末冶金等领域已有广泛应用。然而，在固态电池领域的应用仍处于探索和发展阶段，技术成熟度相对较低。美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）的电池研究人员也曾建议固态电池行业关注等静压技术，以促进下一代电池商业化，并指出等静压技术可能成为未来固态电池大规模量产的必备工艺之一。目前等静压技术在固态电池领域的推广仍然面临着如何选取合适的压制温度和压力组合，以及如何控制压实质地，如何提高生产效率与良率等挑战。
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