利元亨研究院院長杜義賢：已實現固態電池量產工藝全線覆蓋
“固態電池和eVTOL完美契合，其性能優勢主要表現在能量密度高、安全性好，而且在功率密度、快充、倍率方面也都表現很好。2030年后固態電池有望率先在eVTOL上放量，eVTOL的飛行半徑將得到大幅度提升。”在日前舉行的電動航空及下一代電池技術(CIBF2025深圳)交流會上，利元亨研究院院長杜義賢在主旨演講中表示。
圖為利元亨研究院院長杜義賢主旨演講
全固態電池沒有隔膜也沒有電解液，用固態電解質膜代替隔膜，且正負極摻混固態電解質，所以需要用大拘束壓力改善固固界面，力學性能要改變，同時改變電化學性能。杜義賢表示，這對現有鋰電設備提出了不少挑戰，同時也帶來了設備技術革新、市場開拓的機遇。
從生產工藝來看，全固態電池和液態電池工藝有很多不同，但極片制造段干法和濕法兩種工藝都可以選擇。干法的優勢是環保、占地小、能耗少，但成膜性、壓延性、制成片后的力學性能較差。“不過從我們接觸的給客戶提供的服務來看，在目前全固態電池比較穩妥的仍然是使用濕法工藝做極片。”杜義賢說。
利元亨既能夠提供干法設備，也能夠提供濕法設備。他指出，因為全固態電池沒有了隔膜，加壓的時候正負極之間有短路風險，所以利元亨增加了膠框印刷工藝，這也是利元亨的一大重要創新。“加壓仍然可以采用等靜壓等設備，后面程序和液態電池不一樣的是，還有高壓化成分容，但加的壓力會比較大。”利元亨都給出了切實的解決方案。
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固態電池制造設備的最大瓶頸
固固界面，是目前全固態電池生產中面臨的最大挑戰。杜義賢指出，“從全固態電池的材料組成來看，因為固固材料界面的結合，導致界面離子傳輸的困難，也使離子電導率不高。這成為設備開發制造的瓶頸，也是最難的需要解決的問題。”
界面問題主要涉及以下幾方面：一是材料致密化，比如極片制片時、電解質制備時材料內部的致密化。二是不同材料層之間的界面結合性，比如電解質和電極之間的界面問題，這也涉及制造工藝包含電解質轉印、疊片、電芯等靜壓、高壓化成等環節。三是高壓下正負極不短路的封裝。
“我們現在解決界面問題主要是靠高壓，帶來的負面問題是正負極會短路，解決方案就是在正負極之間加一個膠框。”杜義賢表示，“我們進行的測試，像電極或者電解質的孔隙率如果壓縮在5%以內，界面接觸電阻顯著降低，但是以現在的濕法做出來的孔隙率大概是25-35%，遠大于這個數字，所以等靜壓或者輥壓非常有必要。”
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四大關鍵工藝和設備
為解決界面問題，利元亨總結出四個關鍵的制造工藝：高壓致密化工藝、電解質和極片復合工藝、封裝工藝、高壓化成。對應四種設備分別是：電極干法涂布機、輥壓熱復合一體機、極片膠框印刷和疊片一體機、高壓化成分容設備。
高壓致密化工藝主要有干法電極壓延工藝、多級輥壓工藝、等靜壓工藝。等靜壓的設備成本很高，產能比較低，生產過程不連續，是一籠電池裝好以后放在高壓釜里去壓。而且因為等靜壓的設備壓力一般達到500Mpa以上，所以安全性要求非常高。
等靜壓工藝在小批量生產時有作用，但是當大批量生產時等靜壓產生的問題就會凸顯。在杜義賢看來，等靜壓的工藝要改，不能是現在離散式的方式，離散式地一籠一籠往里放再抽出來，這種方式不適合大規模的連續化生產。“所以干法電極和多級輥壓，似乎也是一種很好的解決方案，”他說。
利元亨推出的干法電極設備和行業主流有點不一樣，“我們做的是四輥方式，即大輥壓小輥。”杜義賢介紹，大輥是用來保持平面度，壓的均衡性;小輥保持壓力，能夠實現更嚴格的公差控制，也能將材料減薄到極小的厚度。特別是采用了定量的進料方式，能夠讓膜壓的厚度控制得更好。
對于輥壓熱復合雙軋一體機，利元亨現在采用的工藝是將電解質膜先涂在離型膜上，再把它轉印到負極上。這種方式采用的電解質壓制轉印能夠將質量分段控制，而不是將電解質正負極融合起來。不過，利元亨會將極片輥壓和電解質復合集成在一起，因為它有很好的相似性，適合硫化物、鹵化物、氧化物和聚合物電池的生產。
“我們做的突破性的工作就是，推出極片膠框印刷和疊片一體機。”據杜義賢介紹，為了解決負極的短路問題，利元亨提出了四種方案：印刷、UV打印、涂膠、點膠。UV打印不太適合大批量生產，涂膠和點膠精度控制不高。膠框印刷方式性能表現最好，產能也比較高。利元亨第二代極片膠框印刷，以及疊片機采用高通量的印刷技術，集成了膠框印刷和疊片為一體，減少了占地面積。
固態電池的高壓化成分容設備，和常規電池不同的是壓力變大，其一般拘束壓力要達到60-80t，也就是單個電芯壓強要達到10Mpa以上。所以核心的問題是壓力非常大，結構件安全性要求非常高;另外層板之間的壓力均勻性要好。針對固態電池生產的安全防護，利元亨共設計了130多項軟硬件上的保護功能。
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全面的固態電池解決方案
截至目前，利元亨已經建有完備的固態電池裝備實驗室，共有1300平米的潔凈車間，其中干燥室露點能夠達到-55℃，實驗室能夠提供電極干法涂布、極片膠框印刷、固態電池疊片、鋰金屬片激光切割、鋰銅覆合等方面的測試服務。
值得注意的是，硫化物是固態電池的重要技術方向，許多企業都在布局。杜義賢指出，目前硫化物固態電池有兩個主要的工藝問題，一方面就是大壓力，要在10Mpa壓力的狀態下才能很好地發揮作用;另一方面是防毒，這個責任重大，需要從化學體系和材料、電池、設備企業一起共同解決問題。
作為全球領先的新能源裝備龍頭企業，利元亨目前已經實現了固態電池量產工藝全線覆蓋，能提供半固態電池的批量生產設備，以及全固態電池的中試線設備。“我們給國內一個頭部企業(設計生產的)全固態電池中試線，已經開始交付，產能是每年100MW。”杜義賢透露說。
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