Qual é a diferença entre baterias de estado sólido e baterias de fluxo?
1. Diferenças de processo entre baterias de estado sólido e baterias líquidas tradicionais
As baterias de estado sólido utilizam eletrólitos sólidos para substituir o eletrólito e o separador das baterias líquidas tradicionais. As baterias de lítio líquido tradicionais são compostas por quatro elementos principais: eletrodo positivo, eletrodo negativo,
eletrólito da bateria
e
separador
. As baterias de estado sólido usam eletrólitos sólidos para substituir o eletrólito e
separador
em baterias líquidas tradicionais.
Como as baterias totalmente de estado sólido utilizam um novo sistema de materiais e estrutura de bateria, o processo e os equipamentos tradicionais de fabricação de baterias de lítio existentes não conseguem atingir sua produção e fabricação industrial, sendo necessárias inovações e melhorias correspondentes. Atualmente, as baterias totalmente de estado sólido ainda não foram produzidas em massa, portanto, o processo de produção não foi finalizado, e o processo de produção e fabricação de diferentes tipos de baterias de estado sólido será diferente, dependendo do projeto e da aplicação da bateria. No entanto, é certo que existem diferenças significativas entre o processo de produção de baterias totalmente de estado sólido e o processo tradicional de produção de baterias líquidas existente. Isso se reflete principalmente nos seguintes aspectos:
1.1 Link de produção de chapas de eletrodos frontais
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Baterias de lítio tradicionais: usando tecnologia de revestimento e pasta úmida, o material ativo, o agente condutor e o aglutinante são misturados na pasta e então revestidos no coletor de corrente, seguido de secagem e laminação.
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Bateria de estado sólido: introdução da tecnologia de eletrodo seco, eliminando o uso de solventes e preparando diretamente as folhas de eletrodo por meio de processos de revestimento e pasta seca. Além disso, a membrana eletrolítica precisa ser revestida e laminada para formar uma camada sólida de eletrólito.
1.2 Link de montagem da célula de bateria de estágio intermediário
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Bateria de lítio tradicional: Usando o processo de enrolamento ou laminação, as folhas de eletrodos positivos e negativos e os diafragmas são enrolados em células de bateria e, então, o eletrólito é injetado e embalado.
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Bateria de estado sólido: Utiliza-se o processo de laminação, combinado com a impressão da estrutura com cola da folha do eletrodo e a tecnologia de prensagem isostática para garantir o contato próximo entre o eletrólito sólido e o eletrodo. Como as baterias de estado sólido não requerem eletrólitos, o processo de injeção é omitido.
1.3 Formação pós-estágio e link de embalagem
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Bateria de lítio tradicional: Após a embalagem, a bateria é ativada pela formação de baixa pressão.
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Bateria de estado sólido: Devido aos altos requisitos de condutividade iônica dos eletrólitos sólidos, o processo de formação tende a ser de alta pressão para otimizar o desempenho da bateria.
Em geral, as principais diferenças entre o processo de produção principal de baterias totalmente de estado sólido e baterias de lítio líquido tradicionais são:
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No processo de produção de eletrólito sólido e folha de eletrodo front-end, todas as baterias de estado sólido são mais adequadas para a tecnologia de eletrodo seco, e mistura a seco e revestimento a seco são adicionados para realizar a preparação da membrana de eletrólito sólido;
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No processo de montagem de células de bateria de estágio intermediário, as baterias de estado sólido usam "empilhamento + impressão de estrutura de cola de folha de eletrodo + tecnologia de prensagem isostática" para substituir o processo de enrolamento tradicional e excluir o processo de injeção;
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No processo de formação e embalagem de back-end, a conversão da composição química para composição química de alta tensão.
2. Processo de bateria de estado sólido
2.1 A tecnologia de eletrodo seco é mais adequada para baterias de estado sólido
A maior vantagem da tecnologia de eletrodo seco é que ela pode aumentar a densidade de compactação dos eletrodos, aumentando assim a densidade de energia da bateria. A tecnologia de eletrodo seco é um novo tipo de processo de fabricação de eletrodos, e sua maior vantagem é que ela pode aumentar a densidade de compactação dos eletrodos. Atualmente, as baterias de lítio usam principalmente a tecnologia tradicional de fabricação de eletrodo úmido. No processo de fabricação de eletrodo úmido, solventes são necessários para misturar materiais ativos, agentes condutores e ligantes e, em seguida, revesti-los no coletor de corrente e, em seguida, secá-los, recuperar solventes NMP e rolá-los. A tecnologia de eletrodo seco mistura diretamente os materiais do eletrodo em pó seco e os pressiona mecanicamente no coletor de corrente para formar uma folha de eletrodo. Este método pode aumentar a densidade de compactação do eletrodo. Para baterias de estado sólido, uma densidade de compactação mais alta significa que mais materiais de eletrodo positivo e negativo podem ser acomodados no mesmo volume, aumentando assim a densidade de energia da bateria.
A tecnologia de eletrodo seco é mais adequada para baterias de alta densidade energética, como as de estado sólido. O conceito da tecnologia de eletrodo seco é semelhante ao das baterias de estado sólido. Em baterias totalmente de estado sólido, os eletrólitos de sulfeto são sensíveis a solventes orgânicos, e o lítio metálico reage facilmente com solventes, causando expansão. O sistema PVDF-NMP tradicional possui força de ligação limitada, enquanto a estrutura de rede bidimensional composta por fibrilação de PTFE (politetrafluoroetileno) no eletrodo seco pode inibir a expansão volumétrica das partículas do material ativo e evitar que elas se soltem da superfície do coletor de corrente.
Além disso, utilizando o processo de eletrodo seco, o processo de fabricação da folha de eletrodo de baterias de estado sólido pode ser completamente seco, eliminando o problema de moléculas de solvente residuais após a secagem no processo úmido. Portanto, a tecnologia de eletrodo seco é mais adequada para a produção de baterias de estado sólido.
A tecnologia de eletrodo seco simplifica o processo e melhora a eficiência, apresenta vantagens de custo e é propícia à promoção da comercialização de baterias de estado sólido. O processo de eletrodo seco pode simplificar o processo de produção, reduzir custos e melhorar a eficiência da produção. A fabricação de chapas de eletrodo seco não requer solvente NMP, e os elos de secagem e recuperação de solvente podem ser reduzidos no processo de produção da chapa de eletrodo. O processo de fabricação do eletrodo é integrado, e os processos de mistura, polpação, revestimento, secagem, laminação e outros necessários ao processo úmido são integrados. O fluxo do processo é mais simples e o equipamento ocupa uma área menor. De acordo com a previsão da Nanoconol, a produção em massa de eletrodos secos pode reduzir os custos das baterias em mais de 10%. Além disso, a tecnologia simplificada de eletrodo seco é adequada para a produção em larga escala de chapas de eletrodo de bateria. Portanto, a tecnologia de eletrodo seco é considerada uma das tecnologias importantes para promover a comercialização de baterias de estado sólido.
A principal dificuldade da tecnologia de eletrodos secos atualmente: De acordo com a Nanoconol, a principal dificuldade da tecnologia de eletrodos secos atualmente reside na uniformidade do pó do material do eletrodo misturado e na consistência da formação do filme. No campo dos equipamentos, o processo a seco exige requisitos mais elevados de precisão, uniformidade e densidade de compactação da laminação.
2.2 Link de montagem da célula de bateria da seção intermediária: adotar "empilhamento + impressão de moldura de cola de folha de eletrodo + tecnologia de prensagem isostática"
①
Máquina de empilhamento de eletrodos
: Baterias de estado sólido não são adequadas para equipamentos de enrolamento e precisam usar máquinas de empilhamento e requisitos de precisão mais altos.
Tanto baterias de estado sólido quanto baterias líquidas precisam usar máquinas de empilhamento, mas, como o eletrólito sólido das baterias de estado sólido possui características frágeis e requisitos mais elevados de precisão e estabilidade do equipamento, ele exige mais processos de empilhamento. Consequentemente, a demanda por máquinas de empilhamento necessárias para a fabricação de baterias de estado sólido também aumentará.
② Tecnologia de laminação de estrutura de cola de chapa de eletrodo de bateria de estado sólido: melhora o ajuste das chapas de eletrodo de bateria de estado sólido e evita problemas de curto-circuito interno.
O processo de produção de baterias de estado sólido existente ainda é imaturo e apresenta algumas deficiências. Quando o rolo de chapa de eletrodo é combinado com outras chapas de eletrodo após o processo de corte para preparar células de bateria de estado sólido, é difícil garantir que as chapas de eletrodo adjacentes tenham um bom encaixe, o que leva à diminuição da qualidade das células de bateria de estado sólido. De acordo com a tecnologia patenteada divulgada pela Liyuanheng, ela propõe um método, dispositivo e equipamento de laminação de estrutura de cola para chapas de eletrodo de bateria de estado sólido, que podem melhorar o encaixe entre chapas de eletrodo adjacentes em células de bateria de estado sólido e garantir a qualidade das células de bateria de estado sólido.
③ A prensa isostática é um dos principais equipamentos incrementais: a tecnologia de prensagem isostática é usada para melhorar o problema de contato da interface sólido-sólido das baterias de estado sólido.
A produção de baterias de estado sólido geralmente consiste em empilhar o eletrodo positivo, o eletrólito sólido e o eletrodo negativo. Considerando que o eletrólito sólido precisa formar um bom contato de interface sólido-sólido com o eletrodo, ocorrerá perda de contato durante o ciclo e a formação de dendritos de lítio deve ser suprimida, etc., novos equipamentos de prensagem são necessários durante o empilhamento, e uma pressão superior a 100 MPa é aplicada para empilhar os materiais densamente. As soluções tradicionais de prensagem a quente e prensagem por rolo fornecem pressão limitada e irregular, o que dificulta a garantia dos requisitos de consistência do empilhamento denso, afetando assim o desempenho das baterias de estado sólido.
A tecnologia de prensagem isostática baseia-se no princípio de Pascal. Materiais como metais, cerâmicas, materiais compósitos e polímeros podem ser densificados e os poros eliminados. Para baterias de estado sólido, a tecnologia de prensagem isostática pode eliminar eficazmente as lacunas dentro da célula da bateria, garantir que o material eletrólito atinja o grau ideal de densificação e melhorar o efeito de contato entre as interfaces dos componentes na célula da bateria, melhorando significativamente a condutividade iônica em mais de 30%, reduzindo a resistividade interna da bateria em mais de 20% e aumentando a vida útil do ciclo em 40%, melhorando significativamente o desempenho da bateria. O equipamento necessário para a prensagem isostática é uma prensa isostática.
Desafios atuais enfrentados pela tecnologia de prensagem isostática na fabricação de baterias de estado sólido: A tecnologia de prensagem isostática em si é uma tecnologia madura e amplamente utilizada em cerâmica, metalurgia do pó e outras áreas. No entanto, sua aplicação na área de baterias de estado sólido ainda está em fase de exploração e desenvolvimento, e a maturidade técnica é relativamente baixa. Atualmente, a promoção da tecnologia de prensagem isostática na área de baterias de estado sólido ainda enfrenta desafios, como a seleção da combinação adequada de temperatura e pressão de prensagem, o controle da superfície de compactação e a melhoria da eficiência e do rendimento da produção.
3. Formação pós-estágio e ligação de embalagem: Novo equipamento de formação de alta tensão
A pressão de formação de baterias de lítio convencionais é de 3 a 10 toneladas, enquanto a pressão de formação de baterias de estado sólido é aumentada para 60 a 80 toneladas. A principal razão pela qual as baterias de estado sólido requerem formação de alta tensão são suas características únicas de interface sólido-sólido e seu mecanismo de condução iônica, que são fundamentalmente diferentes do processo de formação das baterias líquidas tradicionais.
① Resolver o problema de contato entre a interface sólido-sólido: o eletrólito sólido e o eletrodo estão em contato rígido, com lacunas microscópicas e mau contato. Alta pressão (geralmente 60-100 MPa) deve ser aplicada para eliminar as lacunas na interface e aumentar a área de contato efetiva; promover a combinação física/química do eletrólito sólido e do eletrodo.
2 Ative o canal de condução iônica: o eletrólito sólido tem baixa condutividade iônica, e a formação de alta voltagem é necessária para forçar os íons de lítio a penetrar na barreira da interface sólido-sólido, formar uma rede de condução iônica na interface e reduzir a impedância da interface.
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