Qual è la differenza tra batterie allo stato solido e batterie a flusso?
1. Differenze di processo tra batterie allo stato solido e batterie liquide tradizionali
Le batterie allo stato solido utilizzano elettroliti solidi per sostituire l'elettrolita e il separatore delle tradizionali batterie liquide. Le tradizionali batterie al litio liquide sono composte da quattro elementi chiave: elettrodo positivo, elettrodo negativo,
elettrolita della batteria
E
separatore
Le batterie allo stato solido utilizzano elettroliti solidi per sostituire l'elettrolita e
separatore
nelle batterie liquide tradizionali.
Poiché le batterie allo stato solido utilizzano un nuovo sistema di materiali e una nuova struttura, il processo e le attrezzature di produzione tradizionali delle batterie al litio non sono in grado di raggiungere la produzione e la produzione industriale, e sono necessarie innovazioni e miglioramenti corrispondenti. Attualmente, le batterie allo stato solido non sono ancora state prodotte in serie, quindi il processo produttivo non è stato ancora finalizzato e il processo di produzione e fabbricazione dei diversi tipi di batterie allo stato solido sarà diverso, a seconda del design e dell'applicazione della batteria. Tuttavia, è certo che esistono differenze significative tra il processo di produzione delle batterie allo stato solido e il processo di produzione tradizionale delle batterie liquide. Ciò si riflette principalmente nei seguenti aspetti:
1.1 Collegamento alla produzione di fogli di elettrodi frontali
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Batterie al litio tradizionali: utilizzando la tecnologia del rivestimento e della sospensione umida, il materiale attivo, l'agente conduttivo e il legante vengono miscelati nella sospensione e poi rivestiti sul collettore di corrente, per poi essere essiccati e laminati.
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Batteria allo stato solido: introduzione della tecnologia degli elettrodi a secco, eliminazione dell'uso di solventi e preparazione diretta degli elettrodi a fogli tramite processi di slurry a secco e rivestimento. Inoltre, la membrana elettrolitica deve essere rivestita e laminata per formare uno strato elettrolitico solido.
1.2 Collegamento all'assemblaggio delle celle della batteria di fase intermedia
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Batteria al litio tradizionale: mediante un processo di avvolgimento o laminazione, gli elettrodi positivi e negativi e i diaframmi vengono avvolti nelle celle della batteria, dopodiché l'elettrolita viene iniettato e confezionato.
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Batteria allo stato solido: viene utilizzato il processo di laminazione, combinato con la stampa a telaio con colla a fogli di elettrodo e la tecnologia di pressatura isostatica per garantire uno stretto contatto tra l'elettrolita solido e l'elettrodo. Poiché tutte le batterie allo stato solido non richiedono elettroliti, il processo di iniezione viene eliminato.
1.3 Collegamento alla formazione e al confezionamento post-fase
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Batteria al litio tradizionale: dopo il confezionamento, la batteria viene attivata mediante formazione di bassa pressione.
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Batteria allo stato solido: a causa degli elevati requisiti di conduttività ionica degli elettroliti solidi, il processo di formazione tende ad essere ad alta pressione per ottimizzare le prestazioni della batteria.
In generale, le principali differenze tra il processo produttivo principale delle batterie allo stato solido e quello delle tradizionali batterie al litio liquido sono:
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Nel processo di produzione front-end di elettroliti solidi e fogli di elettrodi, tutte le batterie allo stato solido sono più adatte alla tecnologia degli elettrodi a secco, e vengono aggiunti miscelazione e rivestimento a secco per realizzare la preparazione della membrana elettrolitica solida;
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Nel processo di assemblaggio delle celle della batteria in fase intermedia, le batterie allo stato solido utilizzano la tecnologia "impilamento + stampaggio del telaio con colla a fogli di elettrodi + pressatura isostatica" per sostituire il tradizionale processo di avvolgimento ed eliminare il processo di iniezione;
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Nel processo di formazione e confezionamento back-end, la conversione dalla composizione chimica alla composizione chimica ad alta tensione.
2. Processo della batteria allo stato solido
2.1 La tecnologia degli elettrodi secchi è più adatta alle batterie allo stato solido
Il principale vantaggio della tecnologia degli elettrodi a secco è la possibilità di aumentarne la densità di compattazione, aumentando così la densità energetica della batteria. La tecnologia degli elettrodi a secco è un nuovo tipo di processo di produzione di elettrodi e il suo principale vantaggio è la possibilità di aumentarne la densità di compattazione. Attualmente, le batterie al litio utilizzano principalmente la tradizionale tecnologia di produzione degli elettrodi a umido. Nel processo di produzione degli elettrodi a umido, sono necessari solventi per miscelare materiali attivi, agenti conduttivi e leganti e quindi rivestirli sul collettore di corrente, per poi essiccarli, recuperare i solventi NMP e arrotolarli. La tecnologia degli elettrodi a secco miscela direttamente i materiali degli elettrodi in polvere secca e li pressa meccanicamente sul collettore di corrente per formare un foglio di elettrodi. Questo metodo può aumentare la densità di compattazione dell'elettrodo. Per le batterie allo stato solido, una maggiore densità di compattazione significa che è possibile alloggiare più materiali per elettrodi positivi e negativi nello stesso volume, aumentando così la densità energetica della batteria.
La tecnologia a elettrodi secchi è più adatta per batterie ad alta densità energetica, come quelle allo stato solido. Il concetto di questa tecnologia è simile a quello delle batterie allo stato solido. Nelle batterie allo stato solido, gli elettroliti a base di solfuro sono sensibili ai solventi organici e il litio metallico reagisce facilmente con i solventi, causando l'espansione. Il tradizionale sistema PVDF-NMP ha una forza di legame limitata, mentre la struttura reticolare bidimensionale composta da fibrillazione di PTFE (politetrafluoroetilene) nell'elettrodo secco può inibire l'espansione di volume delle particelle di materiale attivo e impedirne la caduta dalla superficie del collettore di corrente.
Inoltre, utilizzando il processo a elettrodo secco, il processo di produzione degli elettrodi a foglio per batterie allo stato solido può essere completamente essiccato, eliminando il problema delle molecole di solvente residue dopo l'essiccazione nel processo a umido. Pertanto, la tecnologia a elettrodo secco è più adatta alla produzione di batterie allo stato solido.
La tecnologia degli elettrodi a secco semplifica il processo e ne migliora l'efficienza, offre vantaggi in termini di costi e favorisce la commercializzazione delle batterie allo stato solido. Il processo degli elettrodi a secco può semplificare il processo produttivo, ridurre i costi e migliorare l'efficienza produttiva. La produzione di fogli di elettrodi a secco non richiede solvente NMP e i collegamenti di essiccazione e recupero del solvente possono essere ridotti nel processo di produzione dei fogli di elettrodi. Il processo di produzione degli elettrodi è integrato, così come la miscelazione, la spappolatura, il rivestimento, l'essiccazione, la laminazione e gli altri processi richiesti dal processo a umido. Il flusso di processo è più semplice e le apparecchiature occupano uno spazio più piccolo. Secondo le previsioni di Nanoconol, la produzione in serie di elettrodi a secco può ridurre i costi delle batterie di oltre il 10%. Inoltre, la tecnologia semplificata degli elettrodi a secco è adatta alla produzione su larga scala di fogli di elettrodi per batterie. Pertanto, la tecnologia degli elettrodi a secco è considerata una delle tecnologie più importanti per promuovere la commercializzazione delle batterie allo stato solido.
La principale difficoltà della tecnologia degli elettrodi a secco attualmente: secondo Nanoconol, la principale difficoltà della tecnologia degli elettrodi a secco attualmente risiede nell'uniformità della polvere di materiale elettrodico misto e nella coerenza della formazione del film. Nel campo delle attrezzature, il processo a secco presenta requisiti più elevati in termini di precisione, uniformità e densità di compattazione della laminazione.
2.2 Collegamento dell'assemblaggio delle celle della batteria nella sezione centrale: adotta la tecnologia "impilamento + stampaggio del telaio con colla per fogli di elettrodi + pressatura isostatica"
①
Macchina impilatrice per elettrodi
:Le batterie allo stato solido non sono adatte alle apparecchiature di avvolgimento e richiedono l'impiego di macchine impilatrici e requisiti di precisione più elevati.
Sia le batterie allo stato solido che quelle allo stato liquido richiedono l'utilizzo di macchine di impilamento, ma poiché l'elettrolita solido delle batterie allo stato solido presenta caratteristiche di fragilità e requisiti più elevati in termini di precisione e stabilità delle apparecchiature, richiede un maggior numero di processi di impilamento. Di conseguenza, aumenterà anche la domanda di macchine di impilamento necessarie per la produzione di batterie allo stato solido.
② Tecnologia di laminazione del telaio con colla per fogli di elettrodi per batterie allo stato solido: migliora l'adattamento dei fogli di elettrodi per batterie allo stato solido ed evita problemi di cortocircuito interno.
L'attuale processo di produzione di batterie allo stato solido è ancora immaturo e presenta alcune carenze. Quando il rotolo di fogli di elettrodi viene unito ad altri fogli di elettrodi dopo il processo di taglio per preparare le celle delle batterie allo stato solido, è difficile garantire che i fogli di elettrodi adiacenti abbiano un'elevata aderenza, il che porta a una diminuzione della qualità delle celle delle batterie allo stato solido. Secondo la tecnologia brevettata divulgata da Liyuanheng, si propone un metodo di laminazione a telaio con colla per fogli di elettrodi per batterie allo stato solido, un dispositivo e un'attrezzatura per l'impilamento, in grado di migliorare l'aderenza tra i fogli di elettrodi adiacenti nelle celle delle batterie allo stato solido e di garantirne la qualità.
3 La pressa isostatica è una delle principali apparecchiature incrementali: la tecnologia della pressatura isostatica viene utilizzata per migliorare il problema del contatto dell'interfaccia solido-solido delle batterie allo stato solido.
La produzione di batterie allo stato solido consiste generalmente nell'impilare insieme l'elettrodo positivo, l'elettrolita solido e l'elettrodo negativo. Considerando che l'elettrolita solido deve formare un buon contatto di interfaccia solido-solido con l'elettrodo, che si verificherà una perdita di contatto durante il ciclo e che è necessario sopprimere la formazione di dendriti di litio, ecc., durante l'impilamento sono necessarie nuove attrezzature di pressatura e viene applicata una pressione superiore a 100 MPa per impilare i materiali in modo denso. Le tradizionali soluzioni di pressatura a caldo e a rulli forniscono una pressione limitata e irregolare, il che rende difficile garantire i requisiti di uniformità dell'impilamento denso, compromettendo così le prestazioni delle batterie allo stato solido.
La tecnologia di pressatura isostatica si basa sul principio di Pascal. Materiali come metalli, ceramiche, materiali compositi e polimeri possono essere densificati ed eliminati. Per le batterie allo stato solido, la tecnologia di pressatura isostatica può eliminare efficacemente le fessure all'interno della cella, garantire che il materiale elettrolitico raggiunga il grado ideale di densificazione e migliorare l'effetto di contatto tra le interfacce dei componenti nella cella, migliorando così significativamente la conduttività ionica di oltre il 30%, riducendo la resistività interna della batteria di oltre il 20% e aumentandone la durata del 40%, con un conseguente notevole miglioramento delle prestazioni della batteria. L'attrezzatura necessaria per la pressatura isostatica è una pressa isostatica.
Sfide attualmente affrontate dalla tecnologia di pressatura isostatica nel campo della produzione di batterie allo stato solido: la tecnologia di pressatura isostatica è di per sé una tecnologia matura ed è stata ampiamente utilizzata in ceramica, metallurgia delle polveri e altri settori. Tuttavia, la sua applicazione nel campo delle batterie allo stato solido è ancora in fase di esplorazione e sviluppo e la maturità tecnica è relativamente bassa. Attualmente, la promozione della tecnologia di pressatura isostatica nel campo delle batterie allo stato solido deve ancora affrontare sfide come la selezione della combinazione appropriata di temperatura e pressione di pressatura, il controllo della superficie di compattazione e il miglioramento dell'efficienza e della resa produttiva.
3. Collegamento di formazione e confezionamento post-fase: Nuove apparecchiature di formazione ad alta tensione
La pressione richiesta per la formazione delle batterie al litio convenzionali è di 3-10 tonnellate, mentre quella richiesta per le batterie allo stato solido sale a 60-80 tonnellate. Il motivo principale per cui le batterie allo stato solido richiedono una formazione ad alta tensione è dovuto alle loro caratteristiche uniche di interfaccia solido-solido e al meccanismo di conduzione ionica, fondamentalmente diverso dal processo di formazione delle batterie a liquido tradizionali.
① Risolvere il problema del contatto interfacciale solido-solido: l'elettrolita solido e l'elettrodo sono in contatto rigido, con fessure microscopiche e un contatto scadente. È necessario esercitare una pressione elevata (solitamente 60-100 MPa) per eliminare le fessure di interfaccia e aumentare l'area di contatto effettiva; promuovere la combinazione fisico-chimica tra l'elettrolita solido e l'elettrodo.
② Attivare il canale di conduzione ionica: l'elettrolita solido ha una bassa conduttività ionica ed è necessaria la formazione di un'alta tensione per forzare gli ioni di litio a penetrare la barriera dell'interfaccia solido-solido, formare una rete di conduzione ionica all'interfaccia e ridurre l'impedenza dell'interfaccia.
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