Was ist der Unterschied zwischen Festkörperbatterien und Flussbatterien?
1. Verfahrensunterschiede zwischen Festkörperbatterien und herkömmlichen Flüssigbatterien
Festkörperbatterien verwenden feste Elektrolyte, um den Elektrolyten und den Separator herkömmlicher Flüssigbatterien zu ersetzen. Herkömmliche Flüssiglithiumbatterien bestehen aus vier Hauptelementen: positiver Elektrode, negativer Elektrode,
Batterieelektrolyt
Und
Separator
. Festkörperbatterien verwenden feste Elektrolyte, um den Elektrolyten zu ersetzen und
Separator
in herkömmlichen Flüssigbatterien.
Da Festkörperbatterien ein neues Materialsystem und eine neue Batteriestruktur verwenden, ist die industrielle Produktion mit herkömmlichen Lithiumbatterie-Herstellungsverfahren und -anlagen nicht möglich. Entsprechende Innovationen und Verbesserungen sind erforderlich. Festkörperbatterien werden derzeit noch nicht in Massenproduktion hergestellt, sodass der Produktionsprozess noch nicht abgeschlossen ist. Je nach Design und Anwendung unterscheiden sich die Herstellungs- und Herstellungsverfahren verschiedener Festkörperbatterietypen. Es besteht jedoch ein deutlicher Unterschied zwischen der Herstellung von Festkörperbatterien und der herkömmlichen Herstellung von Flüssigbatterien. Dies spiegelt sich vor allem in folgenden Aspekten wider:
1.1 Link zur Produktion von Front-End-Elektrodenblättern
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Herkömmliche Lithiumbatterien: Mithilfe der Nassschlamm- und Beschichtungstechnologie werden das aktive Material, das leitfähige Mittel und das Bindemittel zu einem Schlamm vermischt und dann auf den Stromkollektor aufgetragen, gefolgt von Trocknen und Walzen.
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Festkörperbatterie: Einführung der Trockenelektrodentechnologie, die den Einsatz von Lösungsmitteln überflüssig macht und Elektrodenplatten direkt durch Trockenschlamm- und Beschichtungsverfahren herstellt. Zusätzlich muss die Elektrolytmembran beschichtet und gewalzt werden, um eine feste Elektrolytschicht zu bilden.
1.2 Link zur Batteriezellenmontage im mittleren Stadium
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Herkömmliche Lithiumbatterie: Durch Wickel- oder Laminierungsverfahren werden die positiven und negativen Elektrodenblätter und Membranen zu Batteriezellen gewickelt und anschließend der Elektrolyt eingespritzt und verpackt.
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Festkörperbatterie: Das Laminierungsverfahren wird in Kombination mit dem Kleberahmendruck von Elektrodenfolien und der isostatischen Presstechnik eingesetzt, um einen engen Kontakt zwischen dem Festelektrolyten und der Elektrode zu gewährleisten. Da Festkörperbatterien keinen Elektrolyten benötigen, entfällt der Injektionsprozess.
1.3 Post-Stage-Formation und Verpackungslink
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Herkömmliche Lithiumbatterie: Nach der Verpackung wird die Batterie durch Unterdruckformierung aktiviert.
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Feststoffbatterie: Aufgrund der hohen Anforderungen an die Ionenleitfähigkeit fester Elektrolyte erfolgt der Formierungsprozess in der Regel unter hohem Druck, um die Leistung der Batterie zu optimieren.
Im Allgemeinen sind die Hauptunterschiede zwischen dem Kernproduktionsprozess von Festkörperbatterien und herkömmlichen Flüssiglithiumbatterien:
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Im Front-End-Produktionsprozess von Festelektrolyten und Elektrodenblättern eignen sich Festkörperbatterien besser für die Trockenelektrodentechnologie, und zur Herstellung der Festelektrolytmembran werden Trockenmischen und Trockenbeschichten hinzugefügt.
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Im mittleren Stadium des Batteriezellenmontageprozesses verwenden Festkörperbatterien die „Stapel- + Elektrodenblatt-Kleberahmendruck- + isostatische Presstechnologie“, um den herkömmlichen Wickelprozess zu ersetzen und den Injektionsprozess zu eliminieren;
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Im Back-End-Formations- und Verpackungsprozess erfolgt die Umwandlung von der chemischen Zusammensetzung in eine Hochspannungs-chemische Zusammensetzung.
2. Festkörperbatterieprozess
2.1 Die Trockenelektrodentechnologie eignet sich besser für Festkörperbatterien
Der größte Vorteil der Trockenelektrodentechnologie besteht darin, dass sie die Verdichtungsdichte der Elektroden und damit die Energiedichte der Batterie erhöhen kann. Die Trockenelektrodentechnologie ist ein neuartiges Verfahren zur Elektrodenherstellung, und ihr größter Vorteil besteht darin, dass sie die Verdichtungsdichte der Elektroden erhöhen kann. Derzeit wird für Lithiumbatterien hauptsächlich die traditionelle Nasselektrodenherstellungstechnologie verwendet. Bei der Nasselektrodenherstellung werden Lösungsmittel benötigt, um aktive Materialien, leitfähige Mittel und Bindemittel zu mischen und anschließend den Stromkollektor damit zu beschichten. Anschließend werden sie getrocknet, mit NMP-Lösungsmitteln rückgewonnen und gewalzt. Bei der Trockenelektrodentechnologie werden die Elektrodenmaterialien direkt zu trockenem Pulver vermischt und mechanisch auf den Stromkollektor gepresst, um eine Elektrodenfolie zu bilden. Dieses Verfahren kann die Verdichtungsdichte der Elektrode erhöhen. Bei Feststoffbatterien bedeutet eine höhere Verdichtungsdichte, dass mehr positive und negative Elektrodenmaterialien im gleichen Volumen untergebracht werden können, wodurch die Energiedichte der Batterie steigt.
Die Trockenelektrodentechnologie eignet sich besser für Batterien mit hoher Energiedichte, wie beispielsweise Festkörperbatterien. Das Konzept der Trockenelektrodentechnologie ähnelt dem von Festkörperbatterien. In Festkörperbatterien reagieren Sulfidelektrolyte empfindlich auf organische Lösungsmittel, und metallisches Lithium reagiert leicht mit Lösungsmitteln und führt zu einer Ausdehnung. Das herkömmliche PVDF-NMP-System weist eine begrenzte Bindungsstärke auf, während die zweidimensionale Netzwerkstruktur aus PTFE-Fibrillen (Polytetrafluorethylen) in der Trockenelektrode die Volumenausdehnung von Aktivmaterialpartikeln hemmen und deren Abfallen von der Stromabnehmeroberfläche verhindern kann.
Darüber hinaus ermöglicht das Trockenelektrodenverfahren die vollständige Trocknung der Elektrodenblätter von Festkörperbatterien. Dadurch wird das Problem der Restlösungsmittelmoleküle nach der Trocknung im Nassverfahren eliminiert. Daher eignet sich die Trockenelektrodentechnologie besser für die Herstellung von Festkörperbatterien.
Die Trockenelektrodentechnologie vereinfacht den Prozess, verbessert die Effizienz, bietet Kostenvorteile und fördert die Kommerzialisierung von Festkörperbatterien. Das Trockenelektrodenverfahren vereinfacht den Produktionsprozess, senkt die Kosten und steigert die Produktionseffizienz. Die Herstellung trockener Elektrodenfolien benötigt kein NMP-Lösungsmittel, und Trocknung und Lösungsmittelrückgewinnung können im Herstellungsprozess der Elektrodenfolie reduziert werden. Der Elektrodenherstellungsprozess ist integriert, und Mischen, Aufschließen, Beschichten, Trocknen, Walzen und weitere Prozesse des Nassverfahrens sind integriert. Der Prozessablauf ist einfacher, und die Anlage benötigt weniger Stellfläche. Laut Nanoconol-Prognose kann die Massenproduktion trockener Elektroden die Batteriekosten um mehr als 10 % senken. Darüber hinaus eignet sich die vereinfachte Trockenelektrodentechnologie für die Massenproduktion von Batterieelektrodenfolien. Daher gilt die Trockenelektrodentechnologie als eine der wichtigsten Technologien zur Förderung der Kommerzialisierung von Festkörperbatterien.
Die Hauptschwierigkeiten der Trockenelektrodentechnologie liegen laut Nanoconol derzeit in der Gleichmäßigkeit des gemischten Elektrodenmaterialpulvers und der Konsistenz der Filmbildung. Im Anlagenbereich stellt das Trockenverfahren höhere Anforderungen an Genauigkeit, Gleichmäßigkeit und Verdichtungsdichte beim Walzen.
2.2 Verbindung zur Montage der Batteriezelle im Mittelteil: Anwendung der „Stapeltechnologie + Elektrodenfolien-Kleberahmendruck + isostatische Presstechnologie“
①
Elektrodenstapelmaschine
: Festkörperbatterien sind nicht für Wickelgeräte geeignet und erfordern den Einsatz von Stapelmaschinen sowie höhere Präzisionsanforderungen.
Sowohl für Festkörperbatterien als auch für Flüssigbatterien werden Stapelmaschinen benötigt. Da der Festelektrolyt von Festkörperbatterien jedoch spröde ist und höhere Anforderungen an die Präzision und Stabilität der Geräte stellt, sind mehr Stapelprozesse erforderlich. Daher wird auch die Nachfrage nach Stapelmaschinen für die Herstellung von Festkörperbatterien steigen.
② Kleberahmen-Laminierungstechnologie für Elektrodenblätter von Festkörperbatterien: Verbessert die Passform der Elektrodenblätter von Festkörperbatterien und vermeidet interne Kurzschlussprobleme.
Der bestehende Produktionsprozess für Festkörperbatterien ist noch nicht ausgereift und weist einige Mängel auf. Wenn die Elektrodenfolienrolle nach dem Schneideprozess mit anderen Elektrodenfolien zur Herstellung von Festkörperbatteriezellen verbunden wird, ist es schwierig, eine gute Passung benachbarter Elektrodenfolien zu gewährleisten, was zu einer Qualitätsminderung der Festkörperbatteriezellen führt. Die von Liyuanheng veröffentlichte Patenttechnologie bietet ein Verfahren, eine Vorrichtung und eine Stapelanlage zum Laminieren von Elektrodenfolien-Kleberahmen für Festkörperbatterien, die die Passung benachbarter Elektrodenfolien in Festkörperbatteriezellen verbessern und so die Qualität der Festkörperbatteriezellen sicherstellen können.
3. Die isostatische Presse ist eine der wichtigsten inkrementellen Ausrüstungen: Die isostatische Presstechnologie wird verwendet, um das Festkörper-Grenzflächenkontaktproblem von Festkörperbatterien zu verbessern.
Bei der Herstellung von Festkörperbatterien werden üblicherweise die positive Elektrode, der Festelektrolyt und die negative Elektrode gestapelt. Da der Festelektrolyt einen guten Festkörper-Grenzflächenkontakt mit der Elektrode bilden muss, während des Zyklus Kontaktverlust auftritt und die Bildung von Lithiumdendriten unterdrückt werden muss, sind beim Stapeln neue Pressen erforderlich. Für die dichte Stapelung der Materialien wird ein Druck von über 100 MPa angewendet. Herkömmliche Heißpress- und Walzenpressverfahren bieten einen begrenzten und ungleichmäßigen Druck, wodurch die Konsistenzanforderungen für die dichte Stapelung erschwert und die Leistung der Festkörperbatterien beeinträchtigt werden.
Die isostatische Presstechnologie basiert auf dem Pascal-Prinzip. Materialien wie Metalle, Keramik, Verbundwerkstoffe und Polymere können verdichtet und Poren eliminiert werden. Bei Festkörperbatterien kann die isostatische Presstechnologie die Lücken innerhalb der Batteriezelle effektiv schließen, die optimale Verdichtung des Elektrolytmaterials sicherstellen und den Kontakteffekt zwischen den Schnittstellen der Komponenten in der Batteriezelle verbessern. Dadurch wird die Ionenleitfähigkeit um mehr als 30 % deutlich verbessert, der Innenwiderstand der Batterie um mehr als 20 % gesenkt und die Zyklenlebensdauer um 40 % erhöht, was die Batterieleistung deutlich verbessert. Die für das isostatische Pressen benötigte Ausrüstung ist eine isostatische Presse.
Aktuelle Herausforderungen der isostatischen Presstechnologie bei der Herstellung von Festkörperbatterien: Die isostatische Presstechnologie selbst ist eine ausgereifte Technologie und wird in der Keramik, Pulvermetallurgie und anderen Bereichen häufig eingesetzt. Ihre Anwendung im Bereich der Festkörperbatterien befindet sich jedoch noch in der Explorations- und Entwicklungsphase, und die technische Reife ist relativ gering. Derzeit steht die Weiterentwicklung der isostatischen Presstechnologie im Bereich der Festkörperbatterien noch vor Herausforderungen, wie beispielsweise der Wahl der geeigneten Kombination aus Presstemperatur und -druck, der Steuerung der Verdichtungsfläche sowie der Verbesserung von Produktionseffizienz und -ausbeute.
3. Nachstufen-Formations- und Verpackungsverbindung: Neue Hochspannungs-Formationsausrüstung
Der Formierungsdruck für herkömmliche Lithiumbatterien beträgt 3–10 Tonnen, während der Formierungsdruck für Festkörperbatterien auf 60–80 Tonnen erhöht ist. Der Hauptgrund, warum Festkörperbatterien eine Hochspannungsformierung benötigen, sind ihre einzigartigen Festkörper-Grenzflächeneigenschaften und ihr Ionenleitungsmechanismus, die sich grundlegend vom Formierungsprozess herkömmlicher Flüssigbatterien unterscheiden.
① Lösen Sie das Problem des Festkörper-Grenzflächenkontakts: Der Festelektrolyt und die Elektrode stehen in starrem Kontakt mit mikroskopischen Lücken und schlechtem Kontakt. Hoher Druck (normalerweise 60–100 MPa) muss ausgeübt werden, um die Grenzflächenlücken zu beseitigen und die effektive Kontaktfläche zu vergrößern. Fördern Sie die physikalische/chemische Verbindung des Festelektrolyten und der Elektrode.
2. Aktivieren Sie den Ionenleitungskanal: Der Festelektrolyt weist eine geringe Ionenleitfähigkeit auf und es ist eine Hochspannungsbildung erforderlich, um Lithiumionen zum Durchdringen der Festkörper-Grenzflächenbarriere zu zwingen, an der Schnittstelle ein Ionenleitungsnetzwerk zu bilden und die Schnittstellenimpedanz zu verringern.
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