鋰離子電池是電能存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)——從消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車到固定儲(chǔ)能系統(tǒng)——近年來(lái)取得了顯著發(fā)展。然而，這項(xiàng)技術(shù)正觸及物理極限。能量密度增長(zhǎng)緩慢，因液態(tài)電解質(zhì)的存在安全性仍受限，且對(duì)鎳、錳、鈷等關(guān)鍵原材料的依賴問(wèn)題尚未解決。

因此，固態(tài)電池被視為下一代電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。憑借鋰金屬負(fù)極，它們有望實(shí)現(xiàn)更高的能量密度。固態(tài)電解質(zhì)，有望實(shí)現(xiàn)更高的安全性和更寬的工作溫度窗口，以及在電池設(shè)計(jì)上的新自由度。

然而，它們尚未達(dá)到工業(yè)化成熟度。鋰金屬和含硫化物電解質(zhì)等材料需要新的工藝策略，且制造過(guò)程需要投資于專門的干燥房或惰性氣體環(huán)境。激光技術(shù)可以做出決定性貢獻(xiàn)，例如通過(guò)選擇性燒結(jié)固態(tài)電解質(zhì)、對(duì)界面進(jìn)行針對(duì)性結(jié)構(gòu)化處理以及無(wú)接觸切割延展性金屬。因此，它可能被證明是從實(shí)驗(yàn)室電芯走向工業(yè)化固態(tài)電池道路上的關(guān)鍵技術(shù)。

固態(tài)電池的潛力與應(yīng)用

目前，眾多制造商正在推進(jìn)固態(tài)電芯的開(kāi)發(fā)。豐田、比亞迪、三星SDI和蜂巢能源等亞洲公司已公布了從2027年開(kāi)始試生產(chǎn)的計(jì)劃時(shí)間表。梅賽德斯-奔馳、斯特蘭蒂斯等歐洲汽車制造商也正與合作伙伴測(cè)試首批半固態(tài)概念，而日產(chǎn)已在橫濱建設(shè)試點(diǎn)工廠。這些活動(dòng)表明，該技術(shù)正日益走出實(shí)驗(yàn)室，邁向產(chǎn)業(yè)化實(shí)施。

圖1：截至2030年，不同類型電池在質(zhì)量能量密度（瓦時(shí)/千克）和體積能量密度（瓦時(shí)/升）方面的發(fā)展趨勢(shì)：采用鋰金屬負(fù)極的固態(tài)電池可實(shí)現(xiàn)最高值，而NMC（鎳錳鈷酸鋰）、LMFP（磷酸錳鐵鋰）和LFP（磷酸鐵鋰）的能量密度則相對(duì)較低；鈉離子電池仍處于較低水平

“固態(tài)電池的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于其本征安全性，”弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所切割部門的物理學(xué)家Stoyan Stoyanov解釋道，“由于不使用液態(tài)電解質(zhì)，因此不存在泄漏或熱致火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。此外，許多固態(tài)電解質(zhì)的高機(jī)械穩(wěn)定性抑制了鋰枝晶的形成，而鋰枝晶是傳統(tǒng)電芯內(nèi)部短路的主要原因。”

除了安全性，更高的能量密度是主要的驅(qū)動(dòng)力。比容量高達(dá)3860毫安時(shí)每克的鋰金屬負(fù)極，性能遠(yuǎn)超石墨負(fù)極。結(jié)合薄層固態(tài)電解質(zhì)，這將在續(xù)航和重量方面帶來(lái)優(yōu)勢(shì)，是電動(dòng)汽車和航空領(lǐng)域的決定性因素。

圖2：電池結(jié)構(gòu)示意圖對(duì)比。上圖：傳統(tǒng)鋰離子電池，正負(fù)極材料之間有液態(tài)電解質(zhì)和隔膜；下圖：固態(tài)電池，采用固態(tài)電解質(zhì)和鋰金屬負(fù)極

首批應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)在對(duì)安全性和性能要求最高的地方：航空航天、賽車運(yùn)動(dòng)、醫(yī)療技術(shù)和高安全性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。在這些領(lǐng)域，更高的能量密度證明了復(fù)雜制造工藝的合理性。對(duì)于大眾市場(chǎng)，經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力目前仍然有限。生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施仍在建設(shè)中，成熟的鋰離子系統(tǒng)也在并行發(fā)展。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，固態(tài)電池將與傳統(tǒng)的鋰離子電芯并存，主要服務(wù)于汽車行業(yè)中要求極高的應(yīng)用，例如豪華車市場(chǎng)。

制造中的挑戰(zhàn)

固態(tài)電池的潛力固然巨大，但實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的障礙同樣巨大。處理鋰金屬負(fù)極尤其具有挑戰(zhàn)性：盡管該材料因極高的比容量而極具吸引力，但在加工過(guò)程中極其敏感。它與氧氣和水分反應(yīng)強(qiáng)烈，容易形成鈍化層，并在機(jī)械應(yīng)力下可能燃燒。傳統(tǒng)的切割或輥壓工藝在這里很快就會(huì)達(dá)到極限。

圖3：由超短脈沖激光在固態(tài)電解質(zhì)表面生成的微結(jié)構(gòu)REM圖像。該周期性結(jié)構(gòu)增加了有效接觸面積，改善了電流分布，并能降低電解質(zhì)與鋰金屬負(fù)極之間的界面阻抗

圖4：激光切割鋰金屬負(fù)極切邊的REM圖像。該激光工藝可形成均勻、基本無(wú)毛刺的切邊，熱影響區(qū)極小，且不會(huì)對(duì)活性金屬造成機(jī)械變形

在固態(tài)電解質(zhì)方面也出現(xiàn)了根本性困難。鑭鋯鈦酸鋰（LLZO）等氧化物陶瓷材料需要在約1200℃下燒結(jié)。這通常會(huì)導(dǎo)致鋰損失和次級(jí)相的形成，從而降低離子電導(dǎo)率。這種損失不僅是技術(shù)問(wèn)題，也是經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兪拱嘿F的原材料無(wú)法使用。盡管所謂的“犧牲粉末”可以部分補(bǔ)償這些影響，但過(guò)程仍然復(fù)雜，即使是最小的波動(dòng)也產(chǎn)生影響。

“另一個(gè)瓶頸是電解質(zhì)與負(fù)極之間的界面。高界面電阻會(huì)降低性能，并增加鋰沉積和剝離過(guò)程中不均勻的風(fēng)險(xiǎn)。掌握這種界面化學(xué)是制造穩(wěn)定、長(zhǎng)壽命電芯的基礎(chǔ)。”弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所高溫功能化小組的Florian Ribbeck解釋道。

除了這些材料特定方面，生產(chǎn)條件本身也構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。固態(tài)電池整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程都需要惰性氣體或干燥房氣氛，這需要對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行高額投資。初步分析表明，在工業(yè)化起步階段，廢品率可能高達(dá)30%，每天造成的損失可達(dá)數(shù)百萬(wàn)。

即使在成熟的鋰離子生產(chǎn)線中，高廢品率也是一個(gè)嚴(yán)峻問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題在固態(tài)電芯中更為嚴(yán)重，因?yàn)槟壳皩?duì)于這些尚未標(biāo)準(zhǔn)化的材料，還沒(méi)有閉環(huán)回收路徑。因此，每一個(gè)有缺陷的原型不僅意味著經(jīng)濟(jì)損失，也意味著寶貴原材料的損失。“基于激光的工藝有助于從一開(kāi)始就提高工藝穩(wěn)定性并避免產(chǎn)生廢品。”Ribbeck表示。

固態(tài)電解質(zhì)的激光燒結(jié)

弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所的一個(gè)研究方向涉及LLZO等氧化物陶瓷固態(tài)電解質(zhì)的加工。這種材料被認(rèn)為特別有前景，因?yàn)樗鼘?duì)鋰金屬負(fù)極表現(xiàn)出高電化學(xué)穩(wěn)定性，并且比含硫化物電解質(zhì)對(duì)環(huán)境的反應(yīng)性更低。
“在弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所，我們正在研究如何利用激光輻射作為局部受限且高度動(dòng)態(tài)的能源，有針對(duì)性地致密化LLZO層，”Ribbeck解釋道，“其優(yōu)勢(shì)在于快速加熱與受控冷卻相結(jié)合。這減少了鋰損失，并避免了電池組裝過(guò)程中的溫度不相容性。”

初步實(shí)驗(yàn)顯示了均勻的致密化，盡管開(kāi)裂和分層仍然是關(guān)鍵的研究課題。除了LLZO、NASICON型電解質(zhì)如磷酸鈦鋁鋰（LATP）也在研究之中，它們具有相似的工藝要求但不同的穩(wěn)定性窗口。

用于改善界面的激光結(jié)構(gòu)化

除了電解質(zhì)層的致密化，與鋰金屬負(fù)極的界面質(zhì)量對(duì)于固態(tài)電芯的性能至關(guān)重要。“這里經(jīng)常出現(xiàn)高界面電阻，限制了電化學(xué)行為，”弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所表面結(jié)構(gòu)化小組的Tim Rörig解釋道，“此外，陶瓷表面的低潤(rùn)濕性使得均勻的鋰沉積變得困難。”

因此，Rörig和Ribbeck正在研究如何通過(guò)有針對(duì)性的激光結(jié)構(gòu)化來(lái)優(yōu)化界面。他們利用飛秒范圍內(nèi)的超短激光脈沖，在固態(tài)電解質(zhì)表面引入微結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)增加了有效接觸面積，并促進(jìn)了更均勻的電流分布，從而可能降低界面阻抗。“我們已經(jīng)證明可以生成約30微米范圍內(nèi)可重現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。”Rörig解釋道。

然而，迄今為止獲得的結(jié)果也凸顯了相互作用的復(fù)雜性。雖然結(jié)構(gòu)化的表面在個(gè)別情況下顯示出改善的潤(rùn)濕性，但電池的整體電阻有時(shí)卻增加了。研究人員推測(cè)，晶體結(jié)構(gòu)的變化和工藝相關(guān)的缺陷都在其中發(fā)揮了作用。

目前研究人員正在利用拉曼光譜和其他分析方法，表征激光處理后晶格中的結(jié)構(gòu)變化。同時(shí)，他們正在研究針對(duì)性的鋰沉積以更好地控制接觸，以及“無(wú)負(fù)極電池”概念，即鋰僅在首次充電過(guò)程中沉積。

鋰金屬電極的激光切割

弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所的另一個(gè)重點(diǎn)是切割用作負(fù)極材料的鋰金屬箔。“鋰金屬被認(rèn)為是下一代高能電芯的關(guān)鍵組成部分，但它對(duì)制造技術(shù)提出了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，”Stoyan Stoyanov說(shuō)，“這種材料柔軟、粘性高、且極易反應(yīng)。傳統(tǒng)的機(jī)械工藝如旋轉(zhuǎn)刀或沖壓，很快會(huì)導(dǎo)致材料涂抹、工具粘連和切割邊緣不均勻。”

此外，機(jī)械方式只能實(shí)現(xiàn)線性切割幾何形狀，這嚴(yán)重限制了電池布局的靈活性。激光技術(shù)開(kāi)辟了新的可能性。作為一種非接觸、無(wú)磨損的工藝，它可以實(shí)現(xiàn)精確切割和靈活的輪廓。然而，機(jī)械和激光工藝都要求在密封的惰性氣體或干燥房氣氛中獨(dú)家進(jìn)行。這對(duì)于安全處理鋰至關(guān)重要，但也帶來(lái)了自身的工藝工程挑戰(zhàn)。

“氬氣特別適合，因?yàn)樗芊乐寡趸瑥亩纬删鶆虻倪吘墸珒r(jià)格昂貴，”Stoyanov解釋道，“氮?dú)獗阋说枚啵珪?huì)導(dǎo)致氮化鋰的形成。而含水的氣氛則會(huì)促進(jìn)氧化物和氫氧化物的形成。”此類反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)增加工藝的能耗，并可能損害電極的電化學(xué)性能。

對(duì)更具成本效益的工藝氣氛和更好地控制鋰表面反應(yīng)的研究正在進(jìn)行中。這些方法仍處于早期階段。在實(shí)驗(yàn)室演示器中，研究人員使用露點(diǎn)低于零下70攝氏度的純氬氣，盡管其他氣氛在技術(shù)上是可行的。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是避免激光加工過(guò)程中可能產(chǎn)生的顆粒和飛濺物。它們會(huì)損害表面質(zhì)量，并在后續(xù)的電芯復(fù)合體中導(dǎo)致缺陷。因此，Stoyanov和他的團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)工藝策略，以有針對(duì)性地控制燒蝕并有效清除排放物。

超短脈沖激光器（脈沖寬度在皮秒范圍內(nèi)）是獲得高質(zhì)量切割邊緣的一種選擇，這種邊緣沒(méi)有關(guān)鍵的毛刺形成，且熱影響區(qū)極小。該團(tuán)隊(duì)還在研究技術(shù)上更易集成且經(jīng)濟(jì)上有吸引力的方案，例如使用納秒激光器，該激光器能以較低的投資成本實(shí)現(xiàn)可接受的切割質(zhì)量。同時(shí)，研究人員正在研究將激光工藝集成到可規(guī)模化生產(chǎn)環(huán)境中的概念，例如借助可進(jìn)行針對(duì)性惰性氣體吹掃的緊湊型微型環(huán)境。

通往產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的橋梁

將固態(tài)電池從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到工業(yè)化生產(chǎn)，不僅需要新材料，更需要穩(wěn)健的工藝。鋰離子電池的生產(chǎn)提供了一個(gè)有價(jià)值的參考點(diǎn)。從電極生產(chǎn)、電芯組裝到化成，許多工藝步驟在原理上是可比的，盡管固態(tài)電芯的要求要高得多。

激光技術(shù)在鋰離子生產(chǎn)中已相當(dāng)成熟。它們被用于激光分切（即電極箔的精確縱向切割）、激光干燥（以快速、節(jié)能地去除溶劑）以及集流體的激光極耳成型。其中大部分經(jīng)驗(yàn)可以轉(zhuǎn)移到固態(tài)電芯上。然而，對(duì)精度、純度和材料穩(wěn)定性的要求顯著提高：即使是最微小的顆粒、缺陷或化學(xué)變化也可能損害電芯的功能。

“這就是為什么激光工藝變得越來(lái)越重要，”Stoyanov認(rèn)為，“它們的非接觸、選擇性能量輸入實(shí)現(xiàn)了高精度加工，并且可以集成到干燥房或微型環(huán)境等受保護(hù)環(huán)境中。這使得激光成為一種工具，既能滿足材料要求，又能兼顧嚴(yán)格的環(huán)境條件。”

通過(guò)這種方式，在實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)發(fā)的工藝鏈可以轉(zhuǎn)移到工業(yè)化邏輯中。在當(dāng)今仍以高廢品率和長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間為主導(dǎo)的領(lǐng)域，基于激光的工藝可以做出決定性貢獻(xiàn)，確保固態(tài)電池的可擴(kuò)展性和成本效益。

弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所的定位

弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所將其能力整合到固態(tài)電池的整個(gè)價(jià)值鏈中。重點(diǎn)是激光輔助制造步驟，這些步驟對(duì)材料開(kāi)發(fā)和后續(xù)產(chǎn)業(yè)化都至關(guān)重要。其中包括固態(tài)電解質(zhì)的激光燒結(jié)、優(yōu)化界面的激光結(jié)構(gòu)化、鋰金屬箔的激光切割，以及電芯復(fù)合體中的接觸與集成工藝。

當(dāng)一個(gè)小組研究新型電解質(zhì)和負(fù)極材料的性質(zhì)與極限時(shí)，另一個(gè)團(tuán)隊(duì)則開(kāi)發(fā)以穩(wěn)健且可擴(kuò)展的方式處理這些材料的工藝。這種雙重視角使研究人員能夠在早期階段就在實(shí)驗(yàn)室演示與產(chǎn)業(yè)化實(shí)施之間架起橋梁。

盡管如此，固態(tài)電池不會(huì)很快取代成熟的鋰離子電芯，盡管它們?yōu)閷?duì)安全性和能量密度有最高要求的應(yīng)用開(kāi)辟了新的前景。“航空航天、醫(yī)療技術(shù)、高性能車輛，或數(shù)據(jù)中心和醫(yī)院的不間斷電源，都是固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)勢(shì)證明其額外成本的例子。”Stoyanov說(shuō)。從中長(zhǎng)期來(lái)看，不斷下降的生產(chǎn)成本也可能為進(jìn)入更廣闊的市場(chǎng)鋪平道路。

來(lái)源：榮格-《國(guó)際工業(yè)激光商情》

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