全固態(tài)鋰電池具有能量密度高、安全性好、工作溫度范圍廣和循環(huán)壽命長等優(yōu)良性能，已經(jīng)成為國內(nèi)外企業(yè)和科研院所的研發(fā)熱點。近些年，關(guān)于全固態(tài)鋰電池的集流體、電極、界面、隔膜和電解質(zhì)的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，性能各異的樣品也紛紛從實驗室中問世，而涉及全固態(tài)鋰電池的生產(chǎn)工藝和規(guī)模制備技術(shù)卻很少提及，本文將對全固態(tài)鋰電池制備工藝現(xiàn)狀做探討和總結(jié)。

       電芯封裝技術(shù)趨同，極片和電解質(zhì)片制備工藝各異

       從全固態(tài)鋰電池的尺寸和外形上可以分成薄膜型和大容量型兩大類。其實，各類型全固態(tài)鋰電池的電芯封裝技術(shù)基本上趨于一致，極片和電解質(zhì)膜片的制備技術(shù)差異非常大。全固態(tài)鋰電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計、電池容量、應(yīng)用場景與可能的規(guī)模制備方式見表1。

表1 全固態(tài)鋰電池的容量、應(yīng)用與可能的規(guī)模制備方式

（來源：中科院寧波材料所 許曉熊團隊）   

       在平面襯底上按照正極、電解質(zhì)、負(fù)極的順序依次制備成薄膜，最后封裝而成就是薄膜型全固態(tài)鋰電池。在制備過程中，電池各薄膜層需要采用相應(yīng)不同的生產(chǎn)工藝。一般情況下，金屬鋰作為負(fù)極材料時，通常采用真空熱氣相沉積技術(shù)制備，具體可包括：正極、電解質(zhì)、氧化物的負(fù)極，可以采用如射頻濺射(RFS)、射頻磁控濺射(RFMS)等的各種濺射技術(shù)，目前也有研究用3D打印技術(shù)來制備薄膜。（來源：中科院寧波材料所 許曉熊團隊）

        大容量全固態(tài)鋰電池薄膜層采用卷繞或疊片工藝制備

       大容量全固態(tài)鋰電池的市場應(yīng)用前景廣闊，因此對生產(chǎn)工藝的要求為：速度快，成本低。聚合物固態(tài)電解質(zhì)膜的柔韌性較好，可以借鑒液態(tài)電解質(zhì)鋰電池中廣泛使用的高速擠壓涂布或噴涂技術(shù)，采用卷繞工藝。但是無機固態(tài)電解質(zhì)膜較脆容易斷裂，所以更多采用疊片工藝制備。至于是多層一次涂布制備電解質(zhì)和正極的復(fù)合層，還是分別制備電解質(zhì)和正負(fù)極膜片后再重疊復(fù)合？目前，規(guī)模化生產(chǎn)的最佳技術(shù)路線仍然不明確。

        可能80%的生產(chǎn)設(shè)備可延用傳統(tǒng)鋰電池的但生產(chǎn)環(huán)境要求更嚴(yán)苛

       全固態(tài)鋰電池的生產(chǎn)設(shè)備從客觀上看：不存在革命性的創(chuàng)新。雖然與傳統(tǒng)鋰離子電池電芯生產(chǎn)設(shè)備也有一定的差異，可能80%的生產(chǎn)設(shè)備可以延用傳統(tǒng)鋰電池的生產(chǎn)設(shè)備。但是生產(chǎn)的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)更高，比如說溫濕度的范圍。這對于具備預(yù)鋰化、鎳鈷鋁、鈦酸鋰、超級電容器、鋰離子電容器等空氣敏感儲能器件的生產(chǎn)企業(yè)來說，制造設(shè)備可以兼容，但環(huán)境成本明顯提高。

        日本曾用涂布卷對卷生產(chǎn)線疊片電池單元制備聚合物全固態(tài)電池

       目前，全固態(tài)聚合物鋰電池通常采用印刷、涂布和卷對卷技術(shù)，日本電力中央研究所的涂布卷對卷生產(chǎn)線見圖1。首先，分別將聚合物電解質(zhì)涂布在正負(fù)極極片上，固化過程采用紫外線照射，然后，再將正負(fù)極極片緊密擠壓在一起，經(jīng)過裁剪疊片流程最終制得電池單元。據(jù)報道，日本電力中央研究所已采用圖1生產(chǎn)線制備了二層電池單元，其輸出電壓為12V，正極采用電位超過4V的LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂，負(fù)極為石墨，日本大創(chuàng)株式會社(Dalso)提供聚醚材料作為固態(tài)電解質(zhì)。同時，為防止電解質(zhì)與正極材料的接觸面上形成氧化物，正極表面會涂覆特殊的無機物，達(dá)到降低電池電阻的作用。

圖1 全固態(tài)電池卷對卷生產(chǎn)線

       常溫狀態(tài)下，來自該生產(chǎn)線的固態(tài)電池電解質(zhì)電導(dǎo)率只有10^-5s/cm，所以必須加入溫控系統(tǒng)，使其保持在60℃的環(huán)境下才能正常工作。

        LiPON全固態(tài)電池?zé)o法大規(guī)模生產(chǎn)

       國外Front Edge Technology，Infinite Power Solutions，Cymbet Enerchlps，Excellatron公司已經(jīng)可以生產(chǎn)技術(shù)比較成熟的磷酸鋰電解質(zhì)固態(tài)電池產(chǎn)品，作為微電子與微機械系統(tǒng)、智能卡、傳感器等方面的微電源，在軍事和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)尤為突出。但是，現(xiàn)階段工藝技術(shù)限制無法大規(guī)模生產(chǎn)，所以，LiPON全固態(tài)電池價格昂貴，每1mAh電池成本達(dá)到25美元。

        硫化物全固態(tài)電池制造技術(shù)披露信息較少

       雖然硫化物全固態(tài)電池相比聚合物全固態(tài)電池性能更好，但硫化物電解質(zhì)和電極之間的相容性比較差，對電池制備技術(shù)提出了更高的要求。日本在硫化物電解質(zhì)電池方面的研究較深入。但是，目前關(guān)于產(chǎn)品的制造技術(shù)披露得較少。

       結(jié)語

       目前，全固態(tài)鋰電池從尺寸和外形上可以分成薄膜型和大容量型兩大類，它的電芯封裝技術(shù)趨同，極片和電解質(zhì)片制備工藝各異。大容量全固態(tài)鋰電池各薄膜層采用卷繞或疊片工藝制備，可能80%的全固態(tài)鋰電池生產(chǎn)設(shè)備可延用傳統(tǒng)鋰電池的生產(chǎn)設(shè)備但生產(chǎn)環(huán)境要求更嚴(yán)苛。

       類比鋰電池的發(fā)展歷程，日本仍然走在了全固態(tài)鋰電池制備工藝的前列。目前，聚合物全固態(tài)電池、磷酸鋰全固態(tài)電池、硫化物全固態(tài)電池是市場前景較好，研究相對廣泛的類別。但是，在兼顧電池性能的情況下，制備工藝本身面臨很大的挑戰(zhàn)。隨著全固態(tài)鋰電池制備工藝的不斷發(fā)展，我們要相信全固態(tài)鋰電池量產(chǎn)的道路曲折，但前途依然光明。