中國(guó)粉體網(wǎng)訊 生產(chǎn)固態(tài)電池一般是將正極、固態(tài)電解質(zhì)、負(fù)極堆疊在一起組裝�？紤]到固態(tài)電解質(zhì)要與電極形成良好的固固接觸界面、在循環(huán)過程中會(huì)發(fā)生接觸損耗、以及要抑制鋰枝晶形成等，堆疊時(shí)需要新增加壓設(shè)備，施加超過100MPa壓力使各材料致密堆積。
傳統(tǒng)熱壓、輥壓方案提供壓力有限且施加壓力不均勻，難以保證致密堆積的一致性要求，進(jìn)而影響固態(tài)電池性能。而等靜壓技術(shù)基于帕斯卡原理，金屬、陶瓷、復(fù)合材料和聚合物等材料都能實(shí)現(xiàn)致密化，消除孔隙，對(duì)于固態(tài)電池而言，等靜壓技術(shù)可以有效消除電芯內(nèi)部的空隙，提升電芯內(nèi)組件界面之間的接觸效果，進(jìn)而增強(qiáng)導(dǎo)電性，提高能量密度，并減少運(yùn)行期間的體積變化。
帕斯卡原理：即在不可壓縮的流體中，如果在其任意一點(diǎn)施加壓力，所受的壓強(qiáng)都會(huì)等值地傳遞到流體的各個(gè)方向，使每一點(diǎn)都會(huì)達(dá)到靜力平衡的狀態(tài)。在粉體工藝中，這個(gè)原理已被成功利用并開發(fā)出了等靜壓技術(shù)，而等靜壓成型需要用到的設(shè)備為等靜壓機(jī)。
等靜壓技術(shù)及等靜壓機(jī)
等靜壓技術(shù)是將待壓件的粉體置于高壓容器中，利用液體或氣體介質(zhì)不可壓縮和均勻傳遞壓力的性質(zhì)從各個(gè)方向?qū)庸ぜM(jìn)行均勻加壓，使粉體各個(gè)方向上受到的大小一致的壓力，從而實(shí)現(xiàn)高致密度、高均勻性坯體的成型。在這過程中，材料的特性與尺寸、形狀、取樣方向無關(guān)，而與材料的成型溫度、壓力有關(guān)。
等靜壓機(jī)具有技術(shù)先進(jìn)性、能耗性、故障率低、使用穩(wěn)定性、使用維修方便性、安全性、長(zhǎng)壽命久耐用性、壓坯密度均勻一致等優(yōu)點(diǎn)。按成型和固結(jié)時(shí)的溫度高低，等靜壓機(jī)主要分為冷等靜壓機(jī)、溫等靜壓機(jī)、熱等靜壓機(jī)三類。
圖片來源：四川航空工業(yè)川西機(jī)器有限責(zé)任公司
1、冷等靜壓機(jī)
冷等靜壓是目前最常用的等靜壓成型技術(shù)，冷等靜壓機(jī)在常溫下運(yùn)行，無需加熱裝置，一般由加壓站、冷卻系統(tǒng)、缸體（鋼筒）、框架、上端塞（頂蓋）、控制柜等組成。通常利用液體（例如水或油或乙二醇混合液體）為壓力介質(zhì)，利用橡膠和塑料作包套模具材料，相比熱等靜壓，可對(duì)粉末施加更高的壓力（100-630MPa），可為下一步燒結(jié)、煅造或熱等靜壓等工序提供具有足夠強(qiáng)度的“生坯”，并可在燒結(jié)之前對(duì)其進(jìn)行較為精細(xì)的機(jī)械加工，顯著減少燒結(jié)后制品的加工量。根據(jù)其成型過程不同，冷等靜壓機(jī)可分為濕袋式和干袋式兩種形式。
濕袋式冷等靜壓機(jī)工序較多，生產(chǎn)效率較難提高，所以較適用于實(shí)驗(yàn)室制備或小批量生產(chǎn)；干袋式冷等靜壓機(jī)自動(dòng)化程度較高，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，適用于大批量生產(chǎn)。
冷等靜壓機(jī)在固態(tài)電池的生產(chǎn)中已得到了廣泛應(yīng)用。有研究人員利用冷等靜壓技術(shù)制備石榴石基超薄柔性復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)膜，另有研究人員采用冷等靜壓-高溫固相法制備Li6.3Al0.15La3Zr1.75Ta0.25O12固態(tài)電解質(zhì)。韓國(guó)LG能源公司也曾公開專利，利用冷等靜壓機(jī)采用新型硫化物固態(tài)電解質(zhì)制備了無負(fù)極全固態(tài)電池。
2、溫等靜壓機(jī)
溫等靜壓機(jī)，利用液體或氣體作為工作介質(zhì)，在密閉容器中通過增壓系統(tǒng)逐步加壓，使得被加工的物體在各個(gè)表面受到相等的壓強(qiáng)，并在模具限制下完成成型過程。與冷等靜壓機(jī)相比，溫等靜壓機(jī)在工作過程中會(huì)加熱介質(zhì)或工件，以達(dá)到特定的溫度條件，從而促進(jìn)材料的致密化、擴(kuò)散或相變等過程。工作溫度一般不超過500℃，壓強(qiáng)范圍可達(dá)300MPa左右。
但是溫等靜壓的溫度和壓力對(duì)于制品有著很大的影響，其主要通過外部干套或內(nèi)部熱交換器施加到工作介質(zhì)，再通過增壓器不斷把壓力介質(zhì)加入工作缸內(nèi)部，達(dá)到對(duì)粉體加熱加壓的目的，這種工作方式會(huì)使壓力介質(zhì)受到摩擦、增壓的作用而持續(xù)升溫，較難實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精準(zhǔn)控制，同時(shí)工作缸內(nèi)均溫性也難以得到保證。
三星SDI是等靜壓技術(shù)的推崇和應(yīng)用者。今年1月，有報(bào)道稱其在固態(tài)電池產(chǎn)線中測(cè)試中采用了水壓和輥壓工藝的溫等靜壓機(jī) ，所以，溫等靜壓機(jī)也可用于固態(tài)電池的生產(chǎn)。
3、熱等靜壓機(jī)
熱等靜壓機(jī)，需要以較為昂貴的氬氣、氮?dú)�、氦氣等惰性氣體或其他混合氣體作為壓力介質(zhì)，向制品（粉體或已經(jīng)成型的樣品）施加各向同等壓力（100~200MPa）的同時(shí)利用加熱爐對(duì)制品施加1000~2200℃的高溫，從而使制品得以燒結(jié)或致密化的過程。
熱等靜壓機(jī)在固態(tài)電池生產(chǎn)中的優(yōu)勢(shì)：高度均勻性，熱等靜壓機(jī)能夠確保電池組件在高壓和高溫下受到均勻的壓力，從而產(chǎn)生高度均勻的材料，提高電池的整體性能；可控性強(qiáng)，通過調(diào)節(jié)壓力和溫度等參數(shù)，可以精確控制固態(tài)電池的致密化和界面接觸過程，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求；適用范圍廣，熱等靜壓機(jī)適用于不同材料和結(jié)構(gòu)的固態(tài)電池生產(chǎn)，具有廣泛的適用性。
等靜壓技術(shù)為固態(tài)電池帶來了什么？
①推動(dòng)固態(tài)電池技術(shù)的發(fā)展，有助于提升能量密度、減輕電池組重量或延長(zhǎng)使用壽命；
②降低內(nèi)部電阻率，縮短充電時(shí)間；
③對(duì)電芯施加均勻的壓力，獲得可靠且始終如一的質(zhì)量；
④具備大規(guī)模生產(chǎn)能力，以滿足超級(jí)工廠的需求；
⑤相較于液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池生產(chǎn)，生產(chǎn)流程得以簡(jiǎn)化。
探索與挑戰(zhàn)
等靜壓技術(shù)本身是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，在陶瓷、粉末冶金等領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用。然而，在固態(tài)電池領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于探索和發(fā)展階段，技術(shù)成熟度相對(duì)較低。美國(guó)能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的電池研究人員也曾建議固態(tài)電池行業(yè)關(guān)注等靜壓技術(shù)，以促進(jìn)下一代電池商業(yè)化，并指出等靜壓技術(shù)可能成為未來固態(tài)電池大規(guī)模量產(chǎn)的必備工藝之一。目前等靜壓技術(shù)在固態(tài)電池領(lǐng)域的推廣仍然面臨著如何選取合適的壓制溫度和壓力組合，以及如何控制壓實(shí)質(zhì)地，如何提高生產(chǎn)效率與良率等挑戰(zhàn)。
參考來源：
等靜壓成型技術(shù).無機(jī)非金屬材料科學(xué)
Quintus引領(lǐng)等靜壓技術(shù)革新，推動(dòng)固態(tài)電池行業(yè)邁向新紀(jì)元！.Quintus Technologies
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（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/蘇簡(jiǎn)）
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