盖世汽车讯 据外媒报道，弗劳恩霍夫激光技术研究所(Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT，Fraunhofer ILT)正在开发激光工艺，以实现固态电池的工业化生产。该研究所表示，这项技术有望克服固态电池制造过程中的关键难题。研究内容涵盖固体电解质的激光结、界面结构化以及锂金属箔的切割。

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Fraunhofer ILT

锂离子电池是目前电能存储的标准——从消费电子产品和电动汽车到固定式储能系统——近年来发展迅猛。

然而，这项技术正接近其物理限。能量密度增长缓慢，由于采用液态电解质，安全仍然有限，而且对镍、锰或钴等关键原材料的依赖问题尚未解决。因此石家庄海绵专用胶厂家，固态电池被视为下代电化学储能技术。它们有望凭借锂金属负实现的能量密度，凭借固态电解质实现的安全和宽的温度窗口，并在电池设计面带来新的自由度。

但固态电池尚未达到工业化成熟。锂金属和含硫化物电解质等材料需要新的工艺策略，而且生产制造需要投资于用干燥室或惰气体环境。激光技术可以发挥决定作用，例如通过选择结固态电解质、定向构建界面结构以及非接触式切割延展金属。因此，它有可能成为从实验室电池到工业固态电池的关键技术。

固态电池的潜力和应用

目前，众多制造商正在进固态电池的研发。丰田、比亚迪、三星SDI和蜂巢能源等亚洲公司已公布了计划，拟于2027年开始试生产。梅赛德斯-奔驰和Stellantis等欧洲汽车制造商也在与作伙伴测试初步的半固态电池概念，而日产已在横滨建设座试点工厂。这些活动表明，这项技术正日益走出实验室，走向工业化应用。

“固态电池的关键优势在于其固有的安全，”Fraunhofer ILT切割部门的物理学Stoyan Stoyanov解释道，“由于不使用液态电解质，因此不存在泄漏或热引发火灾的风险。此外，许多固态电解质具有很的机械稳定石家庄海绵专用胶厂家，可以抑制锂枝晶的形成，而锂枝晶是传统电池内部短路的主要原因。”

除了安全之外，的能量密度是主要驱动力。比容量达3860 mAh g⁻¹的锂金属负远胜于石墨负。结薄型固态电解质，这在续航里程和重量面都具有优势，而这对于电动汽车和航空域至关重要。

批应用域正在涌现，这些域对安全和能要求：例如航空、赛车运动、医疗技术和安全数据存储。在这些域，的能量密度足以弥补复杂的制造工艺。

就目前而言，固态电池在大众市场的经济竞争力仍然有限。生产基础设施仍在建设中，而现有的锂离子电池系统也在同步发展。

“在可预见的未来，固态电池将与传统的锂离子电池并存，并将主要服务于汽车行业中些要求特别的应用，例如豪华车市场，”Stoyanov说道。

制造挑战

因此，Rörig和Ribbeck正在研究如何通过定向激光结构化来优化界面。他们利用飞秒的短激光脉冲，在固体电解质表面引入微结构。这些结构增加了有接触面积，并促进了均匀的电流分布，从而有可能降低界面阻抗。“我们已经证明，可以生成尺寸约为30微米的可重复结构，”Rörig解释道。

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然而，目前的研究结果也凸显了相互作用的复杂。虽然结构化表面在个别情况下表现出好的润湿，但电池的整体电阻有时却有所增加。研究人员测，晶体结构的变化和工艺相关的缺陷都对此有所影响。

目前，研究人员正利用拉曼光谱和其他分析法，对激光加工后晶格的结构变化进行表征。同时，他们也在研究定向锂沉积技术以好地控制接触，以及所谓的“阳电池”的概念，在这种电池中，锂仅在次充电过程中沉积。

锂金属电的激光切割

Fraunhofer ILT的另项研究向是切割用作负材料的锂金属箔。“锂金属被认为是下代能量密度电池的关键组件，但它对制造技术提出了相当大的挑战，”Stoyan Stoyanov表示。“这种材料质地柔软、粘附强且反应活。传统的机械加工工艺，例如旋转刀具或冲压，万能胶生产厂家很容易致材料涂抹、刀具粘连以及切割边缘不均匀。”此外，机械加工只能实现线切割，这严重限制了电池布局的灵活。激光技术开辟了新的可能。作为种非接触式、磨损的工艺，它能够实现精确切割并允许灵活的轮廓。

然而，论是机械加工还是激光加工，都须在密封的惰气体或干燥室环境中进行。这对于安全处理锂至关重要，但也带来了自身的工艺工程挑战。Stoyanov解释说：“氩气特别适，因为它能止氧化，从而形成均匀的边缘，但价格昂贵。氮气便宜得多，但会致氮化锂的生成。而含水气氛则会促进氧化物和氢氧化物的生成。”这些反应产物会增加工艺的能量需求，并且还会损害电的电化学能。

目前，研究人员正在探索具成本益的工艺气氛和有地控制锂表面反应。“这些法仍处于早期阶段。因此，在我们的实验室演示装置中，我们使用露点低于-70°C的纯氩气，尽管其他气氛在技术上也是可行的。”

另个挑战是避激光加工过程中可能产生的颗粒和飞溅。这些会损害表面质量，并致后续电池复材料出现缺陷。因此，Stoyanov及其团队正在开发工艺策略，以有针对地控制蚀并有地消除排放物。

脉冲持续时间在皮秒范围内的短脉冲激光器是获得质量切割边缘的种选择，这种切割边缘不会形成明显的毛刺，并且热影响区小。该团队还在研究些技术上容易集成且经济益的案，例如使用纳秒激光器，这种激光器能够在较低的投资成本下实现可接受的切割质量。与此同时，研究人员正在研究将激光工艺集成到可扩展的生产环境中的概念，例如借助可以有针对地用惰气体冲洗的紧凑型微型环境。

迈向工业化应用

固态电池从实验室走向工业化生产，不仅需要新型材料，重要的是需要稳健可靠的工艺流程。锂离子电池的生产提供了个宝贵的参考。从电生产、电池组装到终加工，许多工艺步骤在原理上都与锂离子电池类似，尽管固态电池的要求要得多。

激光技术在锂离子电池生产中已相当成熟。例如，激光切割(即对电箔进行精确的纵向切割)、激光干燥(用于快速地去除溶剂)以及激光开槽(用于集流体)。这些经验中的许多都可以应用于固态电池。然而，对精度、纯度和材料稳定的要求正在显著提：即使是小的颗粒、缺陷或化学变化也会影响电池的。

“这就是激光工艺日益重要的原因，”Stoyanov认为。“其非接触式、选择的能量输入能够实现精度加工，并可集成到干燥室或微型环境等受保护环境中。这使得激光成为种能够满足材料要求并兼顾严格环境条件的工具。”

如此来，实验室开发的工艺链便可转化为工业应用。在目前废品率和长启动时间仍然普遍存在的域，基于激光的工艺可以为确保固态电池的可扩展和成本益做出决定贡献。

Fraunhofer ILT的定位

Fraunhofer ILT将其核心能力整于固态电池的整个价值链中。其在于对材料开发和后续产业化至关重要的激光制造工艺。这些工艺包括固体电解质的激光结、用于优化界面的激光结构化、锂金属箔的激光切割，以及电池复材料的接触和集成工艺。

个研究小组致力于研究新型电解质和负材料的能和局限，而另个团队则致力于开发稳健且可扩展的工艺来处理这些材料。“这种双重视角使我们能够在早期阶段就搭建起实验室验证与工业化应用之间的桥梁，”Ribbeck总结道。

尽管如此，固态电池短期内不会取代现有的锂离子电池，即便它们为那些对安全和能量密度要求的应用域开辟了新的前景。“航空、医疗技术、能汽车，以及数据中心和医院的不间断电源(UPS)等应用，都体现了固态电解质的优势，足以抵消其额外的成本，”Stoyan Stoyanov表示。从中长期来看，生产成本的下降也可能为固态电池进入广阔的市场铺平道路。

这为欧洲带来了个特殊的机遇。虽然锂离子电池的大众市场主要由亚洲制造商主，但在固态电池技术域，目前尚未形成成熟的产业垄断。企业和研究机构可以尽早占据市场先机，参与制定行业标准，并构建新的价值链。

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