¿Cuál es la diferencia entre las baterías de estado sólido y las baterías de flujo?
1. Diferencias de proceso entre las baterías de estado sólido y las baterías líquidas tradicionales
Las baterías de estado sólido utilizan electrolitos sólidos para reemplazar el electrolito y el separador de las baterías líquidas tradicionales. Las baterías tradicionales de litio líquido se componen de cuatro elementos clave: electrodo positivo, electrodo negativo,
electrolito de la batería
y
separador
Las baterías de estado sólido utilizan electrolitos sólidos para reemplazar el electrolito y
separador
en baterías líquidas tradicionales.
Dado que las baterías de estado sólido utilizan un nuevo sistema de materiales y una nueva estructura, el proceso y los equipos tradicionales de fabricación de baterías de litio no pueden alcanzar su producción y fabricación industrial, por lo que se requiere la innovación y las mejoras correspondientes. Actualmente, las baterías de estado sólido aún no se han producido en masa, por lo que el proceso de producción no está finalizado. El proceso de producción y fabricación de los diferentes tipos de baterías de estado sólido variará según el diseño y la aplicación de la batería. Sin embargo, es cierto que existen diferencias significativas entre el proceso de producción de las baterías de estado sólido y el proceso tradicional de producción de baterías líquidas. Esto se refleja principalmente en los siguientes aspectos:
1.1 Enlace de producción de láminas de electrodos de extremo frontal
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Baterías de litio tradicionales: mediante tecnología de recubrimiento y suspensión húmeda, el material activo, el agente conductor y el aglutinante se mezclan en una suspensión y luego se recubren en el colector de corriente, seguido del secado y laminado.
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Batería de estado sólido: Se introduce la tecnología de electrodos secos, eliminando el uso de disolventes y preparando directamente las láminas de electrodos mediante procesos de lechada seca y recubrimiento. Además, la membrana electrolítica debe recubrirse y laminarse para formar una capa electrolítica sólida.
1.2 Enlace del conjunto de celdas de batería de etapa intermedia
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Batería de litio tradicional: mediante un proceso de bobinado o laminación, las láminas de los electrodos positivos y negativos y los diafragmas se enrollan en las celdas de la batería y luego se inyecta y empaqueta el electrolito.
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Batería de estado sólido: Se utiliza el proceso de laminación, combinado con la impresión de marcos adhesivos de láminas de electrodos y la tecnología de prensado isostático para garantizar un contacto estrecho entre el electrolito sólido y el electrodo. Dado que las baterías de estado sólido no requieren electrolitos, se omite el proceso de inyección.
1.3 Formación posterior a la etapa de empaquetado y enlace
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Batería de litio tradicional: después del embalaje, la batería se activa mediante formación de baja presión.
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Batería de estado sólido: Debido a los altos requisitos de conductividad iónica de los electrolitos sólidos, el proceso de formación tiende a ser de alta presión para optimizar el rendimiento de la batería.
En general, las principales diferencias entre el proceso de producción central de las baterías de estado sólido y las baterías de litio líquido tradicionales son:
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En el proceso de producción de láminas de electrodos y electrolitos sólidos de primera línea, las baterías de estado sólido son más adecuadas para la tecnología de electrodos secos, y se agregan la mezcla seca y el recubrimiento seco para realizar la preparación de la membrana de electrolito sólido;
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En el proceso de ensamblaje de celdas de batería de etapa intermedia, las baterías de estado sólido utilizan "tecnología de apilamiento + impresión de marco de pegamento de lámina de electrodo + prensado isostático" para reemplazar el proceso de bobinado tradicional y eliminar el proceso de inyección;
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En el proceso de formación y empaquetado de back-end, la conversión de la composición química a una composición química de alto voltaje.
2. Proceso de batería de estado sólido
2.1 La tecnología de electrodos secos es más adecuada para baterías de estado sólido
La mayor ventaja de la tecnología de electrodos secos es que puede aumentar la densidad de compactación de los electrodos, aumentando así la densidad energética de la batería. La tecnología de electrodos secos es un nuevo tipo de proceso de fabricación de electrodos, y su mayor ventaja es que puede aumentar la densidad de compactación de los electrodos. En la actualidad, las baterías de litio utilizan principalmente la tecnología tradicional de fabricación de electrodos húmedos. En el proceso de fabricación de electrodos húmedos, se necesitan disolventes para mezclar materiales activos, agentes conductores y aglutinantes y luego recubrirlos en el colector de corriente, y luego secar, recuperar disolventes NMP y laminarlos. La tecnología de electrodos secos mezcla directamente los materiales del electrodo en polvo seco y los presiona mecánicamente sobre el colector de corriente para formar una lámina de electrodo. Este método puede aumentar la densidad de compactación del electrodo. Para las baterías de estado sólido, una mayor densidad de compactación significa que se pueden acomodar más materiales de electrodos positivos y negativos en el mismo volumen, aumentando así la densidad energética de la batería.
La tecnología de electrodo seco es más adecuada para baterías de alta densidad energética, como las de estado sólido. El concepto de la tecnología de electrodo seco es similar al de las baterías de estado sólido. En todas las baterías de estado sólido, los electrolitos de sulfuro son sensibles a los disolventes orgánicos, y el litio metálico reacciona fácilmente con ellos, provocando su expansión. El sistema tradicional de PVDF-NMP presenta una resistencia de unión limitada, mientras que la estructura de red bidimensional compuesta por fibrilación de PTFE (politetrafluoroetileno) en el electrodo seco puede inhibir la expansión de volumen de las partículas de material activo y evitar que se desprendan de la superficie del colector de corriente.
Además, mediante el proceso de electrodo seco, la fabricación de láminas de electrodos de baterías de estado sólido se puede realizar completamente en seco, eliminando así el problema de las moléculas de disolvente residuales tras el secado en el proceso húmedo. Por lo tanto, la tecnología de electrodo seco es más adecuada para la producción de baterías de estado sólido.
La tecnología de electrodos secos simplifica el proceso y mejora la eficiencia, ofrece ventajas en cuanto a costos y favorece la comercialización de baterías de estado sólido. El proceso de electrodos secos puede simplificar el proceso de producción, reducir costos y mejorar la eficiencia de la producción. La fabricación de láminas de electrodos secos no requiere disolvente NMP, y los enlaces de secado y recuperación de disolvente se pueden reducir en el proceso de producción de láminas de electrodos. El proceso de fabricación de electrodos está integrado, al igual que los procesos de mezcla, pulpa, recubrimiento, secado, laminado y otros requeridos por el proceso húmedo. El flujo del proceso es más simple y el equipo ocupa un área más pequeña. Según el pronóstico de Nanoconol, la producción en masa de electrodos secos puede reducir los costos de las baterías en más de un 10 %. Además, la tecnología simplificada de electrodos secos es adecuada para la producción a gran escala de láminas de electrodos de baterías. Por lo tanto, la tecnología de electrodos secos se considera una de las tecnologías importantes para promover la comercialización de baterías de estado sólido.
La principal dificultad actual de la tecnología de electrodos secos: Según Nanoconol, la principal dificultad de la tecnología de electrodos secos reside en la uniformidad del polvo del material del electrodo mezclado y la consistencia de la formación de la película. En el ámbito de los equipos, el proceso seco exige mayores requisitos de precisión, uniformidad y densidad de compactación durante el laminado.
2.2 Enlace del conjunto de celdas de batería de la sección central: tecnología de apilamiento + impresión de marco de pegamento de lámina de electrodos + prensado isostático.
①
Máquina apiladora de electrodos
:Las baterías de estado sólido no son adecuadas para equipos de bobinado, y necesitan utilizar máquinas apiladoras y requisitos de mayor precisión.
Tanto las baterías de estado sólido como las baterías líquidas requieren máquinas apiladoras. Sin embargo, debido a la fragilidad del electrolito sólido de las baterías de estado sólido y a los mayores requisitos de precisión y estabilidad del equipo, se requieren más procesos de apilado. Por lo tanto, la demanda de máquinas apiladoras para la fabricación de baterías de estado sólido también aumentará.
2 Tecnología de laminación del marco de pegamento de la lámina de electrodos de batería de estado sólido: mejora el ajuste de las láminas de electrodos de batería de estado sólido y evita problemas de cortocircuito interno.
El proceso actual de producción de baterías de estado sólido aún es inmaduro y presenta algunas deficiencias. Al combinar el rollo de láminas de electrodos con otras láminas de electrodos después del corte para preparar celdas de batería de estado sólido, resulta difícil garantizar un buen ajuste entre las láminas de electrodos adyacentes, lo que reduce la calidad de las celdas. Según la tecnología patentada de Liyuanheng, se propone un método, dispositivo y equipo de apilado de láminas de electrodos para baterías de estado sólido mediante laminación con marco de pegamento, que puede mejorar el ajuste entre láminas de electrodos adyacentes en las celdas de batería de estado sólido y garantizar la calidad de las mismas.
③ La prensa isostática es uno de los principales equipos incrementales: la tecnología de prensado isostático se utiliza para mejorar el problema de contacto de la interfaz sólido-sólido de las baterías de estado sólido.
La producción de baterías de estado sólido generalmente consiste en apilar el electrodo positivo, el electrolito sólido y el electrodo negativo. Dado que el electrolito sólido debe formar una buena interfaz sólido-sólido con el electrodo, se producirá pérdida de contacto durante el ciclo y se debe suprimir la formación de dendritas de litio, entre otras cosas. Por ello, se requiere un nuevo equipo de prensado durante el apilado, aplicando una presión superior a 100 MPa para apilar los materiales densamente. Las soluciones tradicionales de prensado en caliente y prensado con rodillos ofrecen una presión limitada y desigual, lo que dificulta garantizar la consistencia requerida para un apilado denso, afectando así el rendimiento de las baterías de estado sólido.
La tecnología de prensado isostático se basa en el principio de Pascal. Permite densificar materiales como metales, cerámicas, materiales compuestos y polímeros, eliminando así los poros. En baterías de estado sólido, la tecnología de prensado isostático elimina eficazmente los huecos dentro de la celda, garantiza que el electrolito alcance el grado ideal de densificación y mejora el contacto entre las interfaces de los componentes de la celda. Esto mejora significativamente la conductividad iónica en más de un 30 %, reduce la resistividad interna de la batería en más de un 20 % y aumenta la vida útil en un 40 %, mejorando considerablemente el rendimiento de la batería. El equipo necesario para el prensado isostático es una prensa isostática.
Desafíos actuales de la tecnología de prensado isostático en la fabricación de baterías de estado sólido: La tecnología de prensado isostático es una tecnología consolidada y se ha utilizado ampliamente en cerámica, pulvimetalurgia y otros campos. Sin embargo, su aplicación en el campo de las baterías de estado sólido aún se encuentra en fase de exploración y desarrollo, y su madurez técnica es relativamente baja. Actualmente, la promoción de la tecnología de prensado isostático en el campo de las baterías de estado sólido aún enfrenta desafíos como la selección de la combinación adecuada de temperatura y presión de prensado, el control de la superficie de compactación y la mejora de la eficiencia y el rendimiento de la producción.
3. Enlace de formación y empaquetado posterior a la etapa: Nuevo equipo de formación de alto voltaje
La presión de formación de las baterías de litio convencionales es de 3 a 10 toneladas, mientras que la de las baterías de estado sólido aumenta a 60-80 toneladas. La razón principal por la que las baterías de estado sólido requieren una formación de alto voltaje reside en sus características únicas de interfaz sólido-sólido y su mecanismo de conducción iónica, que difieren fundamentalmente del proceso de formación de las baterías líquidas tradicionales.
① Solución del problema de contacto entre sólidos: El electrolito sólido y el electrodo mantienen un contacto rígido, con microespacios y un contacto deficiente. Se requiere una alta presión (generalmente de 60 a 100 MPa) para eliminar los espacios entre los sólidos y aumentar el área de contacto efectiva; esto promueve la integración fisicoquímica del electrolito sólido y el electrodo.
② Activar el canal de conducción de iones: el electrolito sólido tiene baja conductividad iónica y se requiere la formación de alto voltaje para forzar a los iones de litio a penetrar la barrera de la interfaz sólido-sólido, formar una red de conducción de iones en la interfaz y reducir la impedancia de la interfaz.
Acey Nueva Energía
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