时间:2025-08-19 来源:高工锂电
随着GWh级别的订单开始浮现,固态电池的商业化闭环似乎正初步形成。
然而,支撑当前订单交付的并非颠覆性的全新生产模式,而主要是对传统锂离子电池湿法涂布设备的改造和革新。
这批早期但意义重大的商业订单,如同一场压力测试,迫使行业直面一个核心矛盾:在终极的“干法”工艺远未成熟之际,如何利用现有的“湿法”工具箱,去制造一颗真正属于下一代的电池?
将传统电池中的液态电解液与隔膜,替换为一层固态电解质膜,是通往固态化的核心步骤。
此过程的关键在于尽可能减薄电解质层以最大化能量密度,湿法涂布工艺正是当前实现这一目标的主流选择。但这并非简单的材料替换,它从根本上重塑了工艺的基础物理学。
高固含量浆料引发基础制造变革
要理解这场变革的艰巨性,必须首先明确:固态电池的湿法涂布,远非简单的材料替换,它从根本上改变了浆料体系的物理学本质。
理想的电池浆料需具备“剪切变稀”的流变特性:在涂布泵送时粘度足够低以保证流动性,而在静置烘干时又能维持结构强度以防颗粒沉降。
传统锂电浆料的固含量通常在60%至70%之间,其调控核心在于处理好μm级的活性物质与纳米级的导电剂这两种颗粒的均匀混合。
当固态电解质作为一种主要的固体组分被引入后,整个体系转变为“富固相”。颗粒间距的缩短导致范德华力等相互作用急剧增强,不仅使浆料整体粘度大幅攀升,更易形成难以分散的硬团聚。
这些团聚会在涂布时造成涂层厚度不均、条痕、针孔等缺陷,最终损害电池性能。
更深层的挑战在于,整个系统从相对简单的“双峰颗粒”(μm级活性物质+纳米级导电剂)演变为一个复杂的“多峰颗粒”共混体系。
固态电解质作为第三种主要固体组分,其独特的粒径、密度和表面性质,使得工程挑战升级为在一个拥挤的悬浮体系中,实现三种以上物理化学性质迥异的固体颗粒的均匀共混。
这就引出了新的失效模式。例如,密度较大的NMC正极材料和密度相对较低的固态电解质,在重力场下会产生不同的沉降速率。
这意味着,即使在涂布瞬间是均匀的,在随后的静置和烘干过程中,膜片内部也可能发生垂直方向的“分层”。这种“垂直不均匀性”会造成局部离子导电路径堵塞,增加界面阻抗,对电池的长期可靠性构成直接威胁。
氧化物路线:性能优先与兼容优先的路径分化
更进一步来看,不同的固态电解质化学体系,为湿法涂布带来了截然不同的难题。
对于氧化物路线,其电解质本质上是坚硬、脆性的陶瓷材料。当这些μm级陶瓷颗粒被制成高固含浆料并高压输送时,它们如同“流动的砂纸”,会对管道,特别是经过精密加工的狭缝涂布模头,产生剧烈的磨蚀。这不仅缩短了昂贵设备的使用寿命,其磨损产生的金属碎屑还可能混入浆料,构成安全隐患。
在此背景下,产业路径出现显著分化。
其一,是以美国QuantumScape为代表,优先寻求材料性能根本性突破的路线。
他们直面氧化物颗粒间接触阻抗高的天然缺陷,选择在湿法涂布后,增加一道高达700°C甚至1000°C以上的高温烧结工序。其目标是通过高温使陶瓷颗粒熔接成一个致密的连续网络,从根本上解决离子传输问题。
据了解,QuantumScape最新的进展是其热处理设备效率提升了25倍。然而,这一选择的矛盾在于,它追求材料性能的极致,却与现代电池制造讲求效率的卷对卷连续化生产理念背道而驰。高温将直接摧毁集流体、粘结剂乃至活性材料本身。
其二,是以鹏辉能源等为代表,更注重工艺兼容性与商业化效率的路线。
鹏辉能源宣称,其电解质湿法涂布工艺能绕开烧结,实现280-300Wh/kg的高能量密度,且成本有望与传统锂电持平。
这一声明背后,揭示了另一种更具兼容性的策略。行业普遍认为,这并非指用湿法制造纯粹的厚陶瓷膜,而是通过材料体系的巧妙设计,将氧化物的角色从主角变为配角。
例如,仅使用少量氧化物粉末(几个wt%)作为“填料”或“界面改性剂”混入正极浆料,或与聚合物形成复合层,再或利用溶胶-凝-胶等方式制备超薄界面。
这种方法的本质,是以牺牲一部分电解质的“纯粹性”,换取对现有庞大生产体系的最大兼容,从而在商业化落地的速度上抢占先机。
硫化物路线:性能与工艺约束下的艰难平衡
如果说氧化物路线展现的是策略分歧,那么硫化物路线则面临着一连串环环相扣、难以挣脱的技术约束。
相较于氧化物,硫化物体系一度被认为更需要干法工艺,以规避其化学不稳定的特性。
然而,产业界的实际选择却呈现出截然不同的图景。据高工锂电在2025年CIBF上的观察,湿法涂布已是当前大部分企业制备硫化物固态电解质膜的主流方法。
这背后的动机清晰且务实。
首先,这是当前将膜片减薄至20μm级别、同时保证规模化生产的最可靠路径,广汽团队已证实1.8mS/cm的高离子电导率可在此工艺下实现。
其次,湿法工艺为硫化物引入的柔性聚合物,实际上为脆弱的电解质膜提供了卷绕生产所必需的机械强度,同时能够在电池循环中有效缓冲应力,防止颗粒开裂与脱落。
然而,这种优势的背后,是一个深刻的内在矛盾。硫化物材料本身对极性溶剂(如NMP)的化学脆弱性,是整个技术链的核心挑战。它会导致材料分解,并释放剧毒的硫化氢气体。这带来两大难题:
一是溶剂的选择范围受到严格限制: 只能选用非极性或弱极性溶剂,选择范围极为狭窄,且这些溶剂本身通常也存在毒性、挥发性强、回收困难等问题。
二是粘结剂面临溶解性与粘结性的内在矛盾: 溶剂的限制进一步传导至粘结剂。有高校研发团队指出,能溶于非极性溶剂的橡胶基粘结剂,粘结强度往往不足;而粘结性强的商用粘结剂,却因含有极性基团而无法在非极性溶剂中有效溶解。
粘结剂在溶解性与粘结性上的难以兼顾,已成为当前硫化物湿法工艺的核心瓶颈之一。
为突破这一系列约束,产业链正在艰难探索。在涂布方式上,成本低廉的刮刀涂布是各家中试线的优选,但其精度和均匀性缺陷使其难堪量产重任。
因此,具备高精度且系统封闭的狭缝涂布,因能有效隔绝硫化物与外界环境,被视为实现大规模安全生产的必然选择。
设备商的响应与系统性挑战
电池技术的制造难题,正迅速转化为上游设备商的商业机遇。面对下游客户的需求,设备企业正积极部署,商业化落地进程同步开启。
曼恩斯特近期发布的高温涂布系统,提供了一个极具针对性的解决方案。
它直击高固含浆料粘度大、流动性差,以及热稳定性与工艺精度难以把控等痛点,通过将涂布过程加热至40℃-65℃温区(温度精度控制在±1℃以内,CPK≥1.67),显著改善浆料的流动性和涂层均匀性。
这一创新不仅是为固态电池“补课”,更能反哺基于高镍材料的液态电池突破比能瓶颈,为全行业提升能量密度提供了关键工艺支撑。
此外,曼恩斯特还展示了覆盖前后段的“干、湿混合的固态电池极片制造解决方案”,并在最终薄涂固态电解质层时,采用湿法狭缝涂布技术结合砂磨机处理,以确保涂层的极致均匀性。
其他头部设备商的布局也印证了这一趋势。先导智能采取了更为稳健的干、湿法固态涂布系统并行研发的路线。
其湿法工艺通过采用特殊的涂布结构,已能够实现固态电极的高速、大幅宽生产,并可满足10μm至60μm厚度范围的量产需求,显示了其在精密控制上的深厚技术储备。目前,其多套固态电池核心设备也已实现出货。
商业订单的落地是市场走向成熟最直接的信号。赢合科技已向国内某头部电池企业成功交付了一批固态湿法涂布设备。
同时,该公司也在布局复合转印及连续复合设备,旨在解决电极与电解质膜之间高效复合的产线级难题。
璞泰来也已透露,其包括湿法涂布机在内的固态电池相关新设备,已取得订单并有部分交付。
然而,拥有先进的设备只是解决了部分问题。更深层次的挑战或在于材料、工艺与最终产品形态的深度耦合,这催生了新的工艺难题。
有高校研发团队指出,通过湿法工涂布艺制备的电解质膜,目前仍难以兼顾高离子电导率和高柔韧性。
这背后依旧是适配性粘结剂的筛选范围过窄,及其分子量和结构调控困难的问题。粘结剂的选择与在膜中的微纳尺度分布,直接决定了最终电解质膜的性能。这表明,即便是看似兼容现有设备的湿法路线,也要求材料与工艺的高度共振。
结语
审视当下,固态电池的产业化并非一条线性演进的理想路径,而是在多重矛盾和约束条件下,不断寻找局部最优解的动态过程。
从浆料的微观结构管理,到硬质颗粒的磨损,再到化学体系与工艺设备的深度绑定,固态电池的产业化挑战,正从传统的电化学领域,大规模扩展至机械工程、摩擦学、粉末冶金和精密过程控制的范畴。
这意味着,未来能够在固态电池制造领域取得成功的企业,必须具备深厚的跨学科整合能力。
湿法涂布,作为一项从传统液态电池产线继承而来的“折中”技术,是当前推动固态电池走向规模化生产最现实、最经济的路径。
从长远看,其大量使用溶剂所带来的环保与成本压力始终存在。因此,在湿法工艺不断迭代优化的同时,干法工艺的持续演进仍是业界不可动摇的最终目标。