激光技术推动固态电池从实验室走向工业

锂离子电池是电能存储的标准——从消费电子、电动汽车到固定储能系统——近年来取得了显著发展。然而，这项技术正触及物理极限。能量密度增长缓慢，因液态电解质的存在安全性仍受限，且对镍、锰、钴等关键原材料的依赖问题尚未解决。

因此，固态电池被视为下一代电化学储能技术。凭借锂金属负极，它们有望实现更高的能量密度。固态电解质，有望实现更高的安全性和更宽的工作温度窗口，以及在电池设计上的新自由度。

然而，它们尚未达到工业化成熟度。锂金属和含硫化物电解质等材料需要新的工艺策略，且制造过程需要投资于专门的干燥房或惰性气体环境。激光技术可以做出决定性贡献，例如通过选择性烧结固态电解质、对界面进行针对性结构化处理以及无接触切割延展性金属。因此，它可能被证明是从实验室电芯走向工业化固态电池道路上的关键技术。

 

固态电池的潜力与应用

目前，众多制造商正在推进固态电芯的开发。丰田、比亚迪、三星SDI和蜂巢能源等亚洲公司已公布了从2027年开始试生产的计划时间表。梅赛德斯-奔驰、斯特兰蒂斯等欧洲汽车制造商也正与合作伙伴测试首批半固态概念，而日产已在横滨建设试点工厂。这些活动表明，该技术正日益走出实验室，迈向产业化实施。

 

图1：截至2030年，不同类型电池在质量能量密度（瓦时/千克）和体积能量密度（瓦时/升）方面的发展趋势：采用锂金属负极的固态电池可实现最高值，而NMC（镍锰钴酸锂）、LMFP（磷酸锰铁锂）和LFP（磷酸铁锂）的能量密度则相对较低；钠离子电池仍处于较低水平

“固态电池的关键优势在于其本征安全性，”弗劳恩霍夫激光技术研究所切割部门的物理学家Stoyan Stoyanov解释道，“由于不使用液态电解质，因此不存在泄漏或热致火灾的风险。此外，许多固态电解质的高机械稳定性抑制了锂枝晶的形成，而锂枝晶是传统电芯内部短路的主要原因。”

除了安全性，更高的能量密度是主要的驱动力。比容量高达3860毫安时每克的锂金属负极，性能远超石墨负极。结合薄层固态电解质，这将在续航和重量方面带来优势，是电动汽车和航空领域的决定性因素。

 

图2：电池结构示意图对比。上图：传统锂离子电池，正负极材料之间有液态电解质和隔膜；下图：固态电池，采用固态电解质和锂金属负极

首批应用领域将出现在对安全性和性能要求最高的地方：航空航天、赛车运动、医疗技术和高安全性数据存储。在这些领域，更高的能量密度证明了复杂制造工艺的合理性。对于大众市场，经济竞争力目前仍然有限。生产基础设施仍在建设中，成熟的锂离子系统也在并行发展。在可预见的未来，固态电池将与传统的锂离子电芯并存，主要服务于汽车行业中要求极高的应用，例如豪华车市场。

 

制造中的挑战

固态电池的潜力固然巨大，但实现工业化应用的障碍同样巨大。处理锂金属负极尤其具有挑战性：尽管该材料因极高的比容量而极具吸引力，但在加工过程中极其敏感。它与氧气和水分反应强烈，容易形成钝化层，并在机械应力下可能燃烧。传统的切割或辊压工艺在这里很快就会达到极限。

 

图3：由超短脉冲激光在固态电解质表面生成的微结构REM图像。该周期性结构增加了有效接触面积，改善了电流分布，并能降低电解质与锂金属负极之间的界面阻抗

图4：激光切割锂金属负极切边的REM图像。该激光工艺可形成均匀、基本无毛刺的切边，热影响区极小，且不会对活性金属造成机械变形

 

在固态电解质方面也出现了根本性困难。镧锆钛酸锂（LLZO）等氧化物陶瓷材料需要在约1200℃下烧结。这通常会导致锂损失和次级相的形成，从而降低离子电导率。这种损失不仅是技术问题，也是经济问题，因为它们使昂贵的原材料无法使用。尽管所谓的“牺牲粉末”可以部分补偿这些影响，但过程仍然复杂，即使是最小的波动也产生影响。

“另一个瓶颈是电解质与负极之间的界面。高界面电阻会降低性能，并增加锂沉积和剥离过程中不均匀的风险。掌握这种界面化学是制造稳定、长寿命电芯的基础。”弗劳恩霍夫激光技术研究所高温功能化小组的Florian Ribbeck解释道。

除了这些材料特定方面，生产条件本身也构成了重大挑战。固态电池整个生产过程都需要惰性气体或干燥房气氛，这需要对基础设施进行高额投资。初步分析表明，在工业化起步阶段，废品率可能高达30%，每天造成的损失可达数百万。

即使在成熟的锂离子生产线中，高废品率也是一个严峻问题。这个问题在固态电芯中更为严重，因为目前对于这些尚未标准化的材料，还没有闭环回收路径。因此，每一个有缺陷的原型不仅意味着经济损失，也意味着宝贵原材料的损失。“基于激光的工艺有助于从一开始就提高工艺稳定性并避免产生废品。”Ribbeck表示。

 

固态电解质的激光烧结

弗劳恩霍夫激光技术研究所的一个研究方向涉及LLZO等氧化物陶瓷固态电解质的加工。这种材料被认为特别有前景，因为它对锂金属负极表现出高电化学稳定性，并且比含硫化物电解质对环境的反应性更低。
“在弗劳恩霍夫激光技术研究所，我们正在研究如何利用激光辐射作为局部受限且高度动态的能源，有针对性地致密化LLZO层，”Ribbeck解释道，“其优势在于快速加热与受控冷却相结合。这减少了锂损失，并避免了电池组装过程中的温度不相容性。”

初步实验显示了均匀的致密化，尽管开裂和分层仍然是关键的研究课题。除了LLZO、NASICON型电解质如磷酸钛铝锂（LATP）也在研究之中，它们具有相似的工艺要求但不同的稳定性窗口。

 

用于改善界面的激光结构化

除了电解质层的致密化，与锂金属负极的界面质量对于固态电芯的性能至关重要。“这里经常出现高界面电阻，限制了电化学行为，”弗劳恩霍夫激光技术研究所表面结构化小组的Tim Rörig解释道，“此外，陶瓷表面的低润湿性使得均匀的锂沉积变得困难。”

因此，Rörig和Ribbeck正在研究如何通过有针对性的激光结构化来优化界面。他们利用飞秒范围内的超短激光脉冲，在固态电解质表面引入微结构。这些结构增加了有效接触面积，并促进了更均匀的电流分布，从而可能降低界面阻抗。“我们已经证明可以生成约30微米范围内可重现的结构。”Rörig解释道。

然而，迄今为止获得的结果也凸显了相互作用的复杂性。虽然结构化的表面在个别情况下显示出改善的润湿性，但电池的整体电阻有时却增加了。研究人员推测，晶体结构的变化和工艺相关的缺陷都在其中发挥了作用。

目前研究人员正在利用拉曼光谱和其他分析方法，表征激光处理后晶格中的结构变化。同时，他们正在研究针对性的锂沉积以更好地控制接触，以及“无负极电池”概念，即锂仅在首次充电过程中沉积。

 

锂金属电极的激光切割

弗劳恩霍夫激光技术研究所的另一个重点是切割用作负极材料的锂金属箔。“锂金属被认为是下一代高能电芯的关键组成部分，但它对制造技术提出了相当大的挑战，”Stoyan Stoyanov说，“这种材料柔软、粘性高、且极易反应。传统的机械工艺如旋转刀或冲压，很快会导致材料涂抹、工具粘连和切割边缘不均匀。”

此外，机械方式只能实现线性切割几何形状，这严重限制了电池布局的灵活性。激光技术开辟了新的可能性。作为一种非接触、无磨损的工艺，它可以实现精确切割和灵活的轮廓。然而，机械和激光工艺都要求在密封的惰性气体或干燥房气氛中独家进行。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。

“氩气特别适合，因为它能防止氧化，从而形成均匀的边缘，但价格昂贵，”Stoyanov解释道，“氮气便宜得多，但会导致氮化锂的形成。而含水的气氛则会促进氧化物和氢氧化物的形成。”此类反应产物会增加工艺的能耗，并可能损害电极的电化学性能。

对更具成本效益的工艺气氛和更好地控制锂表面反应的研究正在进行中。这些方法仍处于早期阶段。在实验室演示器中，研究人员使用露点低于零下70摄氏度的纯氩气，尽管其他气氛在技术上是可行的。

另一个挑战是避免激光加工过程中可能产生的颗粒和飞溅物。它们会损害表面质量，并在后续的电芯复合体中导致缺陷。因此，Stoyanov和他的团队正在开发工艺策略，以有针对性地控制烧蚀并有效清除排放物。

超短脉冲激光器（脉冲宽度在皮秒范围内）是获得高质量切割边缘的一种选择，这种边缘没有关键的毛刺形成，且热影响区极小。该团队还在研究技术上更易集成且经济上有吸引力的方案，例如使用纳秒激光器，该激光器能以较低的投资成本实现可接受的切割质量。同时，研究人员正在研究将激光工艺集成到可规模化生产环境中的概念，例如借助可进行针对性惰性气体吹扫的紧凑型微型环境。

 

通往产业化应用的桥梁

将固态电池从实验室转移到工业化生产，不仅需要新材料，更需要稳健的工艺。锂离子电池的生产提供了一个有价值的参考点。从电极生产、电芯组装到化成，许多工艺步骤在原理上是可比的，尽管固态电芯的要求要高得多。

激光技术在锂离子生产中已相当成熟。它们被用于激光分切（即电极箔的精确纵向切割）、激光干燥（以快速、节能地去除溶剂）以及集流体的激光极耳成型。其中大部分经验可以转移到固态电芯上。然而，对精度、纯度和材料稳定性的要求显著提高：即使是最微小的颗粒、缺陷或化学变化也可能损害电芯的功能。

“这就是为什么激光工艺变得越来越重要，”Stoyanov认为，“它们的非接触、选择性能量输入实现了高精度加工，并且可以集成到干燥房或微型环境等受保护环境中。这使得激光成为一种工具，既能满足材料要求，又能兼顾严格的环境条件。”

通过这种方式，在实验室中开发的工艺链可以转移到工业化逻辑中。在当今仍以高废品率和长启动时间为主导的领域，基于激光的工艺可以做出决定性贡献，确保固态电池的可扩展性和成本效益。

 

弗劳恩霍夫激光技术研究所的定位

弗劳恩霍夫激光技术研究所将其能力整合到固态电池的整个价值链中。重点是激光辅助制造步骤，这些步骤对材料开发和后续产业化都至关重要。其中包括固态电解质的激光烧结、优化界面的激光结构化、锂金属箔的激光切割，以及电芯复合体中的接触与集成工艺。

当一个小组研究新型电解质和负极材料的性质与极限时，另一个团队则开发以稳健且可扩展的方式处理这些材料的工艺。这种双重视角使研究人员能够在早期阶段就在实验室演示与产业化实施之间架起桥梁。

尽管如此，固态电池不会很快取代成熟的锂离子电芯，尽管它们为对安全性和能量密度有最高要求的应用开辟了新的前景。“航空航天、医疗技术、高性能车辆，或数据中心和医院的不间断电源，都是固态电解质的优势证明其额外成本的例子。”Stoyanov说。从中长期来看，不断下降的生产成本也可能为进入更广阔的市场铺平道路。

 

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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