固态电池未来量产的必备设备：等静压机

生产固态电池一般是将正极、固态电解质、负极堆叠在一起组装。考虑到固态电解质要与电极形成良好的固固接触界面、在循环过程中会发生接触损耗、以及要抑制锂枝晶形成等，堆叠时需要新增加压设备，施加超过100MPa压力使各材料致密堆积。

传统热压、辊压方案提供压力有限且施加压力不均匀，难以保证致密堆积的一致性要求，进而影响固态电池性能。而等静压技术基于帕斯卡原理，金属、陶瓷、复合材料和聚合物等材料都能实现致密化，消除孔隙，对于固态电池而言，等静压技术可以有效消除电芯内部的空隙，提升电芯内组件界面之间的接触效果，进而增强导电性，提高能量密度，并减少运行期间的体积变化。

帕斯卡原理：即在不可压缩的流体中，如果在其任意一点施加压力，所受的压强都会等值地传递到流体的各个方向，使每一点都会达到静力平衡的状态。在粉体工艺中，这个原理已被成功利用并开发出了等静压技术，而等静压成型需要用到的设备为等静压机。

等静压技术及等静压机

等静压技术是将待压件的粉体置于高压容器中，利用液体或气体介质不可压缩和均匀传递压力的性质从各个方向对加工件进行均匀加压，使粉体各个方向上受到的大小一致的压力，从而实现高致密度、高均匀性坯体的成型。在这过程中，材料的特性与尺寸、形状、取样方向无关，而与材料的成型温度、压力有关。

等静压机具有技术先进性、能耗性、故障率低、使用稳定性、使用维修方便性、安全性、长寿命久耐用性、压坯密度均匀一致等优点。按成型和固结时的温度高低，等静压机主要分为冷等静压机、温等静压机、热等静压机三类。

图片来源：四川航空工业川西机器有限责任公司

1、冷等静压机

冷等静压是目前最常用的等静压成型技术，冷等静压机在常温下运行，无需加热装置，一般由加压站、冷却系统、缸体（钢筒）、框架、上端塞（顶盖）、控制柜等组成。通常利用液体（例如水或油或乙二醇混合液体）为压力介质，利用橡胶和塑料作包套模具材料，相比热等静压，可对粉末施加更高的压力（100-630MPa），可为下一步烧结、煅造或热等静压等工序提供具有足够强度的“生坯”，并可在烧结之前对其进行较为精细的机械加工，显著减少烧结后制品的加工量。根据其成型过程不同，冷等静压机可分为湿袋式和干袋式两种形式。

湿袋式冷等静压机工序较多，生产效率较难提高，所以较适用于实验室制备或小批量生产；干袋式冷等静压机自动化程度较高，可实现连续生产，适用于大批量生产。

冷等静压机在固态电池的生产中已得到了广泛应用。有研究人员利用冷等静压技术制备石榴石基超薄柔性复合固态电解质膜，另有研究人员采用冷等静压-高温固相法制备Li_6.3Al_0.15La₃Zr_1.75Ta_0.25O₁₂固态电解质。韩国LG能源公司也曾公开专利，利用冷等静压机采用新型硫化物固态电解质制备了无负极全固态电池。

2、温等静压机

温等静压机，利用液体或气体作为工作介质，在密闭容器中通过增压系统逐步加压，使得被加工的物体在各个表面受到相等的压强，并在模具限制下完成成型过程。与冷等静压机相比，温等静压机在工作过程中会加热介质或工件，以达到特定的温度条件，从而促进材料的致密化、扩散或相变等过程。工作温度一般不超过500℃，压强范围可达300MPa左右。

但是温等静压的温度和压力对于制品有着很大的影响，其主要通过外部干套或内部热交换器施加到工作介质，再通过增压器不断把压力介质加入工作缸内部，达到对粉体加热加压的目的，这种工作方式会使压力介质受到摩擦、增压的作用而持续升温，较难实现对温度的精准控制，同时工作缸内均温性也难以得到保证。

三星SDI是等静压技术的推崇和应用者。今年1月，有报道称其在固态电池产线中测试中采用了水压和辊压工艺的温等静压机 ，所以，温等静压机也可用于固态电池的生产。

3、热等静压机

热等静压机，需要以较为昂贵的氩气、氮气、氦气等惰性气体或其他混合气体作为压力介质，向制品（粉体或已经成型的样品）施加各向同等压力（100~200MPa）的同时利用加热炉对制品施加1000~2200℃的高温，从而使制品得以烧结或致密化的过程。

热等静压机在固态电池生产中的优势：高度均匀性，热等静压机能够确保电池组件在高压和高温下受到均匀的压力，从而产生高度均匀的材料，提高电池的整体性能；可控性强，通过调节压力和温度等参数，可以精确控制固态电池的致密化和界面接触过程，满足不同应用场景的需求；适用范围广，热等静压机适用于不同材料和结构的固态电池生产，具有广泛的适用性。

等静压技术为固态电池带来了什么？

①推动固态电池技术的发展，有助于提升能量密度、减轻电池组重量或延长使用寿命；

②降低内部电阻率，缩短充电时间；

③对电芯施加均匀的压力，获得可靠且始终如一的质量；

④具备大规模生产能力，以满足超级工厂的需求；

⑤相较于液态电解质锂离子电池生产，生产流程得以简化。

探索与挑战

等静压技术本身是一项成熟的技术，在陶瓷、粉末冶金等领域已有广泛应用。然而，在固态电池领域的应用仍处于探索和发展阶段，技术成熟度相对较低。美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）的电池研究人员也曾建议固态电池行业关注等静压技术，以促进下一代电池商业化，并指出等静压技术可能成为未来固态电池大规模量产的必备工艺之一。目前等静压技术在固态电池领域的推广仍然面临着如何选取合适的压制温度和压力组合，以及如何控制压实质地，如何提高生产效率与良率等挑战。

参考来源：

等静压成型技术.无机非金属材料科学

Quintus引领等静压技术革新，推动固态电池行业迈向新纪元！.Quintus Technologies

固态电解质关键生产设备：等静压机.中粉固态电池

固态电池大规模量产必备工艺：等静压技术.独角兽情报

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