锂离子电池已经成为现代社会生活中主要的储能解决方案之一。锂离子电池的应用领域和市场份额快速增长，并继续呈现稳定增长趋势。锂电池材料的研究取得了巨大的成就，许多创新材料在行业中被采用并商业化。然而，关于锂电池制造的研究很少，许多研究人员可能不知道LIB的具体制造方法以及不同工艺对成本、能耗和产量的影响。因此，电池制造的创新主要集中在企业，而高校和科研院所在这方面的研究很少。介绍了目前锂电池的主要制造技术，并根据生产工艺对成本、产量和能耗进行了分析。然后，重点总结了锂电池制造的成本、能耗和工作时间的研究进展以及未来的技术发展趋势。

锂离子电池的制造工艺

如图1所示，最先进的电池制造工艺包括电极制备、电池组件和电化学活化三个主要部分，制造成本约占锂电池成本的25%。

图1锂离子电池制造工艺

成本、产量和能耗分析

锂离子电池的制造成本采用阿贡国家实验室的BatPac模型计算，该模型基于67Ah LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2/石墨电池，工厂规模为10万节EV电池/年。制造成本包括设备折旧、人工成本和工厂占地成本。人工成本按美国工厂工人平均工资15美元/小时计算，占地面积成本按每年3000美元/平方米计算。折旧成本按设备投资的16.7%和占地面积成本的5%计算。各工序的详细成本明细、产量和能耗见表1和图2，电极涂层干燥、电池成型和老化占总制造成本的48%。

前三大成本中的制造流程:

1.成型老化:32.61%，耗时长，生产效率低，占地面积大

2.涂布/干燥:14.96%，干燥和溶剂回收能耗高

3.电池包装:12.45%，热封或焊接

表1各工序成本、产量和能耗分析

图2锂离子电池制造各工序成本及能耗

产量与制造成本高度相关，更高的生产效率可以节省人工成本和场地租金。表1还列出了每个过程所需的生产时间。卷对卷制造工艺的生产效率超过35m/min。然而，由于其严格的水分控制和微观复杂的化学反应，真空干燥和成型/老化的过程非常耗时。

在中试装置中测量了32Ah锰酸锂/石墨电池的能耗，具体数据见表1和图2。由于长时间加热和废气冷却，能耗最高的过程是干燥和溶剂回收。另一个主要的能耗是车间除湿，它消耗了总能量的29%，主要是因为电池组装过程中的低湿度要求必须控制环境湿度。这些高能耗过程会导致大量温室气体排放，降低锂离子电池的环境友好性。因此，我们应该考虑减少溶剂的用量，甚至避免在电池制造中使用溶剂。同时，提高干燥车间的生产效率，降低保持低水分的能耗比例。

锂离子电池制造的研究进展

根据以往的制造成本分析，一些制造工艺对LIB制造的成本、产量和能耗影响很大。制造过程的技术创新对于降低成本、降低能耗、提高产量至关重要。后面将讨论锂离子电池制造过程中的一些研究进展，主要集中在混合、包覆/干燥、溶剂回收、轧制、切割、成型和老化等方面。

图3 lib制造的研究进展；

混合方法示意图:改进的高速剪切混合机；球磨；超声波混合。

无溶剂涂布法示意图:干压涂布技术；干喷技术；静电涂布法。

创新形成技术:限制电压窗口快速形成方案；脉冲电流形成程序；原子层沉积形成的人工SEI示意图。

1.泥浆混合

混合占总制造成本的7.9%，制备均匀稳定的浆料需要相对较长的时间。目前，工业上普遍采用行星式混合机制备大量浆料。混合技术的优化目标是通过增加产量来降低成本。此外，电极的电化学性能与混合条件和操作过程密切相关，混合的均匀性会影响电极的微观结构和成分分布。搅拌技术的研究主要包括:

混合设备和技术

高速剪切混合机是一项成熟的技术，逐渐应用于电池行业，可以大大提高混合效率和均匀性。HSM搅拌器通常包括外部搅拌装置，如涡轮机。湍流剪应力是HSM破碎颗粒团聚体的主要机制。

球磨也是电池制造中混合干粉和浆料的常用方法。对于干粉混合，颗粒的表面能和粘附力会影响组分的分布。例如，在球磨过程中，钴酸锂、导电碳C65和粘结剂PVDF可能在LCO颗粒之间形成C65和PVDF的附着体，有利于活性物质与电解液之间的Li+交换。如图3A-II所示，球磨可以有效分散团簇，改变颗粒表面形貌。

高浓度混合物

另一种提高电池制造效率的方法是提高浆料的浓度，减少溶剂的用量，这样可以节省材料成本和干燥时间。超声混合可以通过微泡坍缩和微湍流实现高浓度混合。与HSM法相比，无外部搅拌的超声波搅拌耗能更低，特别是对于高浓度浆料的搅拌。

混合顺序的优化

除了混合方式，基于不同材料的研究表明，混合顺序会影响电极性能和电化学性能，对颗粒表面能和内聚力的基础研究有助于理解混合机理，进一步优化混合技术。

2.涂层、干燥和溶剂回收

涂覆和干燥约占总制造成本的20%。常规的涂覆和干燥工艺是从一个辊到另一个辊进行的:将充分混合的浆料泵送到狭缝模具中，并以一定的厚度涂覆在集流体的表面上，然后将涂覆的湿电极输送到干燥箱中以蒸发溶剂。有毒且昂贵的NMP溶剂通过冷凝器回收，然后蒸馏。

水粘合剂

干燥和溶剂回收过程的能耗最高。阳极生产中有机溶剂NMP的蒸发回收是一个高能耗、长时间的过程。替代或避免使用有机溶剂是减少能耗和时间的最有效方法。通过使用水基粘合剂代替有机体系可以避免溶剂回收过程，并且水基粘合剂如纤维素和木质素基聚合物的成本也非常低。然而，大多数阴极材料对水敏感，尤其是层状氧化物阴极。

干电极技术

除了这些常规浆料涂覆技术的改进措施之外，干电极生产工艺是最终解决方案。Maxwell Technologies Inc .开发了无溶剂电极涂层技术，通过挤出充分混合的干粉形成连续的自支撑电极膜。然后，将薄膜层压在箔上，成为最终电极。经过1500次循环，4 mAh/cm2干涂NMC 111/石墨电池的容量保持率可达90%，干涂电极的最大面积负载可达36 mg/cm2。

此外，还有静电喷涂和热压技术来生产无溶剂电极。喷涂的电极被输送到热辊，热辊可以加热和活化粘合剂，从而在颗粒和集电器之间提供足够的粘合强度。干颗粒之间的粘聚/粘附形成特殊的微结构，使活性颗粒表面与电解液接触更多。粘结剂和导电剂形成的交联网络可以增加极片的导电性，降低总电阻，提高电化学性能。

刘等人开发了具有不连续PVDF中间层的干式印刷阳极，以增强电极和集流体之间的结合强度。Sch licke等人结合流化床和静电系统实现了石墨阳极的无溶剂涂覆方法，并比较了不同粘合剂的效果。

涂料干燥工艺的优化

目前，优化干燥方法也是降低成本和时间的有效方法。Jaiser等人发明了三级干燥策略，可以将干燥时间缩短40%。初、终阶段采用高干燥速率，可节省干燥时间，而中间阶段干燥速率低，可防止粘结剂迁移。

为了克服传统空空气对流干燥方法干燥速度慢的问题，其他热源可以显著提高干燥效率

涂覆和干燥是电极制造的关键工序。无溶剂制造已经成为跳过干燥过程和避免使用有机溶剂的有效方法。无溶剂制造的另一个优点是可以制造更厚的电极。尽管大多数无溶剂制造方法都面临着均匀性和规模化的问题，但它们将带来巨大的成本节约和高效率。

3.旋转

轧制是一种工艺过程，它决定了电极的物理性能，增加了电极和集流体之间的结合强度。这种工艺制造成本低，是一种成熟的技术。新的轧制工艺研究较少，但轧制工艺参数及其对电池性能的影响不容忽视。

4.切割

剥离是卷对卷操作的过程，占总成本的3.09%，生产效率高。但是，毛刺和浮渣等边缘缺陷可能会穿透隔膜并导致短路。

激光切割是一种广泛应用的高柔性成形技术。激光切割可以使边缘干净，变形小，切割宽度和效率可以通过激光功率和扫描速度来控制。红外光纤激光器在阴极和阳极上的切割速度可达30 m/min，功率仅为54 W。绿色激光可以将间隙宽度限制在20μm以下，从而降低短路的可能性。但除了边缘质量外，电极表面激光切割产生的金属飞溅可能会造成电流密度不均匀，导致锂枝晶生长，这也是内部短路的根源。

5.真的空干

True 空干燥是必不可少的过程，需要大量的精力和时间。残留的水分与电解液的锂盐LiPF6反应生成氟化氢气体，会破坏活性粒子，造成安全隐患，而这些副反应也会导致电化学性能的下降。

6.焊接

焊接占总制造成本的7.34%，消耗总能量的2%左右。先进的焊接技术高度自动化。然而，潜在的焊接故障可能导致严重的安全问题，例如焊接不良导致电阻增加，导致电池，特别是汽车动力电池的工作温度更高，这可能导致连接电阻和温度的变化，热膨胀甚至热疲劳，并损坏接线片的焊接接头。电动汽车通常以大电流充电。高电阻不仅会造成能量损失，还会产生大量热量，导致电池退化甚至热失控。

激光焊接的接触电阻最低，抗拉强度最高。然而，当连接不同的和高反射材料时，激光焊接的应用受到限制。特斯拉最近发布了一款采用tabless技术的新型4680电池，其中电极的未涂覆集电器边缘充当“拉环”，并连接到专门设计的多触点外壳底部。增加的接触面积可以显著降低电池电阻和充电/放电电流产生的热量。节省电极片和更大的电池尺寸也导致能量密度增加16%。

由于整个制造过程成本低、能耗低，目前对电池焊接技术的研究主要集中在评估现有的焊接方法上，而不是开发新的焊接方法。

7.形成和老化

在形成和老化过程中，电解液分解，在石墨阳极表面形成SEI层。如果形成电流或温度过高，多孔疏松的SEI层不会阻止电解液与阳极表面接触，电解液会不断分解，消耗电解液和阳极中有限的锂，导致容量下降。一个致密稳定的SEI层通常需要多次低倍率充放电循环才能形成，缓慢的形成过程会大大增加投资成本，消耗更多的劳动力和空资源。成型和老化过程占总制造成本的32%，可能需要长达3周的时间才能完成。电池行业渴望在不降低电池性能的情况下加快成型过程。

减少形成时间最直接的方法是提高形成速率。然而，大电流的形成可能会导致锂因极化而沉淀在石墨表面，造成安全隐患。

形成方法的优化

为了节省成本，减小地层电压窗口和增加地层电流可能是可行的。Lee等人提出将截止电压从4.2 V降低到3.7 V，可以将LCO/石墨电池的形成时间缩短一半。通过比较不同截止电压下电池的循环性能，发现SEI的形成大多在3.7 V之前完成..电化学性能表明，快速成型电池的循环稳定性和库仑效率与对照组无显著差异。相反，Wood等发现SEI层的主要形成发生在高电荷态范围，高SOC下形成的SEI更加致密稳定。因此，如图3所示，在3.9至4.2 V之间重复高SOC充电和放电可以以更短的形成时间实现稳定的SEI，而不影响电化学性能。

除了直流电的形成策略外，以特定频率充电的脉冲电流可以缩短静态时间，消除电解质/阳极界面的浓差极化。当用脉冲电流充电时，可以在形成过程中采用更高的充电速率，从而减少形成时间。此外，脉冲电流充电策略还可以缓解容量衰减，抑制发热。然而，脉冲电流和频率需要针对不同的电池系统进行设计。不合适的脉冲电流参数会导致容量降低，甚至损坏电池。

人造SEI膜

人工SEI层是一种不考虑SEI层成分复杂、形成机理不明确的加速形成过程的潜在解决方案。致密稳定的人工SEI层可以替代电化学形成的SEI，以更高的速率运行。例如，王等人采用原子层沉积法在石墨表面沉积二氧化钛薄膜，人工SEI层表现出较好的电化学和热稳定性。然而，人工SEI层通常会带来额外的成本，难以应用于大规模生产。

结论

成型和老化、包覆、干燥和包装是锂离子电池的前三大制造成本。成型和老化，真空干燥和混合在生产时间中所占比例最大；干燥和溶剂回收以及除湿是最大的能耗。这些工艺的改进对LIB的制造成本影响很大。

介绍和研究其他制造领域的混合技术，为锂电池行业制备浆料提供更多选择。此外，对混合物中混合顺序和颗粒行为的基础研究可以为提高混合均匀性和效率提供依据。

涂层和干燥技术的研究很多。无溶剂涂布技术可以消除耗时耗力的干燥步骤。目前干法涂装技术可达到中试规模，具有产业化潜力。

关于形成和衰老的研究很少。目前，迫切需要改进成型和老化技术。减小形成周期的电压范围可以有效减少形成时间。然而，关于形成电压窗口的研究结果仍有争议，SEI的形成机制和组成仍不清楚。人工SEI涂层技术目前还处于实验室规模，由于成本原因，难以实现规模化。由于SEI的主要成分是电解质的分解产物，因此对电解质体系的研究有助于在较短的形成时间内形成稳定的SEI层。高浓度电解质可实现稳定的阴离子衍生SEI层。然而，其高成本和高粘度使其不切实际。弱溶剂化电解质形成富含无机物的阴离子衍生SEI层。因此，研究新的电解质体系可以减少形成时间，同时提高电化学性能。

参考

刘晔，张若，王军，等。锂离子电池制造的现状与未来。iScience，2021，24:102332。

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