如何有效降低固态电池的生产成本？可以从这些地方着手！
来源：宝鄂实业
2019-04-25 09:11
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下图为作者根据上面的分析设计的两种可行的氧化物固态电池的生产流程，其中下图a为正极支撑型，首先将正极材料、固态电解质、粘结剂、添加剂和溶剂等混合浆料涂布在集流体上，干燥后进行激光切割，然后进行低温焙烧，然后再次进行激光整形，然后采用喷雾沉积方法在电极表面沉积一层固态电解质层，然后在中等温度下进行烧结（600℃），制备好的极片与金属锂负极组合后就可以制备成为全固态电池，这种方法的优势是不需要采用高温，因此避免了副反应的发生，同时正极和电解质层可以采用不同的固态电解质类型，以充分发挥他们的优势，该方法主要的不成熟环节为喷雾沉积法工艺。
下图b则展示了三层复合结构固态电解质层电池的制备工艺，首先进行多孔结构电解质层的制备，然后再涂布一层高密度电解质层，高温烧结后在多孔层一侧涂布正极浆料，使其深入到多孔结构中，然后进行低温烧结，确保正极材料与电解质之间良好的离子电导率，最后将融化的金属Li涂布在固态电解质的另外一侧完成电池的组装。
影响动力电池应用的另一大因素就是其生产成本，虽然目前固态电池多数还停留在实验室阶段，成本估计还缺少有效数据，但是我们可以通过与其接近的SOFC燃料电池进行估算（如下图所示），下图a为SOFC电池的生产成本，包括人工和烧结在内的加工成本占到了75%，而材料成本仅为25%。由于三层复合电解质层固态电池的生产过程与SOFC电池接近，因此我们可以采用SOFC数据对其成本进行预测，目前全固态电池的材料成本主要受到氧化物固态电解质LLZ的控制，目前LLZ的价格高达2000$/kg，但是随着固态电池技术的发展，因此LLZ的成本会发生大幅的下降，这里可以假设LLZ最低成本能够降低到50$/kg，因此在电池结构相近的情况下，正极LNMO厚度为70um时，单个电池的成本为0.12$，如果降低正极的厚度提高到150um，则单个电池成本会提高到0.23$。
由于固态电池的生产成本中大多数为生产过程成本，因此扩大生产规模能够有效的降低电池的成本，从下图b能够看到在小规模生产（10000只/年）时生产过程成本会达到750-2500$/kWh，但是如果产能扩大到1亿只/年（10-20GWh/年），则生产过程成本会大幅下降到75-240$/kWh，因此最终全固态电池的成本有望下降到140-350Wh/kg。但是即便如此，生产过程成本仍然占比超过50%，相比于锂离子电池（过程成本仅为20-30%）仍然明显偏高。
材料成本仍然对于固态电池有重要的影响，从下图c能够看到如果LLZ电解质的成本下降到20$/kg，则采用LNMO正极时电池的成本能够降低到180-310$/kWh，如果采用高镍NMC则成本有望进一步下降到120-210$/kWh，而全固态电池最终目标150$/kWh，还需要进行大量的优化工作。氧化物固态电解质电导率高，环境稳定性好，是固态电池电解质的最佳选择之一，但是固态电解质硬度大，加工性能较差，因此设计合适的生产工艺就显得更为重要，同时现阶段由于固态电池的生产成本还比较高，后续通过原材料成本下降和规模效应能够有效的降低的固态电池的生产成本，有望降低到150$/kWh。
下图b则展示了三层复合结构固态电解质层电池的制备工艺，首先进行多孔结构电解质层的制备，然后再涂布一层高密度电解质层，高温烧结后在多孔层一侧涂布正极浆料，使其深入到多孔结构中，然后进行低温烧结，确保正极材料与电解质之间良好的离子电导率，最后将融化的金属Li涂布在固态电解质的另外一侧完成电池的组装。
影响动力电池应用的另一大因素就是其生产成本，虽然目前固态电池多数还停留在实验室阶段，成本估计还缺少有效数据，但是我们可以通过与其接近的SOFC燃料电池进行估算（如下图所示），下图a为SOFC电池的生产成本，包括人工和烧结在内的加工成本占到了75%，而材料成本仅为25%。由于三层复合电解质层固态电池的生产过程与SOFC电池接近，因此我们可以采用SOFC数据对其成本进行预测，目前全固态电池的材料成本主要受到氧化物固态电解质LLZ的控制，目前LLZ的价格高达2000$/kg，但是随着固态电池技术的发展，因此LLZ的成本会发生大幅的下降，这里可以假设LLZ最低成本能够降低到50$/kg，因此在电池结构相近的情况下，正极LNMO厚度为70um时，单个电池的成本为0.12$，如果降低正极的厚度提高到150um，则单个电池成本会提高到0.23$。
由于固态电池的生产成本中大多数为生产过程成本，因此扩大生产规模能够有效的降低电池的成本，从下图b能够看到在小规模生产（10000只/年）时生产过程成本会达到750-2500$/kWh，但是如果产能扩大到1亿只/年（10-20GWh/年），则生产过程成本会大幅下降到75-240$/kWh，因此最终全固态电池的成本有望下降到140-350Wh/kg。但是即便如此，生产过程成本仍然占比超过50%，相比于锂离子电池（过程成本仅为20-30%）仍然明显偏高。
材料成本仍然对于固态电池有重要的影响，从下图c能够看到如果LLZ电解质的成本下降到20$/kg，则采用LNMO正极时电池的成本能够降低到180-310$/kWh，如果采用高镍NMC则成本有望进一步下降到120-210$/kWh，而全固态电池最终目标150$/kWh，还需要进行大量的优化工作。氧化物固态电解质电导率高，环境稳定性好，是固态电池电解质的最佳选择之一，但是固态电解质硬度大，加工性能较差，因此设计合适的生产工艺就显得更为重要，同时现阶段由于固态电池的生产成本还比较高，后续通过原材料成本下降和规模效应能够有效的降低的固态电池的生产成本，有望降低到150$/kWh。
