終結(jié)高溫痛點(diǎn)：冷燒結(jié)技術(shù)如何加速固態(tài)電池量產(chǎn)進(jìn)程？

時(shí)間：2026/2/3閱讀：132

近期，固態(tài)電池技術(shù)領(lǐng)域迎來(lái)雙重利好，標(biāo)志著其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程進(jìn)入關(guān)鍵加速期。

一方面，近期在武漢召開(kāi)的第二十三次電化學(xué)大會(huì)再次凸顯了固態(tài)電池作為下一代高安全、高能量密度儲(chǔ)能體系的核心戰(zhàn)略地位，持續(xù)聚焦技術(shù)攻堅(jiān)。另一方面，國(guó)家層面也為產(chǎn)業(yè)化提供了明確的政策導(dǎo)向。工業(yè)和信息化部此前印發(fā)通知，部署加快制造業(yè)中試平臺(tái)體系化建設(shè)，目標(biāo)直指解決新型電池從原型樣件到規(guī)模化制造的轉(zhuǎn)化瓶頸。政策明確將“全固態(tài)電池、關(guān)鍵電池材料”以及“固態(tài)電池電解質(zhì)材料”列為中試平臺(tái)重點(diǎn)支持方向，賦予了固態(tài)電池技術(shù)國(guó)家層面的戰(zhàn)略意義。

這一系列部署表明，固態(tài)電池的競(jìng)爭(zhēng)已全面轉(zhuǎn)向中試驗(yàn)證與制造工藝的優(yōu)化。然而，在主流氧化物固態(tài)電解質(zhì)的產(chǎn)業(yè)化路徑中，高溫?zé)Y(jié)工藝帶來(lái)的鋰元素?fù)]發(fā)、二次相生成、高能耗及制造成本高昂等問(wèn)題，一直是制約其規(guī)模化應(yīng)用的核心痛點(diǎn)。

鑒于此，本期內(nèi)容將聚焦在國(guó)家政策支持中試轉(zhuǎn)化的背景下，一項(xiàng)具備潛力的制造技術(shù)——冷燒結(jié)技術(shù)（Cold Sintering Technology, CSP）。該技術(shù)通過(guò)其獨(dú)特的“溶解-沉淀”機(jī)制，能將致密化溫度降至室溫至350℃的極低范圍，有效規(guī)避了高溫帶來(lái)的材料降解和成本問(wèn)題。冷燒結(jié)技術(shù)憑借其低溫致密化能力和優(yōu)異的固-固界面集成潛力，正成為破解氧化物固態(tài)電解質(zhì)產(chǎn)業(yè)化瓶頸，實(shí)現(xiàn)高安全、高密度、低成本量產(chǎn)的關(guān)鍵制造工藝創(chuàng)新

Part.01

低溫致密化丨固態(tài)電解質(zhì)工藝創(chuàng)新趨勢(shì)

在氧化物固態(tài)電解質(zhì)的制備中，實(shí)現(xiàn)材料的高密度化和低成本制造是關(guān)鍵挑戰(zhàn)。低溫致密化燒結(jié)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其核心在于結(jié)合不同的外場(chǎng)作用來(lái)驅(qū)動(dòng)材料致密化，從而避免傳統(tǒng)高溫?zé)Y(jié)帶來(lái)的材料降解和高能耗問(wèn)題。

當(dāng)前主要的低溫致密化技術(shù)包括：

終結(jié)高溫痛點(diǎn)：冷燒結(jié)技術(shù)如何加速固態(tài)電池量產(chǎn)進(jìn)程？

在這些技術(shù)中，冷燒結(jié)技術(shù)（CSP）因其操作相對(duì)簡(jiǎn)便、設(shè)備要求低以及能實(shí)現(xiàn)極限低溫?zé)Y(jié)的優(yōu)勢(shì)，受到了固態(tài)電池領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。

Part.02

冷燒結(jié)技術(shù)（CSP）的機(jī)理與發(fā)展

1.發(fā)展歷程

冷燒結(jié)技術(shù)早在 1970年代已有萌芽。直到 2016年，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的 Clive Randall 教授團(tuán)隊(duì)正式命名了 CSP 工藝，并系統(tǒng)提出了其核心的“溶解-沉淀”機(jī)制。他們成功在 300℃以下的溫度和單軸壓力下，制備出高致密度的陶瓷材料（圖1 ：冷燒結(jié)技術(shù)發(fā)展歷程）。

2.核心致密化機(jī)理

冷燒結(jié)的致密化過(guò)程通常分為兩個(gè)階段（圖 2）：

圖2 冷燒結(jié)的致密化機(jī)理示意圖

Angewandte Chemie International Edition, 2016, 55(38): 11457.

一階段（加壓與潤(rùn)濕）：在室溫加壓過(guò)程中，陶瓷粉體在瞬態(tài)液相作用下均勻潤(rùn)濕，顆粒表面形成液膜。液膜充當(dāng)潤(rùn)滑劑，加速顆粒的局部溶解、重排和滑移，提高壓實(shí)密度。

第二階段（加熱與致密化）： 在恒定壓力下加熱并保溫，這是致密化的關(guān)鍵。主要機(jī)制包括：

溶解-沉淀：對(duì)于水溶性好的陶瓷粉體，顆粒溶解后，通過(guò)溶液傳輸在顆粒接觸點(diǎn)或孔隙處沉淀，實(shí)現(xiàn)致密化和晶粒生長(zhǎng)。

塑性變形： 通過(guò)黏性流動(dòng)或位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，在壓力和低溫?zé)峄罨掳l(fā)生塑性變形，填充孔隙。

圖3 冷燒結(jié)過(guò)程的圖解、光熱發(fā)電的燒結(jié)機(jī)理與基于阻抗分析的致密化動(dòng)力學(xué)解釋

此外，研究人員也可通過(guò)阻抗分析等手段，對(duì)冷燒結(jié)過(guò)程中的致密化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行深入解析。

Part.03

CSP在固態(tài)電池中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與實(shí)例

1.性能對(duì)比與材料優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)高溫?zé)Y(jié)（HTS）相比，CSP在制備 NASICON型氧化物電解質(zhì)（如 LATP）時(shí)優(yōu)勢(shì)顯著（圖 4）。

圖4 CSP與HTS方法燒結(jié)球團(tuán)對(duì)比

高致密度與低收縮：采用 CSP750-LATP（冷燒結(jié)后 750℃退火）的球團(tuán)致密化程度高達(dá) 99.6%，遠(yuǎn)高于 HTS-LATP的95.5%，且徑向收縮更小，有利于制備更大尺寸的陶瓷電解質(zhì)。
抑制副反應(yīng)：CSP結(jié)合后退火的方法，退火溫度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)燒結(jié)，能夠很大程度地避免鋰的揮發(fā)和二次相的產(chǎn)生，獲得更高的鋰離子電導(dǎo)率（圖 5）。

圖5 CSP和后退火實(shí)現(xiàn)了致密化LATP陶瓷球團(tuán)Schematic diagram of preparing LATP ceramic pellets through CSP-Post annealing method.

2.實(shí)際應(yīng)用與電化學(xué)性能

研究表明，采用冷燒結(jié)技術(shù)制備的氧化物固態(tài)電解質(zhì)及全固態(tài)電池展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。

圖6 冷燒結(jié)技術(shù)制備的氧化物固態(tài)電解質(zhì)及全固態(tài)電池的電化學(xué)性

它們不僅可在室溫下實(shí)現(xiàn)高容量，而且具備高倍率性能，優(yōu)于多數(shù)采用 LLZO 型電解質(zhì)的固態(tài)電池（ASSB），具有實(shí)際應(yīng)用前景。

表： CSP冷燒結(jié)技術(shù)在固態(tài)電池中的應(yīng)用分布

Part.04

產(chǎn)業(yè)化核心挑戰(zhàn)與未來(lái)展望

目前，冷燒結(jié)工藝處于中試探索階段，賓夕法尼亞州立大學(xué)是該技術(shù)研發(fā)的核心推動(dòng)者。雖然技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，但走向大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化仍面臨以下挑戰(zhàn)：

工藝成熟度與設(shè)備瓶頸：

當(dāng)前工藝多限于實(shí)驗(yàn)室小尺寸，缺乏適用于連續(xù)、大規(guī)模生產(chǎn)的工業(yè)級(jí)裝備
所需的較高工藝壓力（如 ≥300Mpa）對(duì)設(shè)備成本和耐久性提出了高要求，是制約其普及的關(guān)鍵因素。

材料體系的普適性：

CSP高度依賴瞬態(tài)液相的選擇。成功的案例主要集中在 NASICON型氧化物（如 LATP）。
開(kāi)發(fā)適用于石榴石型 (LLZO)、以及硫化物、鹵化物等更廣泛固態(tài)電解質(zhì)體系的通用冷燒結(jié)工藝配方，是擴(kuò)大其應(yīng)用范圍的前提。

成本與性能的平衡：

盡管低溫?zé)Y(jié)節(jié)省能耗，但高壓設(shè)備投入、溶劑處理及后續(xù)退火等環(huán)節(jié)可能會(huì)增加整體制造成本。
復(fù)合電解質(zhì)中聚合物相的長(zhǎng)期穩(wěn)定性以及與金屬鋰負(fù)極的兼容性等長(zhǎng)期循環(huán)性能，仍需大量驗(yàn)證。