据外媒报道，弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT，Fraunhofer ILT）正在开发激光工艺，以实现固态电池的工业化生产。该研究所表示，这项技术有望克服固态电池制造过程中的关键难题。研究内容涵盖固体电解质的激光烧结、界面结构化以及锂金属箔的切割。

图片来源： Fraunhofer ILT

锂离子电池是目前电能存储的标准——从消费电子产品和电动汽车到固定式储能系统——近年来发展迅猛。

然而，这项技术正接近其物理极限。能量密度增长缓慢，由于采用液态电解质，安全性仍然有限，而且对镍、锰或钴等关键原材料的依赖性问题尚未解决。因此，固态电池被视为下一代电化学储能技术。它们有望凭借锂金属负极实现更高的能量密度，凭借固态电解质实现更高的安全性和更宽的温度窗口，并在电池设计方面带来新的自由度。

但固态电池尚未达到工业化成熟。锂金属和含硫化物电解质等材料需要新的工艺策略，而且生产制造需要投资于专用干燥室或惰性气体环境。激光技术可以发挥决定性作用，例如通过选择性烧结固态电解质、定向构建界面结构以及非接触式切割延展性金属。因此，它有可能成为从实验室电池到工业固态电池的关键技术。

固态电池的潜力和应用

目前，众多制造商正在推进固态电池的研发。丰田、比亚迪、三星SDI和蜂巢能源等亚洲公司已公布了计划，拟于2027年开始试生产。梅赛德斯-奔驰和Stellantis等欧洲汽车制造商也在与合作伙伴测试初步的半固态电池概念，而日产已在横滨建设一座试点工厂。这些活动表明，这项技术正日益走出实验室，走向工业化应用。

“固态电池的关键优势在于其固有的安全性，”Fraunhofer ILT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引发火灾的风险。此外，许多固态电解质具有很高的机械稳定性，可以抑制锂枝晶的形成，而锂枝晶是传统电池内部短路的主要原因。”

除了安全性之外，更高的能量密度是主要驱动力。比容量高达3860 mAh g⁻¹的锂金属负极远胜于石墨负极。结合薄型固态电解质，这在续航里程和重量方面都具有优势，而这对于电动汽车和航空领域至关重要。

首批应用领域正在涌现，这些领域对安全性和性能要求极高：例如航空航天、赛车运动、医疗技术和高安全性数据存储。在这些领域，更高的能量密度足以弥补复杂的制造工艺。

就目前而言，固态电池在大众市场的经济竞争力仍然有限。生产基础设施仍在建设中，而现有的锂离子电池系统也在同步发展。

“在可预见的未来，固态电池将与传统的锂离子电池并存，并将主要服务于汽车行业中一些要求特别高的应用，例如豪华车市场，”Stoyanov说道。

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制造挑战

固态电池的潜力固然巨大，但其工业化应用也面临着诸多挑战。锂金属负极的处理尤其困难：尽管锂金属因其极高的比容量而备受青睐，但其加工过程却极其敏感。它极易与氧气和水分发生反应，容易形成钝化层，并且在机械应力作用下会发生自燃。传统的切割或轧制工艺很快就会达到其极限。

固态电解质方面也存在着根本性的难题。例如，锆酸锂镧（LLZO）等氧化物陶瓷材料必须在约1200℃的温度下烧结。这通常会导致锂的损失和二次相的生成，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，因为它会导致昂贵的原材料无法利用。虽然所谓的牺牲粉末可以部分弥补这些影响，但该工艺仍然十分复杂，并且对哪怕最微小的波动都非常敏感。

“另一个瓶颈在于电解液和阳极之间的界面。高过渡电阻会降低电池性能，并增加锂沉积和剥离过程中出现不均匀性的风险。掌握这种界面化学是制造稳定长寿命电池的基础，” Fraunhofer ILT高温功能化小组的Florian Ribbeck解释道。

除了这些材料相关的因素外，生产条件本身也构成了一项重大挑战。固态电池的生产需要全程在惰性气体或干燥室环境下进行，这需要对基础设施进行大量投资。初步分析表明，在工业化生产初期，废品率可能高达30%，导致每天数百万的损失。

即使是成熟的锂离子电池生产线，高废品率仍然是一个棘手的问题。固态电池的情况更为严重，因为目前还没有针对这些尚未标准化的材料的闭环回收途径。因此，每一个有缺陷的原型不仅意味着经济损失，还意味着宝贵原材料的浪费。 “基于激光的工艺可以帮助提高工艺稳定性，并从一开始就避免浪费，”Ribbeck表示。

固体电解质的激光烧结

Fraunhofer ILT的一项研究方向是加工氧化物陶瓷固体电解质，例如LLZO。这种材料被认为极具应用前景，因为与锂金属负极相比，它具有更高的电化学稳定性，并且比含硫化物电解质对环境条件的反应性更低。

“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一种局部受限且高度动态的能量源，以定向的方式致密化LLZO层，”Florian Ribbeck 解释道。“其优势在于快速加热与可控冷却相结合。这可以减少锂的损失，并避免电池组件内部出现温度不匹配的问题。”

初步实验表明，LLZO层能够均匀致密化，但开裂和分层仍然是关键的研究课题。除了LLZO之外，研究人员还在研究NASICON型电解质，例如磷酸铝钛锂（LATP），它们具有类似的工艺要求，但稳定性窗口不同。

激光结构化技术改善界面

除了电解质层的致密化之外，锂金属负极与电解质层的界面质量对固态电池的性能至关重要。“此处通常存在较高的过渡电阻，这会限制电化学行为，” Fraunhofer ILT表面结构化研究组的Tim Rörig解释道，“此外，陶瓷表面的低润湿性也使得锂的均匀沉积变得困难。”

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因此，Rörig和Ribbeck正在研究如何通过定向激光结构化来优化界面。他们利用飞秒级的超短激光脉冲，在固体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，从而有可能降低界面阻抗。“我们已经证明，可以生成尺寸约为30微米的可重复结构，”Rörig解释道。

然而，目前的研究结果也凸显了相互作用的复杂性。虽然结构化表面在个别情况下表现出更好的润湿性，但电池的整体电阻有时却有所增加。研究人员推测，晶体结构的变化和工艺相关的缺陷都对此有所影响。

目前，研究人员正利用拉曼光谱和其他分析方法，对激光加工后晶格的结构变化进行表征。同时，他们也在研究定向锂沉积技术以更好地控制接触，以及所谓的“无阳极电池”的概念，在这种电池中，锂仅在首次充电过程中沉积。

锂金属电极的激光切割

Fraunhofer ILT的另一项重点研究方向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量密度电池的关键组件，但它对制造技术提出了相当大的挑战，”Stoyan Stoyanov表示。“这种材料质地柔软、粘附性强且反应活性极高。传统的机械加工工艺，例如旋转刀具或冲压，很容易导致材料涂抹、刀具粘连以及切割边缘不均匀。”此外，机械加工只能实现线性切割，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。作为一种非接触式、无磨损的工艺，它能够实现精确切割并允许灵活的轮廓。

然而，无论是机械加工还是激光加工，都必须在密封的惰性气体或干燥室环境中进行。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。Stoyanov解释说：“氩气特别合适，因为它能防止氧化，从而形成均匀的边缘，但价格昂贵。氮气便宜得多，但会导致氮化锂的生成。而含水气氛则会促进氧化物和氢氧化物的生成。”这些反应产物会增加工艺的能量需求，并且还会损害电极的电化学性能。

目前，研究人员正在探索更具成本效益的工艺气氛和更有效地控制锂表面反应。“这些方法仍处于早期阶段。因此，在我们的实验室演示装置中，我们使用露点低于-70°C的纯氩气，尽管其他气氛在技术上也是可行的。”

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。这些会损害表面质量，并导致后续电池复合材料出现缺陷。因此，Stoyanov及其团队正在开发工艺策略，以有针对性地控制烧蚀并有效地消除排放物。

脉冲持续时间在皮秒范围内的超短脉冲激光器是获得高质量切割边缘的一种选择，这种切割边缘不会形成明显的毛刺，并且热影响区最小。该团队还在研究一些技术上更容易集成且经济效益更高的方案，例如使用纳秒激光器，这种激光器能够在较低的投资成本下实现可接受的切割质量。与此同时，研究人员正在研究将激光工艺集成到可扩展的生产环境中的概念，例如借助可以有针对性地用惰性气体冲洗的紧凑型微型环境。

迈向工业化应用

固态电池从实验室走向工业化生产，不仅需要新型材料，更重要的是需要稳健可靠的工艺流程。锂离子电池的生产提供了一个宝贵的参考。从电极生产、电池组装到最终加工，许多工艺步骤在原理上都与锂离子电池类似，尽管固态电池的要求要高得多。

激光技术在锂离子电池生产中已相当成熟。例如，激光切割（即对电极箔进行精确的纵向切割）、激光干燥（用于快速高效地去除溶剂）以及激光开槽（用于集流体）。这些经验中的许多都可以应用于固态电池。然而，对精度、纯度和材料稳定性的要求正在显著提高：即使是最小的颗粒、缺陷或化学变化也会影响电池的功能。

“这就是激光工艺日益重要的原因，”Stoyanov认为。“其非接触式、选择性的能量输入能够实现高精度加工，并可集成到干燥室或微型环境等受保护环境中。这使得激光成为一种能够满足材料要求并兼顾严格环境条件的工具。”

如此一来，实验室开发的工艺链便可转化为工业应用。在目前高废品率和长启动时间仍然普遍存在的领域，基于激光的工艺可以为确保固态电池的可扩展性和成本效益做出决定性贡献。

Fraunhofer ILT的定位

Fraunhofer ILT将其核心能力整合于固态电池的整个价值链中。其重点在于对材料开发和后续产业化至关重要的激光制造工艺。这些工艺包括固体电解质的激光烧结、用于优化界面的激光结构化、锂金属箔的激光切割，以及电池复合材料的接触和集成工艺。

一个研究小组致力于研究新型电解质和负极材料的性能和局限性，而另一个团队则致力于开发稳健且可扩展的工艺来处理这些材料。“这种双重视角使我们能够在早期阶段就搭建起实验室验证与工业化应用之间的桥梁，”Ribbeck总结道。

尽管如此，固态电池短期内不会取代现有的锂离子电池，即便它们为那些对安全性和能量密度要求极高的应用领域开辟了新的前景。“航空航天、医疗技术、高性能汽车，以及数据中心和医院的不间断电源（UPS）等应用，都体现了固态电解质的优势，足以抵消其额外的成本，”Stoyan Stoyanov表示。从中长期来看，生产成本的下降也可能为固态电池进入更广阔的市场铺平道路。

这为欧洲带来了一个特殊的机遇。虽然锂离子电池的大众市场主要由亚洲制造商主导，但在固态电池技术领域，目前尚未形成成熟的产业垄断。企业和研究机构可以尽早占据市场先机，参与制定行业标准，并构建新的价值链。