消息
锂离子电池已成为现代社会的主要储能解决方案之一。锂离子电池的应用领域和市场份额迅速增加，并继续呈现稳步上升的趋势。锂离子电池材料研究取得了巨大成就。许多创新材料已被业界采用并商业化。然而，锂离子电池制造方面的研究却落后了。许多电池研究人员可能不确切知道锂离子电池是如何制造的，以及不同的步骤如何影响成本、能耗和产量，这阻碍了电池制造的创新。在这篇前瞻性论文中，我们介绍了最先进的制造技术，并根据生产过程分析了成本、产量和能耗。然后，我们回顾了锂离子电池制造中高成本、能耗和时间需求步骤的研究进展。最后，我们分享了对锂离子电池制造挑战的看法，并提出了锂离子电池制造研究未来的发展方向。
主题领域
介绍
锂离子电池 (LIB) 因其高能量密度、高功率密度和长循环寿命而被广泛应用于便携式电子设备、电动汽车和电网储能领域。自从 20 世纪 70 年代 Whittingham 发现插层电极、20 世纪 80 年代和 90 年代 Goodenough 等人开发出一些关键的正极材料（层状、尖晶石和聚阴离子）以及 Yoshino 使用 LiCoO 2作为正极、碳/石墨作为负极创建出第一个安全、可生产的 LIB 以来，LIB 在成本、能量密度、功率密度、安全性和循环寿命方面取得了很大进展（Whittingham，1976 年；Mizushima 等人，1980 年；Thackeray 等人，1983 年；Padhi 等人，1997 年）。例如，LIB 的成本已从 2000 年初的 1,000 多美元/千瓦时降至目前的约 200 美元/千瓦时。同时，LIB 的比能量密度在过去几十年中已从 150 Wh/kg 增加到约 300 Wh/kg。尽管除了 LIB 之外，固态电池 (SSB)、钠离子电池、锂硫电池、锂空气电池和多价电池也已提出和开发，但 LIB 很可能仍将在未来至少 10 年内占据市场主导地位。
目前，大多数关于锂离子电池的研究都集中在各种活性电极材料和适用于高截止电压应用的电解质上，尤其是富镍和/或无钴正极材料和硅或锂金属负极材料及其相关电解质。尽管制造成本约占锂离子电池成本的 25% (Kwade et al., 2018)，但锂离子电池制造方面的进展却落后，没有取得太大进展。目前，锂离子电池的制造仍需要经过浆料混合、涂覆、干燥、压延、分切、真空干燥、果冻卷制造（软包电池堆叠，圆柱形和方形电池卷绕）、焊接、封装、电解质填充、化成和老化，这是一个工业界正在采用的多阶段工艺。
在这篇前瞻性论文中，我们首先评估了当前制造过程的每个步骤，并分析了它们对整个 LIB 生产的成本、能耗和产量影响。然后，我们总结了 LIB 制造的最新进展以及这些新技术面临的挑战和潜在影响。最后，我们对未来的 LIB 制造提出了自己的看法。我们希望这样的论文有助于促进学术界和工业界之间的更多合作，最终目标是解决 LIB 制造的一些关键问题，最终可能提高生产效率并降低 LIB 的成本和能耗。
当前 LIB 的制造工艺
LIB 行业最初确立了消费电子电池的制造方法，大多数成熟技术已转移到当前最先进的电池生产中。尽管 LIB 制造商的电池设计各不相同，包括圆柱形（例如松下为特斯拉设计的电池）、软包（例如 LG Chem、A123 Systems 和 SK innovation）和方形（例如三星 SDI 和 CATL），但电池制造工艺非常相似。
图 1 介绍了当前最先进的电池制造工艺，包括三个主要部分：电极制备、电池组装和电池电化学活化。首先，将活性材料 (AM)、导电添加剂和粘合剂与溶剂混合形成均匀的浆料。对于正极，通常使用 N-甲基吡咯烷酮 (NMP) 溶解粘合剂聚偏氟乙烯 (PVDF)，对于负极，将苯乙烯-丁二烯橡胶 (SBR) 粘合剂与羧甲基纤维素 (CMC) 一起溶解在水中。然后将浆料泵入狭缝模头，涂在集电器的两侧（正极为铝箔，负极为铜箔），然后输送到干燥设备以蒸发溶剂。用于正极浆料的常见有机溶剂 (NMP) 有毒，并且有严格的排放规定。因此，在干燥过程中，正极生产需要溶剂回收过程，回收的 NMP 可在电池制造中重新使用，损失率为 20%-30%（Ahmed 等人，2016 年）。对于水基阳极浆料，无害蒸汽可直接排放到周围环境中。接下来的压延工艺可以帮助调整电极的物理特性（粘合性、导电性、密度、孔隙率等）。经过所有这些工艺后，成品电极将被冲压并切割成所需尺寸，以适应电池设计。然后将电极送入真空炉以去除多余的水分。干燥后将检查电极的水分含量，以确保电池中的副反应和腐蚀最小化。
图 1. LIB 制造流程示意图
电极准备好后，与干燥的隔膜一起送入干燥室进行电池生产。电极和隔膜逐层卷绕或堆叠，形成电池的内部结构。铝和铜极耳分别焊接在阴极和阳极集电器上。最常见的焊接方法是超声波焊接，一些制造商可能会选择电阻焊接进行电池设计。然后将电池堆转移到设计好的外壳中，目前外壳没有一致的标准。每个制造商根据电池的用途都有自己的偏好。在最终密封之前，外壳中充满电解液，完成电池生产。
在将电池交付给最终产品制造商之前，需要对这些电池进行电化学活化步骤以确保运行稳定性。稳定的固体电解质界面 (SEI) 层可以防止电解质的不可逆消耗，并保护阳极在快速充电过程中免受过电位的影响，这会导致形成锂枝晶 (Li et al., 2019)。化成和老化过程从将电池充电至相对较低的电压（例如 1.5V）开始，以保护铜集流体免受腐蚀，然后休息一段时间以润湿电解质。电池在低速率（例如 C/20）下充电/放电，然后逐渐增加速率以确保阳极表面有稳定的 SEI 层 (Wood et al., 2019)。出于安全考虑，需要排出化成过程中产生的气体。在化成周期之后或期间，将电池存放在老化架上以完成电解质润湿和 SEI 稳定。在电池最终密封以供将来使用之前，还安排了另一个脱气步骤。根据化成协议和老化温度，此步骤通常持续数周。
估算这些制造步骤的成本、产量和能耗对于确定最需要研究和创新的步骤至关重要。因此，可以将更多的研究工作集中在这些主题上。表 1和图 2 A 显示了阿贡国家实验室的 BatPac 模型计算的制造成本明细。该模型基于 67 Ah LiNi 0.6 Mn 0.2 Co 0.2 O 2 (NMC622)/石墨电池、年产 100,000 个电动汽车电池组工厂（ Nelson 等人，2019 年）。电极涂层、干燥、电池形成和老化占整个制造成本的 48%。这些高资本投入和劳动密集型流程是最迫切需要研究的领域。如果实验室创新可以转移到这些制造工艺中，成本节约将是巨大的。
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