基于激光选区烧结和飞秒激光加工的可释放应力全固态电池的加工制造技术

20251127

制造业

本项目聚焦全固态电池核心痛点，形成了成熟且可产业化的技术体系，为成果转化提供了坚实支撑。项目创新性提出 “集成结构抗碎裂” 设计理念，通过焦耳热预烧结 - 激光逐点烧结复合工艺，成功解决了氧化物陶瓷电解质难以做薄、易碎裂的行业瓶颈，相关技术已通过系统性实验验证，具备明确的产业化应用路径。 在核心工艺方面，已建立标准化的超薄电解质制备流程。采用流延法制备 LLZO 和 LATP 生坯，通过添加 Al、Si、Li??O、LiBO??等助烧剂优化配方，初始厚度精准控制在 30-60μm；创新开发的焦耳热预烧结工艺，确定最优参数为 850℃烧结温度、600s 保温时间、-0.1MPa 真空度，可稳定产出机械性能优良的半成品陶瓷片，有效避免后续激光加工时的碎裂问题。激光选区烧结环节采用波长 10.6μm 的中红外连续波 CO??激光器，结合空域整形技术将高斯光束转化为方形光束，通过高精度移动平台（定位误差 ±1μm）逐点扫描，形成三维集成结构，烧结区域致密度高、机械韧性优良，缝隙区域可通过弹性聚合物填充实现应力释放，使电解质柔韧度较传统结构提升 10-700 倍。 关键材料性能已达到产业化应用门槛。制备的 LLZO 和 LATP 电解质隔膜，厚度可稳定控制在 20-50μm 的目标区间，经三点弯折测试验证，抗弯强度、应力应变及弯曲模量均满足电池装配和循环使用要求；电化学性能测试显示，通过电化学阻抗谱（EIS）分析得出的体相阻抗、晶界阻抗等关键指标优良，组装的 CR2032 型纽扣电池实现稳定充放电功能，具备与传统液态电池竞争的潜力。同时，项目形成了完整的工艺参数数据库，包括原料配比、烧结温度、激光能量等关键参数，可直接为规模化生产提供技术支撑。 项目已形成系列化创新成果，为转化提供了核心知识产权保障。目前已完成 1 项发明专利和 1 篇会议论文的撰写修改工作，后续将正式申报和发表，专利技术围绕集成结构电解质隔膜制备、激光选区烧结工艺优化等核心创新点展开，涵盖材料配方、工艺方法、结构设计等关键技术环节，形成了较为完整的知识产权保护体系。 在成果认可方面，项目研究内容已获得行业和社会层面的广泛认可。团队凭借该技术参加大学生创新创业竞赛，荣获省部级奖项 2 项，充分证明了技术的创新性和应用价值；同时成功取得 2025 年北京高校大学生创业园市级园入驻资格，为成果转化提供了优质的孵化平台。项目执行过程中积累的实验数据、工艺方案、性能测试报告等资料，已整理形成完整的技术档案，包括微观形貌表征（SEM）、力学性能测试、电化学性能分析等系列数据，可直接支撑后续产业化验证和产品定型。 项目核心团队具备扎实的技术研发能力和成果转化潜力，为产业化推进提供了人才保障。项目负责人姜恩泽长期从事固态电解质机理研究和激光加工技术应用，掌握飞秒激光双温模型及数值计算方法，具备丰富的实验操作和工艺优化经验；核心成员刘铁彦深度参与实验设计与执行，在材料制备、性能测试等方面积累了扎实的实践能力。两人均为北京理工大学机械工程专业本科生，经项目锻炼后，1 人获推免直博资格，1 人拟获评国家奖学金，科研素养和技术能力得到充分验证。 团队依托的科研平台为成果转化提供了强大技术支撑。北京理工大学激光微纳制造研究所拥有先进的激光加工设备、材料表征仪器和电化学测试系统，包括 CO??激光器、飞秒激光加工系统、场发射扫描电镜（Phenom Pharos）、三点弯曲试验机、CHI760E 电化学工作站等核心设备，可满足从实验室研发到中试生产的全流程需求。同时，依托复杂微细结构加工国家级创新中心、非硅微纳制造工信部重点实验室等平台资源，能够持续获得技术研发和产业化方面的支持，为成果转化提供了良好的科研环境和硬件保障。 全固态电池市场正处于快速发展期，为项目成果提供了广阔的应用空间。作为下一代能源存储器件，全固态电池凭借高安全性、高能量密度的优势，在新能源汽车、消费电子、储能电站等领域具有不可替代的应用前景。目前全球固态电池市场规模预计 2027 年将超过 100 亿美元，国内外主流车企如长安、比亚迪、广汽、梅赛德斯 - 奔驰、丰田等均明确了 2026-2030 年固态电池装车量产计划，市场需求迫切。 项目成果具有明确的目标应用场景和市场竞争力。在新能源汽车领域，本技术制备的全固态电池能量密度可突破 500Wh/kg，较传统锂电提升显著，且无漏液、燃烧风险，可解决现有动力电池的安全隐患和续航焦虑；在消费电子领域，超薄化、高安全性的电解质隔膜可适配小型化、高性能电子设备需求；在储能电站领域，优良的循环稳定性和机械可靠性可满足大规模储能的长期使用要求。与现有技术相比，本项目技术无需改变现有电池生产的核心设备，仅需在烧结和组装环节进行适应性改造，转化成本低、兼容性强，具备显著的市场竞争优势。

当前项目虽已完成核心技术验证，但在规模化生产适配性、性能优化等方面仍需进一步突破，需联合具备相关领域研发能力的机构或企业开展深度合作。在工艺优化方面，现有实验室级别的焦耳热预烧结与激光选区烧结工艺，需针对量产场景进行参数调整与设备适配，例如优化连续式焦耳热烧结炉的升温速率、保温时长等参数，以提升生产效率；同时，激光选区烧结环节的光束整形精度、扫描速度需结合量产需求进一步提升，减少加工时间成本，因此需与激光设备制造商、自动化控制系统企业合作，开发定制化的激光加工生产线，实现工艺参数的实时监控与智能调节，确保批量生产时产品质量的一致性。 在材料性能升级方面，现有 LLZO 和 LATP 电解质的离子电导率、循环稳定性仍有提升空间，需与材料研发机构合作，开展掺杂元素优化、界面修饰等研究，例如通过调整 LLZO 中 Ta 元素的掺杂量（x 值），或在电解质与电极界面构建功能涂层，降低界面阻抗，提升电池的倍率性能与循环寿命；此外，弹性聚合物填充材料的耐温性、耐电解液腐蚀性需进一步验证，需联合高分子材料企业开发适配的聚合物配方，确保应力释放效果的长期稳定性。同时，针对不同应用场景（如新能源汽车、消费电子、储能电站）的需求差异，需合作开发定制化的电解质产品，例如面向新能源汽车的高能量密度版本、面向储能电站的长循环寿命版本，拓展技术的应用范围。 在性能测试与标准制定方面，目前项目已完成基础的机械性能与电化学性能测试，但缺乏产业化所需的长期可靠性测试、环境适应性测试（如高低温循环、湿度影响）等数据，需与第三方检测机构或行业龙头企业合作，建立完善的测试体系，获取符合市场准入要求的测试报告；同时，鉴于全固态电池领域尚未形成统一的行业标准，需联合行业协会、重点企业参与标准制定工作，推动 “集成结构” 电解质的技术指标、测试方法等纳入行业标准，为成果转化扫清技术壁垒。 实验室技术向规模化生产转化过程中，面临设备采购、生产线建设、生产管理等多方面挑战，需与具备生产能力的企业开展合作，搭建产业化生产体系。在核心设备采购与定制方面，现有实验室使用的焦耳热烧结设备、激光加工设备多为小型实验机型，无法满足量产需求，需与设备制造企业合作，定制大型化、连续化的生产设备，例如连续式流延机、多工位焦耳热烧结炉、自动化激光选区烧结生产线等，同时需确保设备参数与项目技术要求匹配，如流延机的涂层厚度精度、激光设备的定位误差等；此外，生产线的自动化控制系统（如物料传输、参数监控、质量检测）需与设备同步开发，需联合自动化技术企业，实现生产过程的智能化管理，降低人工成本，提升生产效率。 在生产线建设与工艺验证方面，需选择具备电池生产基础的企业合作，利用其现有厂房、基础设施等资源，建设中试生产线，开展小批量生产验证。中试阶段需重点解决生产过程中的工艺稳定性、产品良率提升等问题，例如优化流延法制备生坯的干燥工艺，减少缺陷率；调整激光烧结的参数窗口，降低产品碎裂风险；同时，需建立完善的生产质量控制体系，制定从原料入厂检测、生产过程监控到成品出厂检验的全流程质量标准，确保产品合格率达到产业化要求（目标良率不低于 95%）。中试完成后，可依托合作企业的现有产能，或联合投资建设规模化生产线，实现技术的产业化落地。 在供应链体系建设方面，项目所需的 LLZO、LATP 粉体原料、粘结剂、助烧剂、弹性聚合物等关键材料，需建立稳定的供应链合作关系，确保原料质量的一致性与供应的及时性。需与原料生产企业签订长期合作协议，明确原料的技术指标（如粉体纯度、粒径分布、粘结剂固含量等），并推动原料企业开展定制化生产，满足项目技术需求；同时，针对激光设备的核心部件（如激光器、光束整形元件）、电池组装所需的极片、外壳等辅助材料，需拓展多元化的供应商渠道，降低供应链风险，保障产业化生产的顺利推进。 全固态电池市场处于快速发展阶段，但消费者对新技术的认知度、接受度仍需提升，且下游应用场景（如新能源汽车、消费电子）的准入门槛较高，需与行业应用企业、市场推广机构合作，推动技术的市场落地。在下游应用合作方面，需与新能源汽车制造商、消费电子企业、储能系统集成商等开展合作，针对不同应用场景的需求，开发适配的全固态电池产品。例如，与新能源汽车企业合作，开发适配车载动力电池的 “集成结构” 全固态电池，验证电池的能量密度、快充性能、安全性能等是否满足整车需求，并开展装车测试；与消费电子企业合作，开发小型化的全固态电池，应用于智能手机、智能穿戴设备等产品，解决现有锂离子电池的安全隐患与续航问题；与储能企业合作，开发大容量、长寿命的全固态储能电池，应用于储能电站、备用电源等场景，验证电池在长期循环、恶劣环境下的可靠性。

可国（境）内外转让

从产业价值维度看，项目成果落地后将为全固态电池产业带来显著的经济增量。当前全球固态电池市场正处于加速扩张期，预计 2027 年市场规模超 100 亿美元，国内市场因新能源汽车、储能产业的快速发展，需求增长更为迅猛。本项目开发的集成结构电解质技术，可解决氧化物固态电池 “难薄化、易碎裂” 的核心痛点，推动全固态电池能量密度突破 500Wh/kg，较传统锂电提升 30% 以上，且生产成本通过工艺优化可控制在合理区间 —— 规模化生产后，电解质隔膜单位成本预计较现有陶瓷电解质降低 20%-30%，全电池生产成本较液态锂电池降低 15% 左右，具备极强的市场竞争力。 从企业收益角度，若与新能源汽车、储能等领域企业合作实现产业化，初期（1-2 年）可依托中试生产线实现年产能 500 万片电解质隔膜，配套组装全固态电池约 1GWh，按当前动力电池市场均价 1.2 元 / Wh 计算，可实现年销售收入 12 亿元，净利润率预计达 15%-20%；中期（3-5 年）随着规模化生产线建成，产能提升至 5GWh，年销售收入突破 60 亿元，同时可带动上游原料（LLZO 粉体、激光设备）、下游应用（新能源汽车、储能电站）等产业链环节发展，形成产值超 200 亿元的产业集群。此外，技术授权、专利许可等知识产权收益也将成为重要经济来源，预计年均专利许可收入可达 5000-8000 万元。 从市场拓展潜力看，技术可适配多领域应用场景，除新能源汽车动力电池外，在消费电子（智能手机、智能穿戴设备）、特种储能（军工、极端环境储能）等领域均有广阔空间。例如，面向消费电子领域开发的超薄全固态电池，可使设备续航提升 50% 以上，预计年销量可达 1000 万只，新增销售收入 8-10 亿元；面向储能领域的长循环寿命电池，循环次数可达 10000 次以上，较现有储能电池提升 2-3 倍，可快速抢占储能市场份额，进一步扩大经济效益规模。 在安全保障层面，项目成果可显著提升电池使用安全性，解决传统锂离子电池漏液、燃烧、爆炸等安全隐患。全固态电池因无液态电解液，且集成结构电解质可抵御机械冲击与循环应力，在新能源汽车领域应用时，能有效避免碰撞、高温等场景下的安全事故；在储能电站应用中，可降低火灾风险，保障电网稳定运行。据测算，若该技术在国内新能源汽车动力电池领域渗透率达 10%，每年可减少锂电池安全事故 90% 以上，减少人员伤亡与财产损失超 50 亿元，为社会公共安全提供重要保障。 在能源转型层面，全固态电池的高能量密度与长寿命特性，可推动新能源汽车续航里程突破 1000 公里，解决消费者续航焦虑，加速新能源汽车对燃油车的替代 —— 预计技术推广后，每万辆搭载该技术的新能源汽车，每年可减少碳排放约 5000 吨，若 2030 年国内新能源汽车渗透率达 60% 且其中 30% 采用该技术，年碳减排量可达 1.2 亿吨，助力 “双碳” 目标实现。在储能领域，长寿命全固态电池可降低储能系统更换频率，减少资源浪费，同时提升储能电站的经济性与可靠性，推动可再生能源（风电、光伏）的消纳率提升 15%-20%，促进能源结构向清洁化、低碳化转型。 在就业与产业升级层面，技术产业化将带动上下游产业链就业增长，仅规模化生产线建设阶段就可创造直接就业岗位 2000-3000 个，间接带动原料供应、设备制造、物流运输等领域就业岗位超 1 万个。同时，项目依托北京理工大学科研资源，通过 “产学研” 合作模式，可培养一批兼具技术研发与产业化能力的复合型人才，推动我国在全固态电池领域的人才储备与技术水平提升，打破国外在高端电池技术领域的垄断，增强我国新能源产业的国际竞争力，巩固我国在全球电池产业的领先地位。 从技术突破角度，项目成果将填补国内氧化物固态电池集成结构设计与激光加工工艺的技术空白，相关专利技术覆盖材料配方、工艺方法、设备设计等关键环节，形成完整的技术壁垒，推动我国全固态电池技术从 “跟跑” 向 “领跑” 转变。其中，焦耳热预烧结 - 激光选区烧结复合工艺，较传统烧结方法效率提升 3-5 倍，加工精度达 ±1μm，为固态电解质微细加工提供了全新技术路径；集成结构设计理念可推广至硫化物、聚合物等其他电解质体系，形成普适性技术方案，带动全固态电池领域整体技术水平提升。 从行业标准层面，项目团队将联合行业协会、重点企业推动 “集成结构电解质” 相关技术指标、测试方法纳入国家或行业标准，规范全固态电池产业发展秩序，避免低水平重复研发与恶性竞争。预计相关标准出台后，可减少行业研发成本浪费超 10 亿元 / 年，引导产业链资源向核心技术突破与产业化应用集中，加速全固态电池产业成熟。

北京市自然科学基金本科生“启研”计划

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

本项目旨在解决全固态电池领域氧化物电解质隔膜难以做薄和容易碎裂的问题，而微型单元集成抗碎裂的三维结构是实现这一目标的关键。目前，全固态电池主要应用的电解质包括聚合物、硫化物、氧化物三种，其中氧化物电解质相较于其它两种具有更高更稳定的电导率和完全不可燃的优良安全性质，也是本项目的主要研究对象；另外两类电解质在制造工艺、机械强度、集成难度等方面又各自具有优势。总的来说，全固态电池领域中的各个细分方向目前都有共同的发展目标：提高能量密度，在储能潜力方面超越液态电池；同时也面对共同的挑战：固态电解质隔膜易碎，且加工制造困难。因此，电解质隔膜做薄以提高能量密度与隔膜本身易碎的矛盾普遍存在于全固态电池领域的各个方面。 这项工作设计并验证的三维微型集成结构，通过将硬脆材料的二维平面结构转变成无数个三维微小电池的集成结构，在不苛求电解质材料内禀性质的前提下，立足结构设计和制造工艺角度解决了当前制约全固态电池发展的瓶颈问题。虽然本研究的主要对象是氧化物电解质LLZO和LATP，但“集成电池”这种结构本身并没有限制电解质材料；换句话说，其它氧化物电解质甚至硫化物固态电解质、聚合物电解质也可以被制造成这种结构的隔膜，以释放制造和工作过程中积累的应力、减少应力集中。“集成电池”结构这种设计思路，对全固态电池领域中有关应力释放的科研工作具有重要参考意义。 固态电解质的原料大多数为粉体生坯，孔隙率过大导致其导电性能低劣、机械性能差、界面阻抗高，因此电解质烧结成形是固态电池制造中的必要流程。烧结过程使电解质材料结构致密化、晶粒尺寸优化、晶界阻抗消除，赋予其优良的机械力学和电化学性能，成为合格的电池隔膜材料，主要手段包括无压高温烧结、热压烧结、放电等离子体烧结、冷压烧结等。激光选区烧结作为增材制造技术的新类型，在电解质烧结工艺中也有涉及，但目前较少使用经空域整形的激光光束对电解质进行定制图案化的烧结。本项目的实验工作中使用特定的衍射光学元器件实现了将中红外连续波激光器产生的高斯光束整形为方形光束，目的是在半成品陶瓷片上选区烧结出电解质工作区域。空域整形激光烧结技术的引入，有助于推广增材制造技术在固态电解质领域的创新应用，实现更自由、更高效、更精准的电解质烧结，为固态电解质的多种尺寸形状或烧结程度要求提供了技术条件。 全固态电池因其高能量密度和安全性被认为是下一代能源存储器件，吸引了全球众多公司和研究机构的关注。全固态锂电池目前正处于技术突破与产业化加速的关键阶段，国内外企业及科研机构在材料研发和工艺优化上取得显著进展。南开大学团队研发的固态电池能量密度已达400瓦时/千克，较传统锂电提升30%；部分半固态电池如智己L6搭载的“光年”电池已实现量产，充电效率与安全性显著优化。目前，全球固态电池市场正处于快速发展阶段，预计到2027年市场规模将超过100亿美元，主流车企如长安、比亚迪、广汽等已明确2026-2030年固态电池装车量产计划，国际厂商如梅赛德斯-奔驰、丰田等也加速布局，计划在2027-2028年推出相关车型。根据数据可知，储能领域迫切需要一种高安全性，高能量密度的新型电池解决方案。本项目设计并验证的新型全固态锂基电池，兼具高安全性、高能量密度、优良机械性能、标准化制造工艺等多重优势，如未来能够在实验室层面稳定量产，将为电池产业市场贡献一种全新的技术方案或一款优良的新型电池产品，极大推动我国在固态电池领域的技术发展和产业变革。