在全固态电池的组装和退火过程中施加轴向压力是解决固-固界面固有不兼容性的决定性方法。在这些关键阶段保持恒定、受控的压力（例如 1 MPa），可以确保固体电解质、锂金属阳极和阴极薄膜之间紧密的物理接触。这种机械力直接增强了界面粘附力，防止了通常导致电池故障的分层。
核心现实 固态电池缺乏液体电解质的润湿能力，这意味着表面粗糙度自然会在层之间产生绝缘空隙。轴向压力不仅仅是一个制造步骤；它是电池结构的一个组成部分，可以消除这些间隙，建立并维持有效的离子传输通道。
界面改进的力学原理
克服表面粗糙度
与流入孔隙的液体电解质不同，固体电解质和电极具有微观的表面不规则性。当它们放在一起时，这些粗糙的表面会产生间隙和空隙。
轴向压力迫使这些固体层相互贴合。这消除了本应存在于连接处的空气袋和“孔洞”，确保接触面积最大化，而不是仅限于几个峰点。
降低界面电阻
消除空隙的直接结果是离子传输电阻的急剧降低。
间隙充当绝缘体，阻碍锂离子的流动。通过施加压力（通常在退火过程中从较低的维护压力如 1 MPa 到用于致密的较高堆叠压力约 74 MPa 不等），可以消除这些阻塞。这为离子在阴极和阳极之间移动提供了连续的低电阻通路。
增强界面粘附力
在退火过程中，热量用于改善材料之间的结合。然而，如果材料没有被物理压在一起，单独的热量通常是不够的。
在退火过程中施加恒定压力可确保紧密的物理粘附力。这会将界面“锁定”到位，形成一个牢固的结合，一旦电池投入运行，就不太可能发生退化。
对长期稳定性的影响
防止分层
电池会“呼吸”；电极材料在充电和放电过程中会膨胀和收缩。没有外部压力，这种体积变化会导致层物理分离（分层）。
维持的轴向压力起着夹具的作用。它可以在电化学循环过程中防止接触失效，确保即使电池内部几何形状发生轻微变化，锂离子传输通道也保持完整。
抑制枝晶生长
固态电池中最显著的风险之一是锂枝晶的生长，它们会刺穿电解质并导致短路。
施加稳定的堆叠压力有助于机械抑制枝晶形成。通过保持均匀、致密的界面，压力迫使锂更均匀地沉积，从而在长循环和高电流密度下稳定界面阻抗。
理解权衡
区分压力阶段
区分致密化压力和维护压力至关重要。
虽然主要的退火过程可能使用中等压力（例如 1 MPa）来促进结合而不损坏结构，但初始组装步骤通常需要显著更高的压力（例如 74 MPa）来压碎表面粗糙度。
压力不足的风险
未能施加足够的压力会导致高内阻和高过电位。
如果压力过低，固-固接触仍然很差。这迫使电流通过有限的接触点流动，导致局部热点和电池性能的快速下降。
为您的目标做出正确选择
在设计您的组装方案时，请根据您的具体性能指标定制您的压力策略：
- 如果您的主要关注点是降低初始阻抗：在冷压阶段优先考虑高“堆叠压力”（例如约 74 MPa），以机械压碎空隙并最大化有效接触面积。
- 如果您的主要关注点是循环寿命和可靠性：确保在退火和循环过程中施加恒定的“维护压力”（例如 1 MPa），以防止分层和抑制枝晶扩散。
最终，实验室压机与化学本身一样重要；如果没有足够的压力将空气挤出并保持层在一起，即使是最先进的固体电解质也无法有效地传导离子。
总结表：
| 压力阶段 | 压力水平 | 界面的主要功能 |
|---|---|---|
| 冷压 | 高（例如 74 MPa） | 压碎表面粗糙度并最大化接触面积 |
| 退火 | 中等（例如 1 MPa） | 增强层之间的物理粘附力和结合力 |
| 运行（循环） | 恒定维护 | 防止分层并抑制枝晶生长 |
| 压力不足 | 低/无 | 导致高阻抗、空隙和电池故障 |
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参考文献
- Yuki Watanabe, Taro Hitosugi. Reduced resistance at molecular-crystal electrolyte and LiCoO2 interfaces for high-performance solid-state lithium batteries. DOI: 10.1063/5.0241289
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
