真空手套箱是全固态电池（ASSBs）打印和封装的绝对操作必需品。
它提供了一个严格控制的惰性环境，通常充入氩气，其中水分和氧气的含量保持在0.1 ppm以下。没有这种超纯气氛，ASSBs中使用的极易反应的材料——特别是锂金属负极和固体电解质——在暴露于空气时会立即降解，导致电池无法使用。
核心见解：手套箱不仅仅是一个储存单元；它是一个关键的制造工具。通过将水分和氧气含量保持在0.1 ppm以下，它可以防止电解质水解和负极氧化，直接保持高离子电导率和长期循环稳定性所需的化学完整性。
必要性的化学原理
防止负极氧化
锂金属，常被用作ASSBs的负极，具有极高的化学活性。
当暴露于即使是痕量的氧气时，锂会迅速氧化。真空手套箱可防止这种表面腐蚀，确保负极保持纯净和导电。
保护敏感电解质
固体电解质，特别是那些含有锂盐的，极易水解。
空气中的水分会引发分解电解质结构的反应。这种降解会破坏材料的离子传输能力，而这正是电池的基本功能。
确保硫化物材料的安全
对于使用硫化物基固体电解质的电池，水分控制是安全上的当务之急。
与水蒸气的接触不仅会降解这些电解质，还可能产生有毒的硫化氢气体。手套箱作为主要的围堵措施，可防止这种危险的反应。
对制造步骤的影响
挤出和固化过程中的稳定性
3D打印过程涉及挤出和固化等特定步骤，这些步骤会使材料暴露较长时间。
在这些阶段，材料处于脆弱的、半加工的状态。惰性环境可确保在电池结构逐层形成过程中，锂盐不会降解。
封装过程中的完整性
封装是保护电池在其使用寿命内免受影响的最终密封。
在手套箱内执行此步骤可锁定惰性气氛。这确保了成品电池内部没有水分或氧气被困住，否则会随着时间的推移引起内部腐蚀。
常见误区和敏感性
“低”与“超低”的区别
一个常见的误解是“低湿度”（如干燥室）就足够了。事实并非如此。
ASSB组件需要超低水平（<0.1 ppm）的水分和氧气。即使接近1 ppm的水平也会引发二次反应，对界面性能和“可浮动保护层”（FPL）产生负面影响。
表面钝化风险
即使短暂暴露于不受控制的大气中，也可能导致表面钝化。
这会在电极-电解质界面形成一层电阻。这种电阻会严重降低电池的库仑效率——这是衡量电池在循环过程中电荷传输效率的指标。
为您的目标做出正确选择
为确保您的ASSB制造成功，请根据您的具体目标调整您的环境控制：
- 如果您的主要重点是循环稳定性：确保您的系统将氧气水平严格控制在0.1 ppm以下，以防止界面氧化，从而随着时间的推移降低性能。
- 如果您的主要重点是化学安全：优先去除水分，以防止硫化物电解质的水解以及随后有毒气体的释放。
- 如果您的主要重点是制造保真度：在整个挤出和固化过程中保持惰性条件，以防止打印层出现结构缺陷。
严格遵守这些环境控制是生成可靠、高压固态电池数据的基本要求。
总结表：
| 特性 | 要求 | 失效影响 |
|---|---|---|
| 气氛 | 氩气（惰性） | 锂金属负极氧化 |
| 水分含量 | < 0.1 ppm | 电解质水解和有毒H2S气体释放 |
| 氧气含量 | < 0.1 ppm | 表面钝化和离子电导率降低 |
| 关键工艺 | 打印和封装 | 结构缺陷和循环稳定性差 |
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参考文献
- Sumin Oh, Seungjun Chung. Direct‐ink‐writing of all‐solid‐state batteries with solvent‐free, non‐flammable electrolytes toward wearable electronics. DOI: 10.1002/inf2.70033
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
