为什么全固态电池必须在手套箱中组装？确保电池性能的纯度

使用惰性气体手套箱是全固态电池组装和浆料制备的基本要求，而非预防措施。通过将氧气和湿气含量维持在临界阈值以下（通常< 2 ppm，甚至< 0.1 ppm），这些系统可以防止在活性组件暴露于空气的瞬间发生快速、不可逆的化学降解。

核心要点 固态电池材料对大气中的湿气和氧气具有极高的化学敏感性，会导致立即发生水解和氧化。手套箱的惰性环境是防止形成有毒副产物（如氢氟酸和硫化氢）以及保持电池性能和安全所需的电化学特性的唯一方法。

环境敏感性的化学原理

许多固态电解质使用复杂的锂盐，例如LiTFSI。当这些盐遇到痕量湿气时，会发生水解。

该反应经常产生氢氟酸 (HF)。这种酸不仅会破坏电解质结构，还会腐蚀电池的其他组件，在电池充电前就破坏其电化学稳定性。

基于硫化物的固态电解质（例如 Li2S-P2S5）在暴露于湿气方面尤其不容忽视。与水蒸气接触后，它们会反应释放硫化氢 (H2S) 气体。

这是一种双重失效模式：H2S 对操作人员有剧毒，而硫的损失会破坏材料的离子电导率，使电池无法正常工作。

锂金属和锂铝合金阳极对氧气和湿气都具有高度反应性。暴露于空气会导致立即发生表面氧化。

这种氧化会在金属表面形成高阻抗的钝化层。该层会阻碍离子流动，导致内阻增加和电池过早失效。

对于 PEO/PVB 基电池等系统，阳极和电解质之间的界面至关重要。组装过程中引入的污染物会破坏固态电解质界面 (SEI)。

不稳定的 SEI 会导致循环过程中持续发生副反应。这会消耗电解质和锂，从而大大缩短电池的循环寿命。

组装过程通常涉及高压堆叠（例如，使用单轴液压机）。在手套箱内进行此步骤可确保在不将内部层暴露于空气的情况下施加机械边界条件（例如 80 MPa 压力）。

这可以防止在压制过程中污染物被困在层之间。否则，被困的湿气会在运行过程中蒸发或反应，导致分层或膨胀。

科学有效性依赖于消除变量。如果没有受控的大气环境（< 0.1 至 2 ppm 的污染物），实验室的湿度波动将每天改变材料的性质。

手套箱保证性能的差异是由于材料设计造成的，而不是随机的环境污染，从而确保实验数据可重复。

虽然手套箱提供了必要的保护，但它们也带来了显著的操作限制。通过厚橡胶手套操作小型组件和重型设备（如液压机）会降低灵活性并减慢生产速度。

维持超纯环境（< 0.1 ppm）需要大量资源。它需要不断再生纯化柱并消耗昂贵的高纯度惰性气体（氩气）。

并非所有材料都需要最严格的 < 0.1 ppm 标准。虽然硫化物电解质需要这种水平，但一些氧化物基或聚合物系统在稍高水平（< 2 ppm）下可能稳定。对所有材料都遵守最严格的标准可能会不必要地增加运营成本。

为了优化您的组装过程，请根据您的具体材料化学性质调整您的环境控制：

如果您的主要重点是硫化物基电解质：您必须将湿气含量维持在 0.1 ppm 以下，以防止有毒 H2S 释放和灾难性的电导率损失。
如果您的主要重点是聚合物/锂盐体系（例如 PEO/LiTFSI）：您必须将湿气含量维持在 0.8–2 ppm 以下，主要是为了防止 HF 形成和盐水解。
如果您的主要重点是金属锂阳极：您必须优先考虑极低的氧气含量（< 0.1 ppm）以及湿气控制，以防止表面氧化和阻抗增长。

固态电池开发的成功始于绝对排除环境因素。

材料类型	敏感性因素	临界阈值	关键风险因素
硫化物电解质	湿气 ($H_2O$)	< 0.1 ppm	有毒 $H_2S$ 气体释放，电导率损失
锂盐 (LiTFSI)	湿气 ($H_2O$)	0.8 - 2.0 ppm	氢氟酸 (HF) 形成，腐蚀
锂金属阳极	氧气 ($O_2$)	< 0.1 ppm	表面氧化，高界面阻抗
聚合物/PEO 体系	湿气/氧气	< 2.0 ppm	SEI 层不稳定，循环寿命缩短

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Iryna Yefimishch, Ivan Lisovskyi. POLYMERIC COMPOSITE ELECTROLYTE BASED ON NASICON FOR SOLID-STATE LITHIUM BATTERIES. DOI: 10.33609/2708-129x.91.8.2025.13-22

本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .