汽车头条 - 固态电池产业化掣肘：材料/设备的堵点，成本高企的痛点

当前位置：首页正文

固态电池产业化掣肘：材料/设备的堵点，成本高企的痛点

NE时代 3425浏览 2025-10-20 14:53:38

用手机看

手机扫码看

固态电池作为未来能源存储的重要方向，其核心优势在于通过固态电解质提升本质安全性，并突破液态电池的能量密度瓶颈。

当前全球固态电池产业呈现“双线并行”格局：一条以半固态电池为前沿突破口，通过产品快速迭代加速市场化落地以抢占份额，积累技术经验和商业回报；另一条将全固态电池作为长期战略布局，持续加码研发资源攻克技术瓶颈，待产业配套、材料工艺等生态条件成熟后实现规模化突破。

然而，无论是半固态电池的规模化降本，还是全固态电池的技术突破，都尚未跨越产业化的 “最后一公里”。固态电池产业化并非单一环节的技术难题，而是材料体系重构、设备技术迭代、工艺路线定型与产业链协同交织等系统性挑战，需从多维度拆解制约根源。

01.

材料适配与界面阻抗成“拦路虎”

材料是固态电池的技术基石，但其核心组分的性能缺陷与体系间的适配矛盾，构成了产业化的第一道壁垒。从电解质到正负极，再到固固界面，每一个环节的短板都直接制约着电池性能与量产可行性。

在固态电解质方面，硫化物电解质作为全固态电池的核心选项，室温离子电导率可达 10⁻²S/cm，接近液态电解液水平，且具备优异的机械加工性，可通过干法压制形成致密薄膜。然而，其化学稳定性极差，遇水会生成有毒的硫化氢（H₂S）气体，对生产环境提出严苛要求。更关键的是成本居高不下，核心原料硫化锂占电解质总成本的 82%，市场价格高达300万元/吨，且全球产能缺口显著。

数据来源：《硫化锂：全固态电池时代的“基石”材料》

目前，硫化物材料仍主要依赖手套箱环境下操作，难以支撑百吨级乃至千吨级的量产需求。中科固能已建成首条连续规模化制备的硫化物固态电解质生产线，实现连续生产、达到百吨级规模。

氧化物电解质虽凭借本征安全性好、成本较低的优势，成为半固态电池的主力选择，但其室温电导率仅为 10⁻⁴S/cm，仅为液态电解液的 1/100，且加工性能差、电化学窗口窄，无法支撑全固态电池对高能量密度的需求；聚合物电解质因界面接触好、机械柔性和可加工性而有潜力，但存在锂离子迁移数低和离子电导率低的问题，限制了其应用；卤化物电解质室温离子电导率较高，柔韧性较好，电化学窗口较宽可匹配高压正极材料，目前主要与硫化物复合、用于正极包覆。

因此，出于性能、成本和量产进程的考量，氧聚、硫卤、硫聚等复合路线成为推动固态电池落地的新选择。比如比亚迪此前下线的60Ah全固态电池的固态电解质以硫化物为主复合卤化物。

然而，就全固态电池行业而言，硫化物路线凭借高离子电导率、与现有锂电产业链良好兼容性的双重优势，仍是实现高性能全固态电池的最有潜力技术路线。

与此同时，为匹配固态电解质的性能优势，正负极材料需向高比容量方向升级，但这一过程面临实用性瓶颈。

在正极材料方面，富锂锰基材料理论比容量达 300mAh/g，是高镍三元材料的 1.5 倍，且产业化后成本低 20%，是全固态电池的理想选择。然而，其存在首次库仑效率低（不足 80%）、电压与容量衰减快等问题，仍处于产业化早期阶段；而当前半固态电池采用的高镍三元材料，虽能兼容现有工艺，却无法满足全固态电池对能量密度的长期目标。

因此，正极材料短期以三元高镍材料为基础，通过单晶化、氧化物包覆及金属掺杂等改性手段提升工作电压和结构稳定性，长期将向超高镍、富锂锰基及高压尖晶石等体系突破。

然而，负极材料的矛盾更为突出。

锂金属负极理论比容量达 3860mAh/g，是石墨负极的 10 倍，是全固态电池实现高能量密度的核心搭配。但锂金属在充放电过程中易生长枝晶，刺穿电解质引发短路，且与固态电解质的界面副反应会破坏电池结构，安全性与循环寿命难以保障。

赣锋锂业通过开发新型锂合金材料显著提升了负极的机械性能，有效抑制枝晶生长并防止粉化；同时，负极表面处理技术的突破优化了锂离子分布的均匀性和传输速率，进一步抑制了副反应和枝晶生长，使锂负极循环寿命提升4倍以上。

目前来看，高性能硅基负极已经成为400Wh/kg全固态电池的主流负极材料选择。硅基负极的理论比容量较高（4200mAh/g），但充放电过程易发生体积膨胀、容易引起电极表面固体电解质界面膜破裂，并且硅基负极的电导率较低。

由四川欧阳明高工作站孵化的华宜清创，依托其“一步法”制备硅碳负极工艺，通过微米硅与聚合物的短时高温放热反应，实现硅的纳米化及碳包覆，突出优势在于能够有效缓解硅碳负极与硫化物固态电解质匹配时的副反应问题。目前，华宜清创宣称已能制备容量大于2000mAh/g的硅碳负极。

图源/网络

目前来看，负极材料短期看硅基负极逐步迭代，以解决体积膨胀、首效低等问题，长期将向金属锂负极体系发展，实现能量密度突破。

此外，传统辅材体系也面临适配难题。比如复合集流体需解决硫化物电解质的腐蚀问题，骨架膜（陶瓷或聚合物类型）需在超薄厚度下保持支撑性能，现有粘结剂与溶剂体系则无法适配固态电池的干法工艺。

星源材质利用刚性骨架膜试制的全固态电池专用电解质复合膜，厚度薄至25μm，离子电导率≥0.5mS/cm，拉伸强度、耐氧化电位以及化学稳定性达到先进水平。

液态电池中，电解液可填充电极与电解质之间的空隙，形成良好的离子传导通道；而固态电池中，固态电解质与电极均为固体，天然存在接触面积不足的问题，导致界面电阻较液态电池大幅增加，严重影响离子传输效率。

更关键的是，在充放电过程中，电极材料会发生体积膨胀与收缩，易导致固固界面分离，进一步恶化离子传导，形成“接触-分离-阻抗升高”的恶性循环，显著降低电池的循环寿命与倍率性能。

目前，虽可通过热压、界面修饰等手段改善界面接触，但在大规模生产中难以实现均匀性控制，成为固态电池性能稳定的核心“堵点”。

近日，中科院物理所黄学杰团队联合多所机构，开发出阴离子调控技术，解决了全固态金属锂电池电解质和电极紧密接触难题。该技术引入碘离子形成富碘界面，这层界面能够主动吸引锂离子，自动填充所有的缝隙和孔洞，让电极和电解质始终保持紧密贴合，显著改善固–固接触并在低/零外加压力下维持离子传输与循环稳定性。相关成果发表于《自然-可持续发展》期刊。

图源/央视新闻

与此同时，中国科学院金属研究所团队也为解决固态电池界面阻抗大、离子传输效率低的关键难题提供了新路径。研究团队利用聚合物分子的设计灵活性，在主链上同时引入具有离子传导功能的乙氧基团和具备电化学活性的短硫链，制备出在分子尺度上实现界面一体化的新型材料。该材料不仅具备高离子传输能力，还能在不同电位区间实现离子传输与存储行为的可控切换。

图源/央视新闻

基于该材料构建的一体化柔性电池表现出优异的抗弯折性能，可承受20000次反复弯折。当将其作为复合正极中的聚合物电解质使用时，复合正极能量密度提升达86%。该研究成果已于近日发表在国际学术期刊《先进材料》上。

值得注意的是，这两项研究互为补充。黄学杰团队聚焦低压/无压可行性，旨在解决“固固界面接触需高压”这一产业化痛点难题；中国科学院金属研究所团队的聚合物路线则从材料一体化角度，降低界面阻抗并兼顾机械柔性。两者无疑为全固态电池的实用化进程注入了一剂强心针。

针对固-固界面问题，北京卫蓝董事长俞会根透露，对于氧化物和聚合物路线而言，主要通过复合原位固化全固态应对“固-固界面接触问题”，不需要解决压力，但仍然要做一些优化工作，但仍然面临工程化量产的挑战。

02.

工艺换道，设备破壁垒

随着硫化物材料路线的主流化，固态电池材料体系重构，也要求制造工艺从“湿法”向“干法”转型，从“卷绕”向“叠片”升级，这直接导致现有锂电设备无法满足需求。而部分核心设备的技术壁垒，成为制约产业化的第二道关卡。

图源/中金点睛

前端制造的核心是电极与电解质成膜，其中干法工艺设备是硫化物路线的刚需。

干法电极是在无溶剂环境下，将活性材料、粘合剂、导电剂经均匀混料（主流用双刀片研磨法、球磨法）、纤维化（通过气流粉碎、蜜炼机或双螺杆挤出机完成PTFE原纤化）、复合成膜（核心环节，热复合/辊压一体机完成成型压实）制成的电极。

相比湿法工艺，更适配硫化物电解质，且能量密度更高、成本更低、生产效率更高，工艺设备上取消涂布、烘干等湿法设备，新增干法混料、纤维化及辊压成膜设备，成膜环节存在一定技术壁垒。

国产设备企业产业化进程持续加快。比如曼恩斯特以干法工艺作为核心突破口，推出的固态电池极片制造解决方案，从制膜，到电极制备，再到固态电池前段产线，不仅自研了全陶瓷双螺杆纤维化、14辊双面压延、湿法电解质薄涂等核心设备，还构建起一整套以干法工艺为主的前段产线。

图源/曼恩斯特

另外，曼恩斯特还通过将加料、混料、纤维化、制膜、辊压、分切和收卷等环节整合在一组设备中，以实现固态电池设备的集成化，提升生产效率和产品一致性。

中段制造的核心变化是叠片工艺替代卷绕工艺，以及新增关键工艺的设备需求。

固态电解质脆性强，无法承受卷绕过程中的弯曲应力，必须采用叠片工艺组装电芯，这对设备的定位精度提出极高要求。

此外，中段制造还新增了多项关键工艺，对应的设备存在技术空白。比如等静压设备，通过液体或气体介质在三维方向均匀施压，实现整体致密化与各向同性压制，改善固固接触界面，且适配热稳定性差、不耐高温烧结的硫化物体系，能低温高压压制成膜。

同时，为避免叠片、等静压等工艺大压力下极片变形短路，需新增胶框印刷环节，通过丝网 / 钢网印刷、UV 打印、涂胶 / 点胶等方式，将树脂印刷到电极边缘形成回形框以在压力下起到支撑和绝缘作用。

先导智能自主交付的600MPa大容量等静压设备，通过提高一次装载电芯数量实现了高效生产，支持150℃高温环境，配合绝缘边框工艺和全自动上下料系统，有效解决极片位移和边缘损伤问题。

另外，其新一代固态叠片机则通过绝缘边框精密制备、极片超精准抓取与高精度动态压合控制，显著提升了堆叠效率和对齐精度，为固态电池量产提供了关键装备支撑。

图源/先导智能

固态电池的后段制造与传统液态电池差异不大，核心挑战在于化成的设备升级。

作为后段制造的核心，高压化成环节通过首次充放电激活活性物质并形成固态电解质界面膜，膜的质量直接影响电池循环寿命、容量保持率与安全性。

化成分容是产线中能耗最高（占整线约 40%）、节拍最长（运行时间以小时计）的工序之一，规模化生产下节能与效率优化是设备厂商核心竞争焦点，且因固态电池固 - 固接触界面存在孔隙、离子迁移阻抗大等特点，化成分容需在60-80℃高温与60-80吨高压环境下进行，对设备温控精度、压力控制能力及能耗管理要求远超传统产线。

因此，高压化成设备拘束压力需从常规电池的3-10吨提升至60-80吨（单个电芯 10MPa 压强），以此解决固态电解质与电极间的微观空隙、促进固-固界面结合，并在界面处形成离子通道、降低阻抗、提高固态电解质离子电导率。

03.

成本高企，抑制产业链协同

即使突破技术与设备瓶颈，成本高企与产业链协同不足的问题，仍会成为固态电池商业化落地的 “拦路虎”。当前，固态电池的成本与产业链生态尚未具备市场竞争力。

材料成本方面，硫化物固态电解质价格高昂，根据此前中国第一汽车集团有限公司研发总院技术首席孙焕丽演讲中透露，硫化物电解质的价格综合考虑到国内外来看，价格大概是6000-50000元/kg，但在2024年和2023年的时候，1kg的价格约为十几万。如果要追求性能，使用锂金属负极，市场价目前为85-95万元/吨，约为高端人造石墨负极材料价格的17-19倍。