【固态电池】固态电芯技术发展与创新应用

一、固态电芯的崛起之势

（一）政策推动与行业需求

国家政策对固态电芯大力支持，早在 1987 年，固态锂电池便被中国科技部列入 “863” 计划重大专题。2015 年和 2017 年发布的《中国制造 2025》和《促进汽车动力电池产业发展行动方案》均提出推动固态电池产业链发展。2020 年起，国务院发布的《新能源汽车产业发展规划 (2021—2035 年)》首次将固态电池列入行业重点发展对象并提出加快研发和产业化进程。2022 年下半年以来，固态电池先后两次获工信部、科技部、能源局等多部门联合点名认可。

新能源汽车产业的火热，带动固态电池行业需求快速扩容。2012 - 2023 年全球新能源汽车销量从 12.5 万辆增长至 1052.2 万辆，CAGR 55.4%，渗透率从 0.2% 提升至 13%。随着新能源汽车产业的迅速发展，对动力电池的安全性和能量密度提出更高要求，在液态锂电池性能逐渐达到上限的情况下，固态电芯成为了行业发展的新方向。

（二）技术发展历程

固态锂离子电池发展历程主要分为发展萌芽阶段（1972—1999 年）、初期发展阶段（2000 - 2016）、快速发展阶段（2017 年至今）。自 1972 年采用 Li1 为电解质的固态锂离子电池以来，具有高离子导电率的固态电解质陆续问世，多种氧化物、硫化物及聚合物固态电解质材料被相继提出。2000 年后，固态电池的研发与实验发展逐渐加速，全球多家公司宣布启动固态电池的研发计划。2017 年玻璃状介质技术的提出标志着固态电池第一阶段的研发已经完成，2022 年卫蓝新能源启动 20GWh 固态电池生产线项目构建，标志着我国固态电池产业化进程的进一步提速。

（三）企业研发与竞争态势

国家重点研发计划支持不断，我国固态电池研发技术成果突飞猛进。传统锂离子电池企业如赣锋锂业、宁德时代进军固态电池相关业务，新兴企业如卫蓝新能源、清陶能源将固态电池的研发与产业化作为主营业务。各家企业不断加大对固态电池研究的投入，根据国家知识产权局数据，我国关于固态电池的专利申请保持上升势头，由 2013 年的 10 项专利申请增加至 2021 年的 305 项专利申请，年均复合增长率高达 53.3%。同时，蔚来汽车等新能源车企均开始在产品端导入固态电池车型，推动固态电池的产业化进程加速。

二、固态电芯的优势魅力

（一）高安全性的保障

固态电解质具有不可燃、无腐蚀、无挥发的特性，这使得固态电芯在安全性方面有了极大的提升。与传统液态锂离子电池中易燃易挥发的有机电解液不同，固态电解质本身的稳定性极高。在传统锂离子电池中，过度充电、内部短路等情况均会造成热失控，电解液在高温下被点燃，最终导致电池起火或者爆炸。此外，电解液腐蚀、挥发、漏液也都可能为电池体系带来严重的安全隐患。而固态电芯中的固态电解质能够有效避免这些问题。

同时，固态电解质对锂枝晶生长有显著的抑制作用。在传统液态锂电池中，若采用金属锂负极，在循环过程中会产生锂枝晶刺穿隔膜，导致电池内部短路，影响安全性和循环稳定性。而固态电解质具有良好的机械性能，能够有效抑制锂枝晶的形成，降低热失控风险。

（二）高能量密度的实现

固态电解质可兼容高比容量正负极，为实现高能量密度提供了可能。从材料端来看，在液态锂离子电池中，电解液的电压窗口直接限制了正极材料的可选范围。而固态电解质的电化学窗口提高至 5V，对高镍正极、有锰溶出问题的含锰化合物、高电压正极材料兼容性更好，打开了能量密度天花板。例如，有研究表明，采用高镍三元正极和限域生长的硅碳负极体系的固态电池，能量密度可达 350Wh/kg。

从结构端分析，在传统液态锂电池中，电池尺寸继续增大受到热管理等问题的制约。而固态电芯中，固态电解质集电解液与隔膜功能于一身，若叠加锂金属负极的使用，将大幅缩短极片之间的距离；单体电芯间可以串联叠加、致密堆积以实现升压效果，从而提高制造效率，减小封装尺寸，提升体积能量密度。

从 Pack 端来看，由于固态电解质出色的耐热性，固态电池对系统热管理的需求减少，进一步减轻系统重量，为提高能量密度提供了空间。

（三）循环性能的提升

固态电芯在循环性能方面具有明显优势。在传统液态电池中，电极材料在充放电过程中体积变化会导致性能衰减。而固态电解质良好的机械性能使得其与电极材料的界面稳定性更高，对电极材料体积变化的适应性更强。

固态电解质解决了液态电解质在充放电过程中形成固体电解质界面膜的问题和锂枝晶现象，大大提升了锂电池的循环性和使用寿命。理想情况下循环性能表现优异，能够达到 45000 次左右。例如，南都电源研制的 20Ah 全固态电池循环寿命 2000 次，完全充放电 500 次，容量保持 93.4%，2000 次后，容量保持率大于 80%。

三、固态电芯的设计创新

（一）全固态电芯的结构设计

全固态电芯通常由正极片、负极片和电解质隔膜层组成。正极片包括正极集流体以及设置在正极集流体一侧的正极活性层，正极活性层在正极集流体的一侧形成凸起区域。而第一电解质隔膜层朝向正极活性层一侧形成凹陷区域，正极活性层位于凹陷区域内，凹陷区域包裹住正极活性层形成的凸起区域，且凹陷区域位于第一电解质隔膜层的中心区域。负极片包括负极集流体以及分别设置在负极集流体上下两侧的负极活性层。第二电解质隔膜层分别与设置在负极集流体上下两侧的负极活性层贴合，且第二电解质隔膜层的投影与贴合的负极活性层的投影重合。第一半成品电芯的第一电解质隔膜层侧，分别与第二半成品电芯上下两侧的第二电解质隔膜层贴合，第一电解质隔膜层的投影与贴合的第二电解质隔膜层的投影重合。同时，正极集流体侧面各边长比负极集流体侧面对应的各边长小 0.5～5mm。

（二）制作方法与工艺

全固态电芯的制作方法主要包括以下步骤：首先，在两条生产线上，分别在正极片设置有正极活性层的一侧涂覆第一电解质隔膜层，进行一次热辊压，得到两个第一半成品电芯；接着，在负极片的上下两侧涂覆第二电解质隔膜层，进行一次热辊压，得到第二半成品电芯；最后，分别将两个第一半成品电芯涂覆有第一电解质隔膜层的一侧，贴合于第二半成品电芯上下两侧，进行热辊压，得到成品全固态电芯。这种制作工艺采用热辊压的方式，可以避免静压过程中由于较大的剪切力导致的掉粉和短路。同时，对于电芯复合工艺要求较低，避免了传统等静压方法的复杂程度，适用于量产放大工艺，能够有效提高电芯的成品率和性能。

（三）高能量密度设计路线

高能量密度全固态锂电池的设计和发展路线主要包括厚电极结构设计和界面工程构建。在不同固态电解质体系下，通过设计具有连续 Li+/e - 传输路径和低曲率结构的厚电极，能够提高电池的能量密度。例如，在固态聚合物电解质体系中，通过在电极制造过程中引入 SPE 或者采用小分子单体的原位聚合，可以构建连续的 Li + 传输通道，降低电极和电解质之间的界面阻抗。在氧化物电解质体系中，可以构建快速锂离子传输通道，如采用多孔双层 LLCZNO 固态电解质或多孔 LLZO 电解质。同时，通过界面工程构建合适的 SSE / 电极界面，讨论几个关键物理和化学因素对构建 Li+/e−传输通道的影响，介绍设计本征高导电性电极来提高电化学反应动力学，并总结厚电极制作的全固态软包电池的最新进展。最后，展望未来厚电极设计的方向，提出高能量密度全固态锂电池的设计和发展路线。

四、固态电芯的性能分析

（一）能量密度突破

固态电芯在能量密度方面取得了显著突破。当前液态锂电池能量密度上限约为 350Wh/kg，而固态电池可以搭配高比能材料，大幅减重，能量密度有望达到 500Wh/kg 甚至更高。例如，采用高镍三元正极和限域生长的硅碳负极体系的固态电池，能量密度可达 350Wh/kg。中国科学院青岛生物能源与过程研究所科研团队开发的均质化正极材料，其全固态锂电池能量密度达到 390 瓦时每千克，是目前所报道长循环全固态锂电池的 1.3 倍。鹏辉能源发布的第一代固态电池能量密度为 280Wh/kg，2025 年在材料端搭配使用更高比例硅基负极，能量密度将达 300Wh/kg 以上。不同类型的固态电池能量密度水平有所差异，半固态电池由于采用了固态电解质与液态电解质的混合设计，能量密度相对较低，但也能满足大多数应用的需求。全固态电池由于完全采用固态电解质，能量密度通常更高。

（二）循环寿命与稳定性

固态电芯在循环寿命和稳定性方面表现出色。固态电解质良好的机械性能使得其与电极材料的界面稳定性更高，对电极材料体积变化的适应性更强。同时，固态电解质解决了液态电解质在充放电过程中形成固体电解质界面膜的问题和锂枝晶现象，大大提升了锂电池的循环性和使用寿命。例如，南都电源研制的 20Ah 全固态电池循环寿命 2000 次，完全充放电 500 次，容量保持 93.4%，2000 次后，容量保持率大于 80%。中国科学院青岛生物能源与过程研究所科研团队开发的全固态锂电池可以实现大于 10000 圈的超长循环，电池在经过 5000 次循环充电后，仍能保持 80% 的初始容量。固固界面难题的破解对性能的提升至关重要。南都电源通过氧化物电解质原位成膜组装技术和致密干法电极工艺，破解了限制固态电池产业化的 “固固界面” 难题，大幅改善固态电解质与电极的界面接触性能，有效提升了全固态电池的循环寿命、倍率性能等。

（三）内阻降低与性能优化

破解固固界面难题对降低电芯内阻起到了关键作用。固体电解质与电极之间难以实现完全的紧密接触，导致界面电阻升高，限制了离子在界面之间的有效传输。同时，固体电解质与电极材料之间在电池工作过程中会发生化学反应，导致界面处形成副产物，阻碍锂离子的流动，增加界面阻抗，并降低电池的循环寿命。南都电源通过氧化物电解质原位成膜组装技术和致密干法电极工艺，破解了 “固固界面” 难题，有效降低电芯内阻。此外，提升电芯性能的其他因素还包括材料的选择与优化。例如，在负极材料端，短期内，硅基负极有望成为固态电池负极材料的主要解决方案。长期来看，金属锂将成为固态电池负极的终极选择。在正极材料端，固态电池正极开发包括三种路线，分别是高镍三元正极、镍锰酸锂、富锂锰基。同时，清华大学化学工程系张强教授团队提出了一种原位体相 / 表界面结构调控策略，构建了快速稳定的 Li+/e−通路，促进了富锂锰基正极材料在全固态锂电池中的实用化，提高了全固态锂电池的能量密度。

五、固态电芯的未来展望

（一）技术挑战与突破方向

固态电芯目前面临着一些技术挑战。首先，离子电导率低是一个关键问题。目前氧化物电解质的离子电导率仍处于 10^-4 S/cm 左右的较低水平，暂时达不到商业化 (> 10^-2 S/cm) 要求。硫化物路线虽然电解质的离子电导率最接近且可望超越液态电解质，但空气稳定性差、对水分非常敏感，因此对电池制造的环境要求严格，生产流程难度高。界面稳定性差也是一大难题，固态电解质与正负极活性材料 “固固” 界面接触不良，导致电池内阻偏高。

未来的突破方向主要包括以下几个方面。一是优化电解质配方，提高离子电导率。例如，研究新型的氧化物、硫化物或聚合物电解质，或者通过复合电解质的方式来综合各种电解质的优点。二是改善界面性能，通过界面工程构建合适的固态电解质 / 电极界面，降低界面阻抗。可以采用表面涂层、原位聚合等方法来增强界面的稳定性和离子传输能力。三是开发新的电极材料，与固态电解质更好地匹配。例如，探索高容量、高稳定性的正极材料和适合固态电池的负极材料，如金属锂或硅基负极。

（二）成本降低趋势

目前固态电芯成本高于液态电池主要有以下原因。一方面，固态电池的生产工艺复杂，如硫化物路线对生产环境要求严格，需要隔绝水和氧气，涉及薄膜沉积等与现有液态锂电池完全不同的生产工艺，大规模量产技术尚未解决。另一方面，固态电池的材料成本较高，如固态电解质的制备成本相对较高，且目前产量较小，缺乏规模效应。

然而，随着技术的成熟和规模化生产，固态电芯的成本有望降低。TrendForce 集邦咨询预期，随制造规模扩大和技术成熟度提升，半固态电池综合成本可望于 2035 年降至 0.4 元人民币 / Wh 以下；2030 年后当全固态电池应用规模大于 10GWh，电芯价格将降至 1 元人民币 / Wh 左右；2035 年经过市场大规模快速推广，电芯价格将有机会降至 0.6 - 0.7 元人民币 / Wh。未来，随着生产工艺的不断优化，生产成本将逐渐降低。同时，随着产量的增加，材料成本也将因规模效应而下降。

（三）市场应用前景

固态电芯在新能源汽车、消费电子、储能等领域具有广阔的市场应用前景。

在新能源汽车领域，固态电池有望提高汽车的续航里程和安全性。随着固态电池技术的不断进步，其能量密度有望达到 500Wh/kg 甚至更高，相比液态锂电池上限约为 350Wh/kg 的能量密度，能够显著提升新能源汽车的续航能力。同时，固态电解质的不可燃特性大大提高了电池的安全性，减少了起火和爆炸的风险。目前，国内外多家新能源车企宣布了半固态电池装车规划，2024 年蔚来、上汽等车企有望批量生产半固态电池车型，广汽、长安等也计划在明后年推出半固态电池车型。全固态电池产业化时间节点将在 2030 年左右，前期将以半固态发展路线为过渡。

在消费电子领域，固态电池的高能量密度和安全性也具有很大的吸引力。可以为手机、平板电脑等设备提供更长的续航时间和更高的安全性，满足消费者对电子产品性能的不断追求。

在储能领域，全固态电池被公认有望突破电化学储能技术瓶颈，满足未来发展需求。目前锂电池占电化学储能比重达 80%，随着电化学储能在用户侧、可再生能源并网配套等领域的需求迎来快速增长，固态电池发展前景明朗。

固态电芯的发展将对未来电池行业产生深远的影响。它将推动电池技术的升级换代，提高电池的性能和安全性，降低成本，促进新能源汽车、消费电子、储能等领域的发展。同时，固态电池的发展也将带动相关产业链的发展，如材料科学、电池制造、电动汽车制造等领域都将因此受益。