固态电池系列 3：全固态电池工程化核心难点在哪？

一、全固态电池工程化核心难点：压力处理

从第一性原理来看，离子传导的前提是材料接触，这需要在一定压力下实现，而全固态电池是固体与固体接触，替代了传统液态电池的固体与液体接触，要达到工业化所需的循环、倍率、稳定性等性能要求，压力处理成为核心难点。

压力处理主要涉及初始压力和堆叠压力两方面。初始压力即制备压力，是电池制造中电极制备压延过程施加的外部压力，通常为几十、几百 MPa 甚至几个 GPa，用于实现固固有效接触；堆叠压力是电池组装和运行时的外部压力，通常小于 10MPa，需解决电池在日常循环 “呼吸” 导致膨胀后，仍能保持良好固固接触的问题，这直接影响电极和电解质的孔隙率及离子电导率。

此外，电池充放电中的膨胀是全固态时代的一大难点。正极材料相变引发的晶胞体积变化小于负极材料，而根据《节能与新能源汽车路线图 3.0》，负极材料未来将从石墨迭代为硅基 / 金属锂，硅负极充电时最大体积膨胀率高达 300%，金属锂充放电过程中也会有显著体积变化，这对电池稳定运行带来更大挑战。

二、全固态电池的初始加压

全固态电池制备中，初始压力需实现材料致密化，强化 “固固” 界面接触，解决同种材料界面致密度不足以及不同材料层结合性差的问题。当电极或电解质孔隙率压缩在 5% 以内时，界面接触电阻会显著降低，常见致密化方法包括辊压、单轴面压制和等静压等，核心依赖前道的极片辊压、中道的等静压、后道的高压化成等工序。

2.1 前道工序：辊压设备是关键

全固态电池需升级辊压设备，且常与干法工艺搭配。干法工艺无需使用溶剂，可消除湿法工艺中溶剂分子残留与固态电解质发生副反应的风险，提升电池安全性和能量密度。以曼恩斯特干法多辊双面成膜复合系统为例，其能通过精确调节压辊间隙、压力及温度，实现膜片多级压延成型，压力调节范围为 0-50 吨，满足材料初步致密化和压实密度要求。

2.2 中道工序：等静压是潜力较大的加压方案

等静压是全固态电池中道核心设备，可实现正负极与电解质材料间的致密化。基于帕斯卡原理，等静压压力各向均匀，相比传统热压与辊压压力方向单一、分布不均的情况，能避免边缘效应与层间滑移，更好地实现三维致密化和一致性。单轴辊压电极复合材料密度最高仅达 85%，且易出现颗粒破裂、集流体变形等缺陷，而 Quintus 温等静压在 500MPa、85℃条件下可使电极密度提升至 95%。

等静压分为冷等静压、温等静压和热等静压，“冷 - 温 - 热” 依次对应工作温度递增、生产成本递增、生产效率递减。温等静压在致密化性能、生产效率与成本间实现相对平衡，冷等静压致密化程度有限，热等静压温度过高副作用突出，相关数据显示，单轴压制坯体孔隙率约 12%，冷等静压为 1.8%，温等静压仅 0.15%，温等静压更能满足致密化要求。

等静压产业化关键在于连续化生产和设备大型化，目前处于完善期。连续化生产方面，传统等静压立式腔体自动化程度低、产线适配性不足，卧式设计成为发展方向，包头科发、先导智能等企业采用卧式工作缸实现自动进出料；等静压工艺整个过程约 10-39 分钟，可通过优化升温和降温节奏、减少保压时间等方式提升效率，同时需解决高温高压环境下的爆炸、泄漏风险及硫化物等电解质对水汽敏感带来的设备水汽管理问题。设备大型化方面，Quintus 直径 300mm、600mm、800mm 产品处于试点到量产阶段，国内 500L 级卧式温等静压已交付验证，下一步或向 1000L 以上尺寸发展，大型化不仅能提升生产效率，还能降低成本，如典型 400mm 直径、4000mm 长度设备预计年产能 2.7Gwh。

目前，Quintus、先导智能、Hana Technology 等多家企业在等静压设备领域有相关进展，如 Quintus 正在研发内径 > 300mm、容积 2000L 级、缸长达数米的卧式温等静压机，单机年产能可达约 22.6GWh；Hana Technology 已向 LGES 梧仓基地交付 Φ400×2000mm 温等静压整线，2025 年将追加 Φ600×3000mm 机型用于中试线建设。

2.3 后道工序：高压化成是关键

高压化成是后道工序的核心，用于实现首次充放电循环中的加压。全固态电池化成工序压力显著高于液态电池，通过高压（10-30MPa）强制使固态电解质与电极颗粒发生塑性变形，填补孔隙形成面接触，从而显著降低界面阻抗，国内某企业相关设备可提供 5-120 吨压力范围调节。

需注意的是，当前致密化方案尚未完全技术收敛，SK On 将率先在全固态量产线上引入温等静压工艺，三星 SDI 因认为温等静压工艺存在效率瓶颈，研发重心转向可扩展性更强的辊压工艺，另有企业提出 “多级辊压 + 干法电极” 等方案。

三、全固态电池的堆叠压力

3.1 堆叠压力的必要性与适宜范围

保持一定堆叠压力对全电池至关重要，可解决固态电池制造中界面接触不均匀、树枝状锂生长和工艺可扩展性三大关键挑战，尤其针对硅基、锂金属等高容量负极材料，能抑制锂枝晶生长、防止空洞和 “死锂” 形成。

但堆叠压力需控制在合适范围，压力过小无法实现良好固固接触；压力过大则会导致电池循环性能变差，且要求电池壳体具备极高机械强度，增加设计复杂度和重量，推高制造成本、降低生产良率并增大安全隐患。数据显示，5MPa 低堆叠压力下，硫化物固态电池可稳定循环超 1000 小时，而压力增至 25MPa 时，电池数十小时内便会迅速失效；金属锂负极屈服强度为 0.7±0.2MPa，过高压力会导致塑性变形，正常运行需压力控制在 5MPa 以下，工业化要求更低。

低堆叠压力是全固态电池产业趋势，行业普遍共识 “低压” 目标为低于 10MPa，终端汽车可接受上限指向 2MPa，其本质是对界面问题的改善，主要通过材料改性和结构设计两方面实现。

3.2 界面材料改性实现 “减压”

（1）硫化物电解质为主流选择，需通过掺杂或复合改性

基于电导率优势，硫化物为主的固态电解质成为企业较多选择。四类主流电解质中，聚合物电解质室温离子电导率一般（10-7-10-5 S/cm），性能潜力有限；氧化物化学稳定性强但电导率一般、界面接触差；卤化物化学稳定性较好但导电率不足；硫化物室温离子电导率可达 10⁻³-10⁻²S/cm，最接近液态电解质，宁德时代、比亚迪等企业均采用以硫化物为主的技术方案。

但硫化物电解质化学稳定性一般，与锂金属负极接触可能被还原分解，与高电压正极材料接触可能发生氧化分解，需通过掺杂或复合改性降低堆叠压力。

（2）掺杂改性方案

学术研究和工业化应用中已有多种掺杂方案：在硫化物固体电解质中预置碘离子等可迁移阴离子，能原位形成 “动态自适应界面”，填充界面孔隙与裂缝，碘掺杂的硫化物电解质 Li₃.₂PS₄I0.2 组装的电池，零外部压力下循环 300 次后容量保持率达 74.4%；利用含磷和氟的化合物（DPF）在硫化物电解质表面生成超薄界面层，30℃、2.5Mpa 低堆叠压力下，锂金属全固态电池可实现高库仑效率（>99.9%）、长循环寿命（~10000 小时，约 600 圈）和高负载（>7mAh cm−2）；引入 Ag-C 纳米复合材料层，可提升固态电池循环性能。工业化层面，当升科技研发的氯碘复合硫化物电解质可在低于 5Mpa 低压下运行，三星 SDI 采用银 - 碳（Ag-C）复合负极材料，计划 2027 年实现相关固态电池量产。

（3）复合电解质方案

硫化物基复合电解质是潜力较大的方案，通过集合其他材料的界面优势与硫化物复合，可在 “高导电性 + 高稳定性” 间取得平衡。卤化物固态电解质正极稳定性优于硫化物（兼容更高电压），但离子导电率普遍不高，产业常通过与硫化物复合应用，也有企业在硫化物和卤化物体系中添加部分聚合物电解质。

卤化物电解质处于发展早期阶段，锆基具备较大潜力。常见卤化物电解质有 LiₐMX₄、LiₐMX₆及 LiₐMX₈三类，2018 年发现的 Li₃YCl₆和 Li₃YBr₆室温电导率高、化学稳定性好，2023 年中科大开发的氧氯化锆锂（Li1.75ZrCl4.75O0.5）电解质，室温离子电导率达 2.42 mS/cm，原材料成本仅 11.60 美元 /kg。学术研究表明，卤化物固态电解质 Li₃YBr₂Cl₄在 0.1MPa 压力下对 LiIn 合金、0.2MPa 压力下对锂金属负极可可靠运行，容量损失有限。产业层面，信宇人 2025 年试制的卤化物固态电解质样品，离子电导率达 1.5-2 mS/cm；宁德时代、比亚迪、清陶能源等多家企业均布局卤化物固态电解质复合应用，如用于高压正极包覆或涂覆改性，与硫化物搭配使用。

3.3 电池结构设计保持堆叠压力稳定性

电池结构设计需平衡外部压强与轻量化，通过结构化设计保持较强预紧力。液态电池仅需几十到上百公斤压力即可满足全生命周期预紧力要求（0.1-1 兆帕），而全固态电池至少需要兆帕级别预紧力，但单纯追求高约束力会牺牲能量密度，还需解决循环过程中体积膨胀收缩的全生命周期稳定性、断面平整度与一致性，以及成组率下降导致系统能量密度降低等问题。

结构设计常见方案包括金属模组框架约束、一体式铝材基础框架、模组形式的金属 / 非金属绑带约束、金属箱体整体约束等。宁德时代相关研究数据显示，消除锂金属全固态电池外部压力可显著延缓锂枝晶短路现象，成组外压力理想值＜2Mpa，上限＜5Mpa；国轩高科的金石电池单体预紧力下降 90%，可提供 15 兆帕左右预紧力，重量减至之前的 20%，以 0.33C 为基准，1C 放电性能达 80% 以上；中国一汽的模组结构可实现工作压力大于 20MPa，基本满足整包需求。

四、相关产业链和产业进度

全固态电池预计以 2027 年示范性装车为节点，消费类场景（如 EV tol、人形机器人等）或在此之前开启示范应用。根据《节能与新能源汽车路线图 3.0》，全固态电池量产应用需突破材料层面关键科学问题和产业层面高效生产工艺 / 低成本化难题，2030 年前后可能实现小规模量产。

从产业进度来看，多家全固态电池企业计划 2027 年实现示范装车。车端对电池循环性要求较高，消费类场景对该性能要求相对较低，因此消费类市场可能先启动示范使用。

产业链相关企业在设备、材料、电池制造等领域均有布局：设备领域，先导智能打通全固态电池量产全线工艺环节，研发出 600Mpa 等静压设备，纳科诺尔掌握干法电极等多项设备制造技术，川西机器具备大尺寸等静压设备制造能力；材料领域，当升科技计划投建年产 3000 吨固态电解质材料生产线，中科固能百吨级硫化物固态电解质生产线已投产，厦钨新能实现氧化物固态电解质吨级生产；电池制造领域，国轩高科全固态金石电池处于中试量产阶段，已启动 2GWh 量产线设计，宁德时代将 2027 年定为全固态电池小批量装车关键节点，同步推进中试线产能爬坡与车规级样品验证。

风险提示

1. 硫化物、卤化物等电解质材料降本不及预期。

2. 全固态电池设备规模化和相关工艺进展不及预期。

3. 全固态电池产业进度可能超预期或不及预期，导致量产时间提前或推迟。

4. 卤化物和硫化物处于产业早期阶段，技术基本收敛，但未来是否出现新材料存在不确定性。