固态电池优势、技术线路及生产工艺分析

国内政策产业齐发力，锚定全固态电池 2027 年量产目标。

固态电池指使用固态电解质代替传统电解液的锂电池，按照固态电解质用量 可分为半固态电池和全固态电池。通常我们将电池内液体含量 10%作为区分半固 态电池和液态电池的分界线，而全固态电池将完全使用固态电解质，液体含量将 降为 0%。

固态电池具有更高的能量密度和更高的安全性两大突出优势，是下一代电池 技术的研发重点。目前磷酸铁锂电池的能量密度在 200wh/kg 左右，对应续航在 300-500km。三元电池的能量密度在 250wh/kg 左右，对应续航 500-700km。而固 态电池若采用高镍三元+金属锂的材料体系，能量密度有望超过 400Wh/kg，续航 将获得重大提升。安全性方面，目前锂电池面临的诸多安全问题都可归咎于液态 电解质溶剂的可燃性。用固态电解质代替传统有机液态电解液，可以从根本上解 决漏液以及电解液挥发导致的安全问题。基于固态电池的上述优势，可以在动力、 消费、军工、低空飞行器等场景有广阔的应用空间，学界和产业界都在重点投入 研发，争取早日实现固态电池技术的量产突破。

固态电池主要分为三条路线：聚合物、氧化物及硫化物，由其采用的电解质 来做区分。固态电解质是固态电池相比液态电池最大的区别。根据所采用的电解 质材料的不同，固态电池主要分为三条路线：聚合物、氧化物及硫化物。 a) 聚合物：性能短板明显，不是现在的主流方向。有机物，如 PEO。2011 年就有法国公司推出。优点是容易加工，设备兼容性好；缺点是导电率 最低、柔软容易软路、热稳定性三者最差（200 度）。 b) 氧化物：国内企业布局的较多，半固态电池采用该路线的较多。无机物， 如锂镧锆氧 LLZO（离子电导率高、对锂金属稳定、应用潜力更大）、磷 酸铝钛锂 LATP、LAGP；LiPON 等。优点是导电率居中、热稳定性好；缺 点是比较硬容易脆裂、固固接触差、需要高温烧结。国内厂商氧化物路 线布局的较多。 c) 硫化物：被认为是固态电池的终极路线，日韩企业押注，国内大厂也在 加大研发力度。优点是离子电导率最高，缺点是化学稳定性和环境稳定 性差，生产环境要求苛刻，生产成本高。日韩电池厂商押注该路线，国 内一些大厂也在加大研发。

中国冲刺全固态电池研发，目标 2027 年量产；近期宁德、华为等头部大厂 在硫化物路线动作频频。2024 年中，工信部牵头从国家层面支持加大对固态电池 的研发，为遴选出来的六家重点企业提供了超 60 亿元的研发补贴，目标 2027 年 实现全固态电池的小规模量产。这 6 家企业分别是比亚迪、吉利、上汽、一汽 4 个整车企业，以及宁德、卫蓝 2 个电池厂。近期我们也看到国内大厂，如华为也 公布了硫化物固态电池的专利，宁德时代将固态电池研发团队扩充至超 1000 人， 主攻硫化物路线，进入 20Ah 样品试制阶段。全固态电池样品试制通常是从 1Ah 开始不断做大单个电池容量。在 1Ah 样品阶段的任务是检测电池材料性能优劣； 10Ah 样品时主要检测电池的单体性能；20Ah 样品阶段则意味着电池方案初步定 型，进入生产技术探索阶段。

海外企业也基本锚定 2027 年为第一代硫化物电池的目标节点。第一阶段， 2024-2027 年，将推出采用传统 NCM 正极和石墨/硅负极的第一代硫化物固态电 池，电池能量密度达到 300-400 Wh/kg。第二代硫化物固态电池将在 2030 年左 右实现商业化，同时应用新一代正极(如富锂和高压正极)、负极(如高硅负极、 锂金属负极和无负极设计)和超薄 SE 膜，以及双极板等新型电池设计，能量密度 将超过 450 Wh/kg 和 1000 Wh/L。

锂电池的生产工艺可以分为前、中、后三个阶段，设备的价值量约为 4:3:3。 前段工序电极制作环节，目的是将原材料加工成为（正、负）极片，核心工序为 涂布；中段目的是完成电芯的卷绕和注液，将极片加工成为未激活电芯；后段工 序是检测封装，核心工序是化成、分容。

干法电极是一种创新的电极制备工艺，干法和传统的湿法工艺的差别主要在 前道的电极制作环节： 传统的湿法电极工艺：通常把活性材料（正极或负极）、导电剂以及粘结剂 按一定比例在溶剂中混合得到电极浆料。然后把电极浆料涂覆在集流体（铜箔或 者铝箔）上经过烘干得到电极。在湿法电极的浆料制备过程中会用到大量有机溶 剂 NMP，后续还需要做粉料的烘干以及溶剂的回收。

干法电极工艺：是一种创新的电极制备方法。在不使用溶剂的情况下，通过 干法混合粘合剂、活性材料和导电剂，然后将其压制在集流体上形成电极的一种 制造工艺。干法工艺在活性材料混合的时候最大的特点在于：（1）不需要溶剂； （2）粘结剂改用 PTFE。

相较于传统湿法工艺，干法电极工艺在成本效率、性能提升、结构稳定性和 生产适应性四个方面存在显著优势： （1）成本优势：干法工艺省去涂布、干燥及溶剂回收等环节，设备投资低、 能耗小、所需场地面积小。可大幅度降低设备、人力、设施和能源的投入成本。 （2）性能提升：干法工艺能有效提升活性物质的压实密度，同等条件下，电 池的能量密度可获得约 20%的提升。 （3）结构稳定性提升：干法工艺中粘结剂形成的原纤化网状结构，极大增 强了活性物质的稳固性，防止膨胀与脱落，从而提升了电极的整体电性能与使用 稳定性。 （4）适应电池技术的前沿发展需求：更好地适应了电池技术的前沿发展需 求，如预锂化策略和固态电池的制备，展现出在先进电池制造领域的广泛适用性 和未来潜力。

干法工艺和硫化物固态电池的适配性较好，可以规避硫材料遇溶剂易反应易 腐蚀的问题，是全固态电池量产过程的重要助推。固态电池的几个技术路线中， 干法工艺用于做硫化物固态电池的适配性比较强的。硫化物电解质对极性有机溶 剂极为敏感，同时金属锂容易与溶剂反应，导致膨胀更加严重，传统的 PVDF-NMP 体系粘结强度有限，而干法电极中由 PTFE 原纤维化构成的二维网络结构，可以 抑制活性物质颗粒的体积膨胀，防止其从集流体表面脱落。此外，采用干法电极 工艺，固态电池的极片制造过程可以实现完全干燥，消除湿法工艺烘干后溶剂分 子的残留问题。对于氧化物固态电池路线而言，干法工艺不一定适用，因为氧化 物材料特性较脆，难以通过加压解决接触问题。

干法电极设备和传统湿法电极工艺在设备端的差异主要体现在： （1）省去了涂布、烘干、溶剂回收设备； （2）增加纤维化设备，主要为气流粉碎机、螺杆挤出机等；另外制膜所需 的辊压机要求提升。

气流粉碎机，又称为气流磨或者流能磨，是利用高速气流使物料与冲击部件 发生碰撞、冲击、剪切等作用而粉碎。由空气压缩机、储气罐、冷干机（含过滤 器）、气流粉碎主机、高精分级机、旋风收集器、脉冲袋式除尘器、高压引风机、 控制柜、加卸料等系统组成。 在正负极材料的制备过程中，气流粉碎机通过高速气流使物料与冲击部件发 生碰撞、冲击和剪切，从而实现粉碎。经过气流粉碎的物料具有较小的平均粒径， 粒度分布较为均匀，颗粒表面光滑、形状规则、纯度高、活性良好且分散性优越。

螺杆挤出机，通过旋转的螺杆将物料向前推进，物料在螺杆和机筒的剪切与 挤压作用下，完成混合、塑化和熔融，最终通过模具进行成型挤出。螺杆挤出机 在干法电极技术中可以实现粉体混合物的高效、连续、均匀挤出成型，为干法电 极的制备提供有力支持。

辊压机，通过两个或多个旋转的辊筒施加压力，使物料发生塑性变形并紧密 结合。在固态电池的制造过程中，辊压机被用来将电极材料和固态电解质等粉末 状物质压制成指定的形状和尺寸。对于辊压技术而言，干法电极成型的难点主要 在于如何提高成膜的连续稳定性、厚度一致性和生产效率。