2025年新能源汽车产业链行业新技术系列专题报告：固态电池产业化机遇之工艺与设备

产业化挑战：工艺与成本

从实验室到量产线，电芯大型化仍面临技术难题。从已经发布的半固态/固态电池产品性能参数来 看，现阶段只有氧化物路线的半固态电池最接近商业化应用，而全固态电池样品的单体电芯大小 普遍仍在 20Ah 左右，难以达到 60Ah 及以上的车规级容量。在全固态电池放大生产的工程化和产 业化过程中，材料体系的稳定性、工艺的一致性、系统的安全性都会面临不同程度的挑战，良品 率、生产效率及成本等问题都需纳入考量，其技术难度并非线性增加，而是指数级上升。如何制 备大面积电解质薄膜、如何应对放大的固固界面问题等，都是亟待攻克的难题。

工艺设备均未成熟，全固态电池制造成本高昂。在制造端，工艺革新意味着现有设备的调整升级、 新设备的引进或定制开发、导入阶段缓慢爬坡的良率曲线，高昂的研发费用和设备价格都将显著 抬高制造成本。本田在日本枥木县建设了一条全固态电池示范生产线，再现了量产所需的一系列 生产工序，从电极材料的称量/混炼，到涂装、辊压，再到电池的组装、化成以及模块的组装，其 投资额高达 430 亿日元（约人民币 20 亿元）。若参考 2018 年前的早期锂离子电池产线，该固态 电池产线的产能规模可能不会超过 1GWh，高额的初始投资导致固态电池的单位固定成本极高。 对比之下，目前成熟锂电量产线的单线产能可高达 10GWh，单位投资强度约 2 亿元/GWh，可见 全固态电池在制造端存在巨大降本空间。

工艺革新，设备铺路

全固态电池制造面对三大难关，亟需设备到工艺全面重构。全固态电池与液态锂离子电池看似都 是分层结构，但每一层的粘合逻辑和材料兼容性都存在根本性差异，其技术革新涉及三大问题： （1）电解质革命：全固态电池需用固态电解质膜完全取代液态电解液和隔膜，传统涂布、压合 设备需彻底改造；（2）界面工程挑战：液态电池的液态电解质与电极自然浸润，无需复杂界面 处理，而固态电池的固-固界面需精密处理以解决“干面包硬拼”的缝隙和阻抗问题，对辊压、叠 片等设备要求提升；（3）严苛环境控制：很多固态电池的技术路线对生产环境要求极高，如硫 化物路线对湿度、氧气极度敏感，遇湿即释放毒气，且易爆炸，产线露点控制要求提高。因此设 备是固态电池走向规模量产的基石，也是未来降本增效的核心突破口。

干法工艺：干电极助力降本，电解质成膜工艺创新

干法工艺是一种在无水或极少量溶剂参与的情况下进行材料处理和加工的技术，早期主要被用于 超级电容器制备。在电极生产中主要是将正/负极活性物质、导电剂与粘结剂混合后，直接喷涂到 集流体上，或者通过不同的工艺制成自支撑膜后与集流体复合，避免了传统湿法工艺中溶剂的使 用和后续处理带来的问题，如溶剂回收、干燥等环节，从而提高了生产效率，降低了能耗和环境 污染。 干电极核心优势在于低成本，特斯拉主导推行。从干法制备电极的工艺流程来看，相较于传统锂 离子电池制程大大缩短，不需要使用溶剂及其相关的蒸发、回收和干燥设备，能耗也显著降低， 因此对电池制造降本增效具有积极意义。根据美国干电极设备供应商 AM Batteries，采用其干法 设备可在电极制造中节省 40%的资本支出和 20%的运营支出，同时能耗和碳排放也将降低 40%。 特斯拉将干电极技术作为其降本关键策略之一，积极推进正负极双干法工艺生产大圆柱电池，为 整个行业带来了示范效应，也进一步催化了干法工艺的普及。对于硅基负极而言，干法电极工艺 也被视为解决其循环性能和倍率性能瓶颈的有效手段之一。特斯拉的专利信息显示，该公司正尝 试利用干法工艺，实现碳纳米管或石墨等导电剂对硅基材料的均匀包覆。

干法制膜产业化工艺路线聚焦，粘结剂原纤化成为主流。干法制膜的工艺分为六种不同类型：粘 结剂原纤化、静电喷涂、气相沉积、热熔和挤压、3D 打印和直接压制，其中产业化实践主要围绕 粘接剂原纤化和静电喷涂两大类展开。以特斯拉所收购 Maxwell 为代表的粘结剂原纤化法，通过 高剪切力将粘结剂纤维化，使其将活性物质与导电剂紧密结合，形成具有强度的自支撑电极膜。 日本丰田、美国 AMB 所推崇的静电喷涂法，主要利用带电粉末在电场作用下均匀沉积至集流体 上，再通过热压使粘结剂融化固定、挤压成自支撑膜。尽管静电喷涂法在技术成熟度上较高，但 其在粉末厚度控制和均匀性方面存在更多局限性，其制备的电极膜在耐久性和柔韧性上不及原纤 化法。因此行业普遍认为，粘结剂原纤化法在性能稳定性和可加工性上表现更优，逐渐成为主流 路线。

粘结剂的纤维化是干电极工艺核心环节，核心设备包括气流粉碎机、螺杆挤出机和强力混合机。 粘结剂原纤化的效果受设备和工艺参数的影响，其完善程度直接关乎后续成膜的稳定性以及黏结 剂 PTFE 的用量，并直接影响电池的电化学性能。目前，商用 PTFE 纤维化方法主要包括气流磨 法、高速混合机法及双螺杆法，核心目标都是实现 PTFE 的均匀分散和精细拉丝。这一工艺对设 备的剪切力和温控能力要求极高，核心设备包括气流粉碎机、螺杆挤出机和强力混合机。其中气 流粉碎机效率最高，螺杆挤出机良率最佳。

辊压是成膜环节关键工序，干法工艺设备要求提升。辊压的核心目标是将膜片厚度减薄至满足叠 片或连续收卷需求，同时提升膜片的张力与强度，实现工业化生产。辊压是保证电极厚度均匀一 致的关键步骤，干法电极工艺对辊压设备的性能提出了更高要求，特别是在工作压力、辊压精度 和均匀性方面。由于干法电极缺乏液态溶剂的润湿作用，颗粒间结合力较弱，因此在辊压过程中 需要通过更大的外部压力来实现颗粒的紧密压实。此外，辊压精度和膜厚均匀性对电极的成品率、 能量密度和电池性能稳定性至关重要。 辊压机的成膜性能及生产效率是决定干法工艺能否实现量产的核心要素。干法辊压的速度和压力 直接影响极片的压实密度。行业领先水平的压实密度目标为：负极压实>1.6g/cm³，三元正极压 实>3.5g/cm³，铁锂正极压实>2.5g/cm³。在生产效率方面，成膜的速度和宽度是关键因素。清研 纳科提出，负极成膜速度需达到>80 米/分钟，正极成膜速度>50 米/分钟，幅宽>1000 毫米，并实 现多幅（6 幅）制造，才能接近湿法电极的生产效率（双面湿法速度可达 160m/min），满足大规 模生产的需求。

干法工艺是硫化物固态电池刚需，所有路线固态电池优选。由于硫化物固态电解质对空气和水分 高度敏感，干法工艺成为其量产的必要条件。而其他电解质路线固态电池也逐步倾向于使用干法 电极工艺：干法工艺的无溶剂特性与固态电解质的设计理念相符，基于干法电极与共烧结的致密 化工艺创新，有望将电极/电解质孔隙率压缩至<5%，界面接触电阻显著降低，而在湿法工艺中若 没有适当的辊压处理，溶剂蒸发可能会导致电极的平均孔隙率高达 56%，且残留的溶剂会降低固 体电解质膜的离子电导率。

等静压：致密化与界面问题的潜在解法

固态电池设备开发侧重高压致密化与电极/电解质复合。在传统液态电池中，电极孔隙通过液态电 解液的浸润形成连续的离子传输通道，然而固态电池中固态电解质的刚性特征使其难以充分填充 高孔隙结构，因此固态电池中孔隙率需控制在 5%以下，才能保证锂离子的快速传导。同时，固 态电池中电极/电解质界面的物理接触质量远逊于液态体系，界面阻抗成为性能的主要限制因素。 为了解决上述问题，高压致密化工艺、电解质&极片复合工艺成为固态电池制造的关键工艺，设 备开发的重点落在增强电解质/电极紧密复合和电极致密化，提升界面均匀性。 等静压是一种先进的材料致密化技术。等静压技术是将待压件的粉体置于高压容器中，利用液体 或气体介质不可压缩和均匀传递压力的性质从各个方向对加工件进行均匀加压，使粉体各个方向 上受到的大小一致的压力，从而实现高致密度、高均匀性坯体的成型。在这过程中，材料的特性 与尺寸、形状、取样方向无关，而与材料的成型温度、压力有关。等静压技术本身是一项成熟的 技术，在陶瓷、粉末冶金等领域已有广泛应用。在固态电池中，传统热压、辊压方案提供压力有 限且施加压力不均匀，难以保证致密堆积的一致性要求，进而影响电池性能。而等静压技术可以 有效消除电芯内部的空隙，提升电芯内组件界面之间的接触效果，进而增强导电性，提高能量密 度，并减少运行期间的体积变化。

按成型和固结时的温度高低，等静压机主要分为冷等静压机、温等静压机、热等静压机三类。 冷等静压是目前最常用的等静压成型技术。冷等静压机在常温下运行，无需加热装置，一般由加 压站、冷却系统、缸体（钢筒）、框架、上端塞（顶盖）、控制柜等组成。通常利用液体（例如 水或油或乙二醇混合液体）为压力介质，利用橡胶和塑料作包套模具材料，相比热等静压，可对粉末施加更高的压力（100-630MPa），可为下一步烧结、煅造或热等静压等工序提供具有足够 强度的“生坯”，并可在烧结之前对其进行较为精细的机械加工，显著减少烧结后制品的加工量。 在固态电池应用领域，有研究人员利用冷等静压技术制备石榴石基超薄柔性复合固态电解质膜， 另有研究人员采用冷等静压-高温固相法制备 Li6.3Al0.15La3Zr1.75Ta0.25O12 固态电解质。韩国 LG 能 源公司也曾公开专利，利用冷等静压机采用新型硫化物固态电解质制备了无负极全固态电池。

温等静压存在一定调控难度，海外企业有所布局。温等静压机利用液体或气体作为工作介质，在 密闭容器中通过增压系统逐步加压，使得被加工的物体在各个表面受到相等的压强，并在模具限 制下完成成型过程。与冷等静压机相比，温等静压机在工作过程中会加热介质或工件，以达到特 定的温度条件，从而促进材料的致密化、扩散或相变等过程。工作温度一般不超过 500℃，压强 范围可达 300MPa 左右。但是温等静压的温度和压力对于制品有着很大的影响，较难实现对温度 的精准控制，同时工作缸内均温性也难以得到保证。据报道称，三星 SDI 在固态电池产线中测试 中采用了水压和辊压工艺的温等静压机。瑞典高压设备专业供应商 Quintus Technologies 在其电 池应用中心投入的 QIB 180 实验室电池压机也是温等静压机。 热等静压适用性好但成本较高。热等静压机需要以较为昂贵的氩气、氮气、氦气等惰性气体或其 他混合气体作为压力介质，向制品（粉体或已经成型的样品）施加各向同等压力（100~200MPa） 的同时利用加热炉对制品施加 1000~2200℃的高温，从而使制品得以烧结或致密化的过程。在固 态电池生产中，热等静压机能够确保电池组件在高压和高温下受到均匀的压力，从而产生高度均 匀的材料，提高电池的整体性能；可控性强，通过调节压力和温度等参数，可以精确控制固态电 池的致密化和界面接触过程，满足不同应用场景的需求；适用范围广，热等静压机适用于不同材 料和结构的固态电池生产，具有广泛的适用性。

叠片：全固态主流装配工艺，精度要求大幅提升

叠片工艺是全固态电池的主流装配方案。全固态电池需在无液态介质条件下实现固态电解质层与 电极层的紧密贴合，无机电解质由于韧性和延展性较差无法适用传统液态电池中常见的卷绕工艺， 而叠片工艺可以通过正极、固体电解质膜和负极的简单堆叠实现电池各组件的集成，从工艺成熟 度、成本、效率等方面考虑，是最适用于全固态电池的装配工艺。当前，丰田、Quantum Scape 等头部企业均以叠片工艺为核心推进全固态电池量产。因此在固态电池中段设备中，叠片机有望 取代卷绕机占据主导地位。 固态电池对叠片设备提出严苛要求。一方面，叠片压力需要精准控制，既要保证相邻极片之间的 贴合度，又要避免固态电解质产生微裂纹，直接导致电池短路。另一方面，在压合过程中，容易 出现固态电解质膜与电极膜之间因横向作用力而发生相对偏移的问题，且叠片过程中，正负极边 沿处容易因压合作用而出现弯折接触而导致短路的情况。因此固态电池用叠片设备需要具备更高 的精度和稳定性。

设备企业相关布局

设备开发依赖电池-材料-设备企业的协同。在工艺和装备端，当前最大挑战是全固态电池的材料 技术路线未确定，工艺路线亦未确立，因此全固态电池企业-材料企业-设备企业间的协同重要且 迫切。设备开发必须紧密结合材料特性和电池厂的具体需求，现阶段以定制化为主，可能会导致 设备企业与电池厂之间形成较强的绑定关系。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）