【四海读报】20251201：固态电池系列3：全固态电池工程化核心难点在哪？

固态电池系列3：全固态电池工程化核心难点在哪？

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1. 一段话总结

全固态电池工程化的核心难点是压力处理，需解决初始加压（制备过程致密化）与堆叠压力（运行中固固界面接触）两大问题，且负极向硅基/金属锂（膨胀率达300%）迭代进一步加剧挑战；初始加压以等静压为核心方案（温等静压孔隙率仅0.15%），关键突破方向是连续化生产与设备大型化；堆叠压力优化通过材料改性（硫化物掺杂、硫卤复合电解质）和结构设计（低拘束力方案）实现“减压”（目标<2MPa）；产业进度上，2027年将开启车端示范性装车，消费类场景提前落地，投资可关注等静压设备及硫化物、卤化物电解质相关标的。

2. 思维导图

3. 详细总结

一、工程化核心难点：压力处理的双重挑战

全固态电池因“固固接触”替代传统液态电池“固液接触”，工程化核心卡点集中在压力管控，叠加负极材料迭代带来的额外压力。

1. 压力处理的两大核心场景

   • 初始加压：制备过程中需通过外部压力实现材料致密化（同种材料致密度+不同材料层结合性），要求孔隙率≤5%，避免界面接触电阻过高。
   • 堆叠压力：运行中需维持稳定压力，应对充放电“呼吸效应”，保障固固界面持续接触，避免锂枝晶生长与“死锂”形成。

2. 负极迭代的额外挑战

   • 负极材料从石墨（膨胀率10%）向硅基/金属锂（硅膨胀率300%、金属锂体积变化显著）升级，进一步加剧压力管控难度。

二、初始加压：以等静压为核心的三段式解决方案

初始加压通过“前道辊压+中道等静压+后道高压化成”实现致密化，其中等静压是核心方案。

3. 等静压的关键突破方向

   • 连续化生产：卧式设备实现自动进出料，优化工艺节奏（单批次耗时10-39min），解决批次式生产效率瓶颈。
   • 设备大型化：Quintus推进800mm直径设备，先导智能500L级设备已交付，大型化可显著降本（体积增大带动成本快速下降）。

二、堆叠压力：材料与结构双路径“减压”优化

堆叠压力需在“接触效果”与“轻量化”间平衡，目标控制在<2MPa，核心通过材料改性与结构设计实现。

1. 材料改性：界面优化核心方案

   • 硫化物电解质掺杂：通过碘离子、Ag-C纳米复合材料等掺杂，形成动态自适应界面，零压力下循环300次容量保持率74.4%。
   • 复合电解质：硫卤复合（硫化物高导电+卤化物高稳定性），宁德时代、比亚迪等均布局，部分卤化物电解质可在0.1MPa下稳定运行。
   • 卤化物电解质：锆基体系成本仅11.6美元/kg，室温离子电导率达2.42mS/cm，具备低成本潜力。

2. 结构设计：低拘束力方案

   • 核心逻辑：在保证预紧力（≥1MPa）的同时降低结构重量，避免能量密度损失。
   • 主流方案：国轩高科采用非金属绑带（预紧力15MPa，重量降至原来20%）、宁德时代外压系统（理想压力<2MPa）。

三、产业进度与投资方向

1. 产业进度规划

   场景	落地时间	关键节点
   消费类（EVtol、人形机器人）	2027年前	示范应用率先落地
   车端	2027年	开启示范性装车
   商业化量产	2030年前后	小规模量产落地

2. 重点投资方向

   • 设备端：等静压设备（先导智能、Quintus、纳科诺尔）、辊压设备（曼恩斯特）、高压化成设备。
   • 材料端：硫化物电解质（当升科技、厦钨新能）、卤化物电解质（湖南恩捷、中创新航）。

4. 关键问题

问题1：全固态电池工程化的核心难点是什么？为何负极材料迭代会加剧这一挑战？

答案：核心难点是压力处理，具体需解决两方面问题：①初始加压（制备过程中材料致密化，保证固固界面致密度）；②堆叠压力（运行中维持稳定接触，应对充放电体积变化）。负极材料迭代加剧挑战的原因是：当前负极向硅基/金属锂升级，硅基负极充放电膨胀率高达300%，金属锂也存在显著体积变化，远超传统石墨负极（10%膨胀率），导致电池运行中“呼吸效应”加剧，对堆叠压力的稳定性要求更高。

问题2：初始加压环节中，等静压为何成为核心方案？其产业化的关键突破点是什么？

答案：等静压成为核心方案的原因是：相较于传统辊压/热压（压力分布不均、孔隙率≥1.8%），等静压基于帕斯卡原理实现压力各向均匀，其中温等静压可将孔隙率降至0.15%，且能避免颗粒破裂、集流体变形等缺陷，是兼顾致密化效果与成本的最优选择。产业化关键突破点：①连续化生产，通过卧式设备实现自动进出料，解决批次式生产效率瓶颈；②设备大型化，500L级设备已交付，1000L级加速推进，可显著降低单位成本（体积增大带动成本快速下降），单机年产能可达2.7GWh。

问题3：堆叠压力优化的核心目标是什么？主要通过哪些路径实现？

答案：堆叠压力的核心目标是控制在2MPa以内（车端可接受上限<5MPa），在保证固固界面良好接触的同时，避免过高压力导致电池循环失效、能量密度下降。主要实现路径有两条：①材料改性，包括硫化物电解质掺杂（碘/Ag-C纳米材料）、硫卤复合电解质（结合硫化物高导电与卤化物高稳定性），从界面本质上降低压力需求；②结构设计，采用低拘束力方案（非金属绑带、轻量化框架），在保证预紧力的同时降低结构重量，平衡压力与能量密度。