中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：全固態(tài)電池因其高安全性和潛在的高能量密度，有望成為電動(dòng)汽車和其他移動(dòng)設(shè)備的下一代電源解決方案，是未來(lái)新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵制高點(diǎn)之一。在2月15日舉辦的“2025中國(guó)全固態(tài)電池產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)年會(huì)暨第二屆中國(guó)全固態(tài)電池創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇”上，與會(huì)企業(yè)家和專家學(xué)者提出全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化需解決技術(shù)、工藝和成本的問(wèn)題，有望在2027年前后實(shí)現(xiàn)小批量裝車，2030年實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)[1]。3月31日，工信部辦公廳印發(fā)《2025年工業(yè)和信息化標(biāo)準(zhǔn)工作要點(diǎn)》[2]，首次將全固態(tài)電池納入新產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。本文系統(tǒng)梳理全固態(tài)電池技術(shù)主要國(guó)家戰(zhàn)略布局、產(chǎn)業(yè)動(dòng)態(tài)和發(fā)展路線，深入分析全固態(tài)電池關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，并展望未來(lái)趨勢(shì)。
一、全球主要國(guó)家競(jìng)相布局全固態(tài)電池
1、提供政策支持與資金投入，搶占科技制高點(diǎn)
全固態(tài)電池作為下一代動(dòng)力電池公認(rèn)的發(fā)展方向，受到全球許多國(guó)家的高度重視。為了搶占新能源時(shí)代的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，主要國(guó)家積極開(kāi)展戰(zhàn)略布局，并大力投入資金支持。日本政府在2015—2024年間投資近2000億日元（約100億元）用于全固態(tài)電池的技術(shù)開(kāi)發(fā)，并在2022年發(fā)布《蓄電池產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略》[3]，計(jì)劃在2030年左右實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的商業(yè)化，確保技術(shù)領(lǐng)先地位。美國(guó)能源部（DOE）于2021年發(fā)布了《國(guó)家鋰電池藍(lán)圖2021—2030》[4]，指出需要重點(diǎn)關(guān)注全固態(tài)電池相關(guān)的新材料、電極和電池制造方法，并通過(guò)Battery500、IONICS、EVs4ALL、Li-Bridge等項(xiàng)目投資超過(guò)2億美元（約15億元）資助相關(guān)企業(yè)、高校與科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展下一代電池研發(fā)。我國(guó)在2020年印發(fā)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035）》中將固態(tài)電池列為重點(diǎn)攻關(guān)方向[5]，并規(guī)劃投入60億元用于支持固態(tài)電池的專項(xiàng)研發(fā)[6]。
2、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同整合，加快成果轉(zhuǎn)化
各國(guó)均積極推進(jìn)全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新，加快科技成果市場(chǎng)化進(jìn)程。日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）組織了包括汽車企業(yè)、電池企業(yè)、材料企業(yè)、高校、科研機(jī)構(gòu)在內(nèi)的38家單位，成立了產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟，著力于解決全固態(tài)電池量產(chǎn)化面臨的技術(shù)問(wèn)題，并推動(dòng)低碳化社會(huì)體系設(shè)計(jì)[7]。DOE阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在2021年宣布組建“鋰橋聯(lián)盟”（Li-Bridge），通過(guò)建立國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、高校與私營(yíng)企業(yè)等公-私合作關(guān)系，加速構(gòu)建安全穩(wěn)定的鋰電池國(guó)內(nèi)供應(yīng)鏈[8]。我國(guó)全固態(tài)電池產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)于2024年1月成立，建立了政府、高校、科研機(jī)構(gòu)以及包括汽車、電池、材料、檢測(cè)加工設(shè)備等全產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)協(xié)同合作的生態(tài)，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的技術(shù)領(lǐng)先，加速全固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程[9]。
3、推進(jìn)多種技術(shù)路線并行，開(kāi)展差異化競(jìng)爭(zhēng)
全固態(tài)電池一般根據(jù)電解質(zhì)體系劃分為聚合物、氧化物、硫化物和鹵化物技術(shù)路線，在性能、成本、技術(shù)成熟度等方面各有優(yōu)劣，因此主要國(guó)家均采用多種路線并行發(fā)展的戰(zhàn)略，并且主導(dǎo)的技術(shù)路線上表現(xiàn)出一定的地區(qū)差異性。日本主要聚焦于硫化物路線，由于布局較早，有著豐富的技術(shù)積累，掌握大量硫化物電解質(zhì)合成、界面優(yōu)化等核心專利，在全球處于領(lǐng)跑地位。韓國(guó)主要布局氧化物和硫化物技術(shù)路線。歐洲發(fā)展聚合物路線較早，近年來(lái)也在逐步加大對(duì)硫化物路線的投入。美國(guó)在全路線均有布局，目前氧化物-聚合物復(fù)合路線相對(duì)成熟，硫化物路線也在迅速發(fā)展中。我國(guó)目前大力發(fā)展氧化物路線，尤其是氧化物-聚合物的復(fù)合路線發(fā)展較快，已經(jīng)走在了世界前列，同時(shí)也在積極布局硫化物路線，期望在未來(lái)3~5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)日本的技術(shù)反超。Asano等[10]在2018年通過(guò)機(jī)械化學(xué)方法合成了高離子電導(dǎo)率（1.7 mS/cm）的Li3YCl6和Li3YBr6后，使得鹵化物路線得到了廣泛關(guān)注，但目前該路線仍以實(shí)驗(yàn)室研發(fā)為主，尚未形成產(chǎn)業(yè)化布局。
二、全固態(tài)電池關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
全固態(tài)電池相比液態(tài)電池在性能上具備諸多優(yōu)勢(shì)。采用固態(tài)電解質(zhì)材料替代易燃易揮發(fā)的電解液，可大幅提升電池安全性；匹配富鋰錳基正極、鋰金屬負(fù)極等高容量正負(fù)極材料，可使電池理論能量密度提升至500瓦時(shí)/千克以上；由于低溫下無(wú)液態(tài)成分變性，電池低溫充放電性能可進(jìn)一步提升。全固態(tài)電池四種技術(shù)路線的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。
表1 全固態(tài)電池技術(shù)路線及優(yōu)缺點(diǎn)
針對(duì)全固態(tài)電池目前存在的界面副反應(yīng)多、接觸電阻高，鋰枝晶生長(zhǎng)刺穿電解質(zhì)使電池失效，材料對(duì)空氣和濕度敏感，電池制造工藝復(fù)雜、成本高等問(wèn)題，科研人員開(kāi)展了大量基礎(chǔ)研究，在關(guān)鍵技術(shù)課題上取得了顯著成果，2024年至今的主要進(jìn)展如下。
1、改善界面接觸
澳大利亞新南威爾士大學(xué)在導(dǎo)電碳材料表面引入氧官能團(tuán)，使正極-硫化物電解質(zhì)界面處形成一層含硫酸鹽和磷酸鹽的界面層薄膜，組裝的NMC/Li?PS?Cl/Li全固態(tài)電池在室溫下循環(huán)1000次后容量幾乎無(wú)衰減，60 ℃下循環(huán)2000次后容量保持率＞90%[11]。復(fù)旦大學(xué)提出了一種Li2ZrF6（LZF）涂層，通過(guò)濕法涂覆與熱處理工藝，在LiCoO2（LCO）正極顆粒表面制備了10~18 nm的LZF包覆層，在30.19 毫克/平方厘米的高負(fù)載下能達(dá)到5.2毫安時(shí)/平方厘米的初始面容量，循環(huán)1500次后容量保持率達(dá)到80%以上[12]。清華大學(xué)設(shè)計(jì)了一種設(shè)置在鋰源/負(fù)極接觸界面的鋰基合金人工電子通路，以遏制干態(tài)過(guò)程中的鋰源/負(fù)極界面腐蝕行為，從而為整個(gè)接觸預(yù)鋰化過(guò)程提供穩(wěn)定的電子傳輸路徑，實(shí)現(xiàn)鋰源轉(zhuǎn)化率大幅提升[13]。
2、抑制鋰枝晶生長(zhǎng)
美國(guó)馬里蘭大學(xué)和浙江大學(xué)將凝膠電解質(zhì)沉積在20微米的超薄鋰金屬負(fù)極表面，構(gòu)造了固態(tài)電解質(zhì)界面和復(fù)合聚合物界面的雙層界面，能在薄電解質(zhì)膜中實(shí)現(xiàn)2毫安/平方厘米的臨界電流密度，達(dá)到傳統(tǒng)鋰金屬電池的20倍以上[14]。中國(guó)科學(xué)院物理研究所設(shè)計(jì)了一種軟碳（SC）-Li3N界面層，這種兼具離子電導(dǎo)和電子電導(dǎo)的混合界面層有助于Li+在界面上的高效傳輸，應(yīng)用SC-Li3N界面層的全固態(tài)電池可在7.5毫安/平方厘米的高電流密度下循環(huán)6000次[15]。美國(guó)馬里蘭大學(xué)和羅德島大學(xué)使用一類還原性親電子試劑包覆在硫化物固態(tài)電解質(zhì)表面，形成薄且致密的LiF-LixPyOzF固體還原性親電試劑界面層，該界面層具有疏鋰特性，能有效抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)，組裝的Li(1% Mg)/SSE/LiNi0.8Co0.15Al0.05O2電池能在7.1 mAh/cm2的負(fù)載下穩(wěn)定循環(huán)600次（約10000小時(shí)）[16]。
3、提升化學(xué)穩(wěn)定性
韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)以高離子電導(dǎo)率的硫化物L(fēng)i6PS5Cl（LPSC）為基體，在表面誘導(dǎo)生長(zhǎng)對(duì)濕度穩(wěn)定的SnS44?單元，形成具有核殼結(jié)構(gòu)的電解質(zhì)Li10SnP2S12(LSPS)@LPSC。在干燥的環(huán)境中暴露2小時(shí)后，(LSPS)@LPSC比未經(jīng)修飾的LPSC的鋰離子電導(dǎo)率高30倍[17]。浦項(xiàng)全球研發(fā)中心將硫銀鍺礦型固態(tài)電解質(zhì)Li5.4-2.4kPS4.4-4.4kO4kCl1.6-1.6k（HR-LiPSOCl）晶格結(jié)構(gòu)中PS4單元的Wyckoff 16e位點(diǎn)進(jìn)行氧取代，使得電解質(zhì)在潮濕環(huán)境下的離子電導(dǎo)率衰減速度減緩，在200次充放電循環(huán)后的容量保持率由78%提升至84%[18]。北京科技大學(xué)向鋰硫銀鍺礦電解質(zhì)Li5.7PS4.7Cl1.3（LPSC）中加入雙功能摻雜劑InF3，可實(shí)現(xiàn)5.6毫西門(mén)子/厘米的室溫離子電導(dǎo)率，Li/LPSCInF/Li對(duì)稱電池在1毫安/平方厘米的電流密度下可穩(wěn)定循環(huán)1000個(gè)小時(shí)，組裝的LiCoO2/LPSCInF薄膜/Li電池在500次循環(huán)后容量保持率>83%[19]。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校向LPSC電解質(zhì)的表面引入長(zhǎng)鏈烷基硫醇進(jìn)行修飾，構(gòu)造疏水保護(hù)層，大幅提升材料的耐濕性能。修飾后的電解質(zhì)（UDSH@LPSC）在暴露3天后耐濕性能提升100倍以上[20]。
4、降低成本
英國(guó)牛津大學(xué)探討了鋰金屬負(fù)極的降成本可行性，提出熱蒸發(fā)技術(shù)是最有望實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的鋰箔制造方式，經(jīng)過(guò)測(cè)算負(fù)極成本約為24.2美元/千瓦時(shí)，全固態(tài)電池的生產(chǎn)成本為158美元/千瓦時(shí)，略高于液態(tài)電池的126美元/千瓦時(shí)，考慮到高能量密度、高安全性和快充能力等優(yōu)勢(shì)，全固態(tài)電池仍具備一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[21]。寧波理工大學(xué)提出了一種氧氯化物電解質(zhì)的水合輔助合成策略，將LiCl、AlCl3、AlCl3·6H2O等原料在260 ℃左右的低溫條件下進(jìn)行研磨加熱，通過(guò)水合物分解最終得到LiAlOCl電解質(zhì)，離子電導(dǎo)率達(dá)到1毫西門(mén)子/厘米，組裝的全固態(tài)電池在循環(huán)500次后容量保持率＞95%。該方法通過(guò)降低合成溫度，極大地節(jié)約了生產(chǎn)過(guò)程中的能耗，可實(shí)現(xiàn)千克級(jí)或更大規(guī)模的生產(chǎn)[22]。
三、全固態(tài)電池技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
總體來(lái)說(shuō)，目前沒(méi)有一種技術(shù)路線能全面匹配全固態(tài)電池的理論需求，未來(lái)3~5年研究人員將繼續(xù)圍繞基礎(chǔ)理論、材料開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)工藝不斷創(chuàng)新，將全固態(tài)電池推向?qū)嶋H應(yīng)用。
1、基礎(chǔ)理論方面
深入研究界面動(dòng)力學(xué)與離子輸運(yùn)機(jī)制，通過(guò)先進(jìn)的原位表征技術(shù)，揭示固態(tài)電解質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)、缺陷分布對(duì)離子傳輸?shù)挠绊?，明確固-固界面處鋰離子的電化學(xué)沉積/剝離動(dòng)力學(xué)路徑，結(jié)合計(jì)算模擬對(duì)離子傳導(dǎo)行為進(jìn)行預(yù)測(cè)。解析鋰枝晶生長(zhǎng)機(jī)制，除了關(guān)注固態(tài)電解質(zhì)的機(jī)械性能，也要結(jié)合材料的電子電導(dǎo)率、界面能及熱力學(xué)穩(wěn)定性等因素，建立涵蓋熱-電-力-化多場(chǎng)耦合的理論模型，闡明枝晶形核、生長(zhǎng)直至短路的發(fā)展過(guò)程。研究電池全生命周期內(nèi)溫度場(chǎng)、電流場(chǎng)、力場(chǎng)等環(huán)境因素對(duì)材料體積膨脹、應(yīng)力積累、界面退化的作用機(jī)制，為電池設(shè)計(jì)提供失效預(yù)警指標(biāo)。
2、材料開(kāi)發(fā)方面
針對(duì)現(xiàn)有材料的性能短板，進(jìn)行多體系材料復(fù)合、梯度設(shè)計(jì)以及表面修飾。通過(guò)設(shè)計(jì)硫化物-聚合物、氧化物-鹵化物等復(fù)合體系，兼顧柔韌性、離子傳導(dǎo)性與化學(xué)穩(wěn)定性。通過(guò)在正極側(cè)摻混使用耐高壓電解質(zhì)材料，在鋰金屬負(fù)極側(cè)構(gòu)造化學(xué)穩(wěn)定的中間界面層，進(jìn)行電解質(zhì)層的梯度設(shè)計(jì)，維持高效離子傳導(dǎo)并實(shí)現(xiàn)對(duì)高容量電極材料的兼容性。通過(guò)化學(xué)包覆、氣相沉積等方式對(duì)材料表面進(jìn)行修飾，優(yōu)化離子傳輸、降低界面副反應(yīng)、改善機(jī)械性能。隨著AI技術(shù)的迅速發(fā)展，其在材料開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用也受到廣泛關(guān)注，中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)明高認(rèn)為，通過(guò)將AI運(yùn)用于電解質(zhì)材料篩選，可以將研發(fā)周期縮短50%以上，并大幅節(jié)約研發(fā)費(fèi)用，使全固態(tài)電池更快走向?qū)嶋H應(yīng)用。
3、生產(chǎn)工藝方面
結(jié)合材料體系開(kāi)發(fā)，降低貴金屬、稀土元素等高價(jià)原料用量，探索機(jī)械球磨合成、水系合成、氨輔助濕化學(xué)法合成、低溫?zé)崽幚淼群?jiǎn)化工藝、降低能耗的生產(chǎn)方式。針對(duì)干法成膜、等靜壓等關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)合適的粘結(jié)劑與混料工藝，優(yōu)化壓力參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電解質(zhì)與電極的致密接觸，研發(fā)連續(xù)化生產(chǎn)設(shè)備提高效率。結(jié)合3D打印等新型加工方式，探究電池的一體化制備技術(shù)，開(kāi)發(fā)規(guī)模化生產(chǎn)設(shè)備。
