2025年机械设备行业深度报告：固态电池产业加速发展，关注设备投资机遇

1.固态电池产业进程加速

固态电池:锂枝晶问题出现及锂电池发展路径的分化

1958 年，锂金属因低比重、极低电势、极高质量能量密度被引入电池材料。锂电池发展早期均以锂金属电池为研究对象（金属锂电池主要采用锂金属（也称为锂合金） 作为负极材料）。加拿大 Moli 公司于 80 年代末实现Li/Mo2 锂金属电池的首次商用。然而在 1989 年，Li/Mo2电池因严重的锂枝晶问题起火，引发了锂电池安全性恐慌， 锂金属二次电池发展陷入停滞。 锂枝晶：在充放电循环过程中，Li+在电极（负极）表面被还原，且不均匀沉积而形成树枝状金属锂,其生长速度与充放电电流的大小相关。锂枝晶的生长会导致锂离子 电池在循环过程中电极和电解液界面的不稳定，破坏生成的固体电解质界面（SEI）膜，在生长过程中不断消耗电解液并导致金属锂的不可逆沉积，形成死锂，造成低库 伦效率；甚至还会刺穿隔膜导致锂离子电池内部短接，造成电池的热失控引发燃烧爆炸。随着电池循环使用，锂枝晶会不断扩大，有潜在风险穿破隔膜引起短路，进而 增加安全风险。

在锂金属锂枝晶安全问题的十字路口，有两种主要方案,锂电池产业发展路径开始分化。 一是替代锂金属负极，即液态锂离子电池路线； 液态锂电池：理论研究+材料体系+需求驱动其率先爆发。1980 年，Armand 提出锂离子电池模型，认为可以采用含锂离子的嵌入式材料替代锂金 属。与此同时，钴酸锂正极、石墨负极等嵌入式正负极材料的突破进一步验证了锂离子模型的商业化可能性，再加之电解液体系发展相对成熟， 1991 年索尼首次实现了锂离子电池商业化。液态锂离子电池也在消费电池和新能源电池的浪潮中率先完成产业爆发。 二是替代电解液，即固态锂电池路线: 固态锂电池：历经 30 年实现固态电解质突破，初步具备产业化逻辑。锂金属负极的锂枝晶问题第二种路线是替代电解液。1978 年，固态电解质 开始得到研究，1999 年松下等企业对离子电导率不高的聚合物固态电池和凝胶半固态电池实现少量商用。直至2011 年，科研发现 Li10Ge2S12硫 化物固态电解质离子电导率达到 12mS/cm（优于电解液），固态锂电池才开始得到产业更广泛的关注。对比液态锂离子电池的商业爆发逻辑，固 态电池目前仍处于理论研究+材料体系发展阶段，但固态电解质离子电导率上的关键突破，使得固态锂电池的产业化具备一定理论前提。

固态电池：与液态锂电池的区别

正极、负极、隔膜、电解液是锂离子电池的四大关键材料，液态电池到全固态电池核心是将电解液+隔膜替换为固态电解质。锂电池根据电解质的不同，可以分成液态锂离子电池、混合 固液电池（半固态或准固态）、全固态电池3类。其中，混合固液电池使用固态电解质部分取代液态电解液；而全固态电池使用固态电解质取代电解液，电池中完全不含液体。 目前，我国依托液态锂离子电池，已构建了全球领先的新能源汽车产业体系。但现有的锂离子电池采用了易燃的液态电解质，难以同时满足电动汽车、储能、电动航空、智能终端等行 业对高能量密度、高安全性、长寿命、低成本锂电池的迫切需求。而固态电解质本身不可燃、且热分解温度高，固态特性完全避免了电解液腐蚀、挥发、漏液等问题，安全性能大幅提 高。高比能、高安全性和长寿命的固态电池被全球公认为是取代现有锂离子电池的颠覆性技术之一。 1）能量密度是动力锂电池的一个关键指标。《中国制造2025》和《新能源汽车产业发展规划(2021~2035)》等规划提出到2025年和2030年，电芯的单体能量密度逐步实现400~500Wh/kg 的目标。然而液态锂离子电池受化学体系限制，预计能量密度上限为300Wh/kg，这难以满足未来战略需求。固态电解质的杨氏模量较高，可以有效抑制锂枝晶的生长，有望实现金属锂 负极的应用，使电池的能量密度大幅提升。实际上，固态电解质本身不能提升能量密度，但相比较电解液，固态电解质具备更稳定、更安全，电化学窗口宽（可达到5V以上）等性质， 因此可以兼容高比容量的正负极，如高电压正极、富锂基、硅负极、锂金属负极等材料，进而大幅提升电芯能量密度。 2）安全性：全固态锂电池的结构与工作原理与液态锂离子电池类似，但固态电解质的热稳定性、化学稳定性较高，不会泄漏、燃烧或爆炸，从而降低了热失控的风险，提高了电池的本 征安全性。 3）全固态电池的封装更加简便。在固态电池中使用双极堆积技术可以减少极耳、引线等非活性材料的使用，而且电池模组不需要冷却系统，且由于不使用液体，可简化外壳与电池组装 工艺，有望进一步提高系统的体积和质量能量密度。

固态电池

全固态电池的材料体系基本遵循电解质替代、新型负极替代、新型正极替代的次序；全固态电池性能开发以能量密度为标志性指标，同时持续提升倍率性能、循环 寿命等指标。盖斯特将固态电池发展概括为以下三个阶段： 1.0阶段（即当前发展阶段），企业研发全固态电池正极可选用高镍三元，并探索富锂锰基；负极材料选择硅碳负极和锂合金负极；开发氧化物或硫化物的电解质， 争取将能量密度400Wh/kg的全固态电池落地量产。 2.0阶段（即到2030年），正极材料以硫碳复合、富锂锰基为主，负极材料为锂合金或锂负极，电解质采用氧化物复合、硫化物或卤化物，追求达到500Wh/kg的高 能量密度指标。 3.0阶段（即到2035年），构建正极为硫碳复合正极或空气、负极为金属锂、电解质为硫化物/卤化物的全固态电池体系，做出能量密度超过500Wh/kg、循环寿命大 于10000次的锂硫电池、锂空电池产品，真正意义上建立全新的电池材料体系。 其他指标：电池耐高温性能趋势将是先逐渐提高至200℃左右，再逐渐降低至100-120℃（锂金属负极）；耐低温性能则持续向-30℃~-40℃发展； 循环寿命指标从数百次向上万次持续提升； 倍率性能持续提高，第三阶段可能达到10-20C的水平。

2.电解质及正负极材料

电解质：主要分为硫化物、氧化物、聚合物、复合固态电解质等路线

根据电解质材质，固态电池可以分为无机物固态电解质（ISE,inorganic substance electrolyte)、聚合物固态电解质(SPE，solid-statepolymer electrolyte，SPE)，ISE又可以分为硫化物、氧化物、卤化物等三类技术路线，此外，也有有机-无机复合固态电解质技术路线。

综合来看，硫化物综合表现最佳（尤其在离子电导率、电化学稳定窗口等方面），但需突破成本问题。 根据SMM整理全球不同技术路线的固态电池市场规模，预计到2035年，硫化物的路线占比有望达到43%左右，有望逐步成为主流路线。 而目前， 已经有包括比亚迪、宁德时代、日产、SK等在内多家产业链企业布局硫化物全固态路线

电解质：“后起之秀”—卤化物路线

【卤化物电解质】 同时具有较高的室温锂离子电导率和高高电化学稳定性(＞4.0V)和电极材料兼容性的固态电解质依然是一项艰巨的挑战。目前已经报道的室温锂离子电导率接近 甚至超过液态电解质水平(10−2 S·cm−1)的固态电解质有氧化物电解质和硫化物电解质这两类材料。然而，氧化物固态电解质受限于其超高的烧结温度和较差的 机械加工性能。硫化物固态电解质则存在电化学窗口较窄，与正极材料兼容性较低，且在潮湿环境下极易分解产生H2S气体。这些问题限制了它们在全固态电池领 域的应用。 卤化物基固态电解质在室温下的离子电导率能达到10−3S·cm−18，且理论离子电导率可达10−2S·cm−1量级。锂离子电池中的卤化物电解质源于在卤化锂 LiX(X = Br、Cl、F)中引入高价态的过渡金属元素阳离子，调节Li+及空位浓度，进而形成类似Lia-M-Xb类化合物，通过调控不同卤族元素阴离子的组分特性，此类化合 物中阴离子骨架一般具有较大的极化率，且与锂离子的相互作用较弱。

正极：沿用当前的材料体系，可使用较高电压平台的电极材料

固态电池的正极材料可以继续沿用当前的磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、三元NCM等材料体系，其中比较常用的材料主要是高镍多元材料、富锂 锰基材料。 当电压超过4V时传统有机电解液开始分解，很难提高电池电压上限，而固态电解质与电极材料的界面反应时，几乎不存在固态电解质分解的副 反应，能承受更高的电压（5V），因此可以在固态电池中使用具有较高电压平台的正极材料，通过提升工作电压以获得更高的能量密度。例如， 通过向LiMn2O4中掺入少量过渡金属离子，形成的LiNi0.5Mn1.5O4；富锂锰基正极由层状Li2MnO3与层状LiMO2（M=Ni，Co，Mn或任意组合）按 不同比例形成的固溶体，克容量和电压平台均显著高于传统中低镍三元和磷酸铁锂正极材料，是全固态电池可选用的理想正极材料。 然而，电极与固态电解质之间的界面问题。由于固态电解质已经替代了传统电池中的隔膜和电解液，这些电解质与正极材料和负极材料的表面 形成了直接的接触。 因此，为了避免电池的正负极直接接触导致短路的风险，固态电解质需要起到阻隔作用；还需要确保锂枝晶不会生长，从而影响其循环使用的 寿命；此外，固态电解质还具有迅速传递锂离子的能力，确保电池内部放电反应是完全可逆的。

负极

负极材料是决定锂电池性能的关键因素之一，不同的负极材料可以通过嵌入、合金化、转换反应实现储锂。目前已广泛应用的负极材料包括 石墨类、Li4Ti5O12、无定形碳（硬碳、软碳）、硅基材料、锂合金等。固态电池的负极材料主要有碳族负极、硅基负极、金属锂负极3类。

负极材料：锂金属、硅负极是最具潜力负极材料

负极材料是决定锂电池性能的关键因素之一，不同的负极材料可以通过嵌入、合金化、转换反应实现储锂。根据锂离子存储机制的不同，可 以将负极材料分为四种类型，分别为电镀型、合金型、脱嵌型、转化型。 电镀型锂金属、脱嵌型石墨、部分合金型负极（如Si、Al、Mg）在电极电势方面的优势较为显著。综合比容量与电极电势两方面优势。图中 右下方位置的电镀型、部分合金型负极优势明显，被认为是固态锂电池实现高比能量最有前途的两大类负极材料体系。德国Fraunhofer ISI 《固态电池路线图2035+》中指出：锂金属是最具潜力成为固态锂电池负极的材料，紧跟其后的是具有市场应用潜力的硅负极。

3. 设备

传统锂电池 vs 固态电池工艺及设备

锂电池的制造工艺流程非常长，大致可分为前段电极制造工艺、中段电芯装配工艺、后段激活检测工艺。 前段工序：与传统液态锂离子电池相比，固态锂电池的前段工序基本与液态锂离子电池相同，但锂金属负极的应用、固体电 解质混料与包覆处理需要额外的工艺流程。中、后段工序：固态锂离子电池需要加热、加压或者烧结，不需要注液化成。 总体上看，目前较为先进的液态电池生产工艺有60%～80%可用于固态锂电池的生产当中（具体则根据电解质的类型有所差异）。 但由于固态电解质体系不同，且随着金属锂负极、高镍及超高镍、富锂锰等电极材料应用于高比能固态锂电池，在电极生产、电 解质膜制备、组装及封装技术等方面仍需要进一步的努力，少溶剂或无溶剂的干法电极制备工艺越来越受到重视。

根据EVTank在白皮书中指出， 相比传统的液态电池产线， 固态电池生产线面临着现有 设备的升级改造、新设备的 引进和定制开发等。全固态 电池在纤维化、胶框印刷、 等静压环节需要引进全新的 定制设备，在干混、辊压、 叠片、化成分容环节，需要 对设备进行精细化升级改造， 在其他工序段则对现有设备 进行适当改造。

《中国固态电池设备行业发 展白皮书（2025年）》指出 全固态电池生产的主要工艺 将包括干法电极工艺、等静 压工艺、叠片工艺、高压化 成工艺等，从而将带动干法 电极设备、辊压设备、等静 压设备、叠片机、高压化成 分容设备等关键设备的市场 规模飙升。

后段工艺及设备：压力化成设备

科研人员提出原位聚合构建固态电解质和固态锂电池的设计理念，即将碱金属盐、可聚合小分子单体、引发剂等混合溶液注入电池中，通过加热或其他外部条件， 即可在电池内部原位聚合生成聚合物固态电解质或有机/无机复合电解质。这种工艺方案既可以有效地降低电极/电解质界面电阻，还可以兼容现有电池生产装置和 生产环境条件，大幅度降低了生产成本，适用于批量化制备，已经成为固态锂电池制备的主流技术。 加入液态前驱体的固态锂电池电芯，需要进一步的加压化成。压力化成设备的高温加压机械单元结构如图，该单元采用卧式结构，每个单元由若干个层板组件、伺 服电机以及固定支架组成，每层可放置一个电池，每个单元放置若干个电池。每个电池层板组件包括铝板、加热板、温度传感器等。铝板在伺服电机的控制下实现 对电池的加压；加热板可快速将电池加热到设定温度；温度传感器固定在铝板上，用来实时检测电池加热温度。 将注入液态前驱体的软包装电池置于铝制层板组件之间，启动伺服电机加压，并预热（低于前驱体聚合温度），使液态前驱体充分浸渍到电极中，这有利于聚合后 固态电解质与电极之间形成良好的交联接触界面。之后进一步加压，温度升至聚合温度，待一定反应时间使得液态前驱体充分反应，形成固态电解质。最后，将电 池与外电路连接，进行首次充电化成，在化成过程中，也有助于残存的部分液态前驱体完全聚合固态化。值得说明的是，根据原位聚合前驱体和电极设计方案不同， 既可以先进行原位聚合再化成，也可以先化成再进行原位聚合，也可以化成和原位聚合同时进行。采用铝塑膜包装的电池，在现有的市售压力化成设备上就可以进 行原位聚合。当采用钢壳或铝壳等外包装材料时，由于金属类外包装材料属于刚性壳体，压力和温度传导效果较差，需要采用其他设备。

报告节选：

编辑：火腿肠