上集我们聚焦硫化物基全固态电池的材料与界面挑战，解析了固体电解质、正负极材料的性能短板与优化路径，以及界面层面的三大核心问题。本集将深入探讨复合电极的传输与机械难题、关键性能指标要求、规模化生产路径与企业进展，最终展望未来发展方向。
01
复合电极
1.核心定位
复合电极是硫化物基全固态电池的核心功能单元，其内部离子电子传输效率与机械稳定性，直接决定电池能量密度、功率性能和循环寿命。与液态电解质电池不同，全固态电池复合电极依赖固体颗粒直接接触形成传输通道，易出现传输瓶颈和机械失效。
2.传输限制：构建高效连续电荷通道
组分比例调控：离子传输是速率控制步骤，固体电解质需保持足够比例以形成连续传输网络，低电流密度下低比例即可满足需求，高倍率下需提升比例确保正极颗粒电化学可及性。导电剂比例需平衡，适量提升电子传输效率，过量则引发电解质分解，低比表面积导电剂（如气相生长碳纤维）可兼顾传输效率与电解质稳定性。
颗粒尺寸匹配：小尺寸正极颗粒缩短扩散路径，但需搭配更小尺寸电解质颗粒维持高堆积密度与连续通道。混合尺寸电解质颗粒可提升堆积密度、降低传输阻力，颗粒尺寸比显著影响高载量电极性能，纳米级电解质颗粒需平衡尺寸与离子电导率。
粘结剂选择与用量：粘结剂多无离子电子导电性，过量阻断电荷通道，适量可增强机械强度，采用离子导电粘结剂或干法成膜减少用量，是平衡传输效率与机械稳定性的有效途径。
组分分布均匀性：高剪切混合机可实现电解质均匀分散，优化混合顺序可提升初始容量与倍率性能，电解质溶液渗透法可分别构建电子和离子网络，性能优于其他混合方式。
微观结构模拟：三维模型可快速筛选最优方案，结合同步辐射断层扫描与机器学习，能加速揭示微观结构与传输效率的关联。
3.机械失效防控：抑制孔隙与裂纹形成
正极：正极颗粒失效源于脱嵌锂过程的体积变化与各向异性膨胀。富镍NCM正极充电收缩形成孔隙，多晶晶粒二次颗粒易晶间开裂，单晶晶粒凭借完整结构可抑制失效，软质电解质通过弹性形变维持界面接触，提升容量保持率。
负极：负极颗粒失效更为严重。硅基负极300%以上体积膨胀导致颗粒粉碎，纳米硅与纳米多孔结构可缓解应力；石墨负极13.2%体积膨胀仍会导致接触损失，适当堆叠压力可通过蠕变维持界面接触。
压力调控：制备压力与堆叠压力是调控机械稳定性的关键。制备压力通过致密化电极减少孔隙、增大接触面积，提升导电效率；堆叠压力在循环中维持接触，硅基负极对压力更敏感，需平衡压力避免颗粒粉碎或枝晶生长。理想堆叠压力应接近传统液态电池，目前3-5兆帕具备技术可行性，未来需通过材料与结构创新降低压力依赖。
02 关键性能指标 满足车用需求的核心门槛 硫化物基全固态电池实现车用实用化，需满足能量功率特性、循环与日历寿命、安全性三大维度的严格要求，当前部分性能已接近车用标准，但仍有较大提升空间。 01 能量与功率特性：平衡高能量与快充电 1. 能量密度： 是车用电池核心指标，硫化物基全固态电池通过搭配高容量正负极，理论能量密度远超传统锂离子电池。目前实验室原型电池体积能量密度已超 900 瓦时每升，第一代量产产品预计达 300-400 瓦时每千克，第二代有望突破 450瓦时每千克，体积能量密度超 1000 瓦时每升。 2. 功率性能方面： 车用电池需具备快速充电与良好倍率性能。当前多数电池高倍率下容量利用率低、面容量不足，但已有突破案例，部分软包电池与高面容量原型电池在中高倍率下展现良好容量保持率，多层电解质设计可实现超高倍率下的性能稳定。功率性能提升依赖材料、界面与复合电极的协同优化，随着技术突破，有望满足车用快速充电与动态性能要求。 02 循环与日历寿命：保障长期可靠运行 循环寿命：车用电池需具备长循环与良好日历寿命，通常要求1C、100%放电深度下循环1000次以上，高温下循环800次以上，30天高温存储后容量保持率超97%，自放电率低于3%。 目前硫化物基全固态电池循环寿命差异较大，部分电池在窄放电深度下可实现超长循环，部分产品循环数千次容量衰减率极低，甚至有电池循环20000次后容量保持率仍达71%。但宽放电深度与高倍率下，循环寿命显著缩短，主要源于体积变化与机械失效。 日历寿命：研究相对匮乏，高温高压存储下电池易因电解质分解与界面阻抗增大导致容量衰减，未来需加强系统研究，明确衰减机制并开发优化策略。循环与日历寿命评估需建立车用场景测试体系，引入专业工具定量表征衰减机制。 03 安全性：突破“绝对安全”的认知误区 安全隐患：全固态电池并非绝对安全，其安全性取决于活性材料与固体电解质的热化学反应。热失控是核心隐患，硫化物电解质与层状正极高温下剧烈放热并释放SO₂，与锂金属负极也会发生放热反应，熔融锂还会与电解质、氧气进一步反应加剧失控； 锂枝晶引发的内部短路是另一大风险，可能导致局部高温触发热失控；硫化物电解质与水分反应生成的硫化氢、高温高压下氧化生成的SO₂，均为有毒气体，存在额外安全隐患。 现有进展：目前部分产品已通过针刺、外部短路、过充等安全测试，得益于固体电解质不可燃特性与界面、电极结构优化。未来需系统研究安全机制，开发热管理系统、气体吸附材料等针对性设计，全面提升安全性能。 03 规模化生产 从实验室原型到产业落地 硫化物基全固态电池规模化生产是车用应用的关键，当前实验室坯体堆叠方式难以规模化，需开发连续化片式电极、固体电解质膜制备技术与高效组装方案。 1.浆料浇铸法 借鉴传统锂离子电池工艺，无需大幅改造设备，易规模化，可引入离子导电粘结剂改善界面接触。但硫化物电解质化学稳定性差，溶剂-粘结剂兼容性难题突出，研究人员通过保护-脱保护策略与混合溶剂解决该问题，抑制粘结剂迁移。 2.固体电解质溶液渗透法 先制备多孔电极再渗透电解质溶液，可采用传统粘结剂与溶剂，分别构建电子和离子传输网络。部分产品可逆容量接近液态电解质电池，但溶液法制备的电解质离子电导率较低，需高温处理，可能引发界面反应，开发高导电溶液可加工电解质是规模化关键。 3.无溶剂干法 无需溶剂，通过剪切力使粘结剂纤维化固定颗粒，环保能耗低，少量PTFE即可制备高载量、高倍率性能电极。引入离子导电离聚物粘结剂可提升传输效率，目前虽处于技术初期、缺乏大规模加工设备，但成本与环保优势显著，是未来重要方向。 04 固体电解质膜制备 核心要求与技术选择 固体电解质膜规模化制备同样采用三大技术路径，核心要求为薄厚度、高离子电导率、良好机械强度与低成本： 01 浆料浇铸法 与片式电极工艺兼容，易规模化，机器学习已用于优化工艺参数提升性能。 02 支架辅助溶液渗透法 用纤维素纤维、聚酰亚胺等支架维持机械完整性，减少粘结剂用量，离子导电支架可进一步提升电导率，搭配该类膜的电池循环性能稳定。 03 无溶剂干法 工艺简单成本低，可制备薄厚度、高导电膜；热压法虽可用于制备，但能耗高、难以实现薄厚度，规模化应用受限。 图2. 集中典型的全固态电芯组装方式。 05 电池组装与企业进展 1.组装方案 （1）自立式方案工艺灵活，适用于多种电池形态； （2）阴极支撑方案可促进阴极与电解质紧密接触，需选择兼容溶剂。 等静压技术可实现电极与电解质膜高密度致密化，但设备成本高、加工时间长，可能限制规模化应用。 2.企业动态 目前多家企业已布局规模化生产。SolidPower与蜂巢能源成功制备20安时级电池，三井金属与浦项制铁建立硫化物电解质中试工厂，SolidPower、三星与日产启动中试生产线建设。 根据企业路线图，规模化生产分两阶段：2024-2027年推出第一代产品，采用传统NCM阴极与石墨硅阳极，能量密度300-400瓦时每千克；2030年左右推出第二代产品，采用富锂高压阴极、高硅阳极等设计，能量密度突破450瓦时每千克，全面满足车用需求。 06 未来展望 挑战与机遇并存 硫化物基全固态电池实用化仍面临材料、界面、电极、规模化等多层面挑战，但随着产学研持续投入，多项关键技术已取得突破，应用前景广阔。 01 材料、界面与复合电极层面 材料层面：需平衡硫化物电解质的空气稳定性与离子电导率，开发高容量长循环正负极材料，优化材料组合； 界面层面：需深入理解空间电荷层、界面反应与机械不稳定性的内在关联，开发高效缓冲层设计； 复合电极层面：需通过实验与模拟结合优化微观结构，提升传输效率与机械稳定性，降低堆叠压力依赖。 02 性能指标与规模化生产 性能指标层面：需建立统一测试标准，系统优化能量密度、功率性能、循环寿命与安全性； 规模化生产层面：需完善连续化制备技术，开发低成本高效组装方案，降低设备投资与生产成本。 03 产业链生态构建 硫化物基全固态电池的发展离不开跨领域合作，高校与科研机构聚焦基础科学问题，企业主导技术产业化，设备商与材料供应商同步跟进，形成完整产业链生态。 随着技术不断突破，有望在2030年后实现大规模车用应用，推动电动汽车产业进入高能量密度、高安全性新阶段，为全球能源转型提供有力支撑。 光年固科作为专注全固态电池温等静压机的设备提供商，我们深耕温等静压技术在全固态电池领域的应用研发，精准匹配全固态电池极片、电解质成型等关键工艺需求。凭借设备高压力均匀性、温度稳定性及智能化控制优势，助力客户提升电池能量密度与循环寿命，赋能全固态电池产业化进程。若您需定制化设备解决方案或了解技术细节，欢迎联系我们，共探新能源储能未来。 END
