当前，我国正处于谋划“十五五”规划、加快发展新质生产力的关键阶段。国家层面明确将构建新型能源体系，并大力推动新能源汽车、新型储能等战略性新兴产业。作为下一代储能技术的核心方向，全固态电池凭借其突破性的安全与能量密度潜力，已成为全球科技竞争和产业布局的制高点。

然而，从实验室突破到规模化商用，全固态电池仍面临材料、界面与工艺的严峻挑战，产业化路径呈现多元化博弈。本报告旨在系统剖析技术难点、产业进展与竞争格局，为决策者把握“十五五”期间这一颠覆性技术的演进脉络与商业先机提供关键洞见。

一、宏观背景：液态锂电的极限与固态电池的战略势能

1.1传统液态锂离子电池的物理天花板

自1991年索尼商业化锂离子电池以来，以石墨为负极、层状氧化物(如NCM)为正极、有机溶剂为电解液的体系一直是移动能源的基石。然而，经过三十年的优化，该体系已逼近其物理化学极限。

能量密度瓶颈：目前最先进的高镍三元电池(NCM811+硅碳负极)单体能量密度勉强达到300Wh/kg。受限于石墨负极的理论比容量(372 mAh/g)以及为了维持液态电解液稳定性而不得不牺牲的电压窗口，进一步提升能量密度的空间已极其有限。

安全隐患：现有的碳酸酯类有机电解液具有高度易燃性。在过充、内短路或外力碰撞下，极易发生热失控。随着能量密度的提升，电池内部蕴含的化学能增加，热失控的剧烈程度也随之指数级上升，成为电动汽车(EV)普及的核心痛点

1.2固态电池的革命性承诺

固态电池通过用固态电解质(Solid State Electrolyte, SSE)替代液态电解液和隔膜，从根本上重构了电池的材料体系，从而能够打破上述“铁三角”限制：

本征安全：氧化物和硫化物等固态电解质具有不可燃性，且耐高温性能远优于液态电解液，从源头上消除了起火爆炸的燃料来源。

负极革命：固态电解质的高机械强度理论上可以抑制锂枝晶的生长，从而允许使用金属锂(Lithium Metal)作为负极。金属锂的比容量高达3860 mAh/g，是石墨的10倍以上。这一材料体系的切换是实现400-500Wh/kg能量密度的关键。

宽温域运行： 固态电池在低温下不会冻结，在高温下不易分解，大幅简化了电池包的热管理系统，间接提升了整包的体积能量密度。

尽管愿景宏大，但固态电池的产业化之路并非坦途。当前的研发与量产现状呈现出明显的路线分化：以中国企业为代表的“半固态务实派”通过引入少量液体解决界面问题，率先实现了装车;而以日美企业为代表的“全固态理想派”则继续在硫化物和氧化物路线上攻克全固态难题。

二、核心技术难点：固-固界面的物理化学困境

固态电池并非简单地将液态电解质替换为固体，这种形态的改变引发了一系列在液态体系中不存在的物理和化学挑战。其中，最为核心的难点在于界面。

2.1固-固界面接触阻抗(Interfacial Impedance)

在传统锂离子电池中，液态电解液具有流动性，能够充分浸润多孔电极的每一个微米级颗粒，形成原子级别的紧密接触，构建起高效的离子传输通道。然而，在全固态电池中，电极材料与电解质均为固体，两者之间的接触属于“点接触” 。

物理接触失效： 显微镜下，两个固体表面也是粗糙的。当它们贴合时，实际接触面积极其有限，导致离子传输通道狭窄，界面阻抗比液态电池高出几个数量级。这直接导致电池内阻巨大，充放电性能极差。

化学机械失效(Chemo-Mechanical Failure)：电池在充放电过程中，电极材料会发生体积膨胀和收缩(“呼吸效应”)。例如，高镍正极在脱锂时晶格收缩，而硅基或锂金属负极在嵌锂时体积膨胀。在液态体系中，液体可以随之流动填充空隙;但在刚性固态体系中，这种体积变化会导致电极与电解质颗粒分离，形成空隙(Voids)。一旦接触断开，该区域便成为死区，导致容量迅速衰减。

2.2空间电荷层效应(Space Charge Layer)

除了物理接触，化学兼容性也是一大障碍。特别是对于硫化物电解质与氧化物正极的界面，由于两者化学势能的差异，锂离子会自发地从硫化物一侧向氧化物一侧迁移，导致硫化物界面处出现锂离子的贫化区，形成空间电荷层。这个贫锂层具有极高的电阻，像一堵墙一样阻碍了后续离子的传输，显著降低了电池的倍率性能。此外，硫化物电解质在高电压下极易被氧化分解，在界面处生成绝缘副产物，进一步恶化界面导电性。

2.3锂枝晶生长与短路风险

早期业界普遍认为，高硬度的固态电解质(如氧化物陶瓷)可以机械阻挡锂枝晶(Lithium Dendrites)的刺穿。然而，深入的研究揭示了残酷的现实：

晶界生长：多晶陶瓷电解质内部存在晶界(Grain Boundaries)。锂枝晶倾向于沿着这些晶界生长，像树根穿透岩石裂缝一样穿过电解质，最终连接正负极造成短路。

临界电流密度(CCD)：当充电电流密度超过某个临界值时，锂金属在负极侧的沉积速度超过了其扩散速度，导致在电解质表面的缺陷处形核，产生巨大的局部应力，撑裂电解质。

堆叠压力悖论： 为了保持良好的固-固接触，全固态电池通常需要施加巨大的外部堆叠压力(几十MPa)。然而，这种高压反而可能促使软质的金属锂挤入电解质的微裂纹中，加速短路。

2.4制造工艺与可扩展性

全固态电池的制造工艺与现有锂电产线兼容性差，主要体现在极片制备环节。

薄膜化难题： 为了保证能量密度，固态电解质层必须做得极薄(<30微米)。制备如此薄且无缺陷、具有一定机械强度的陶瓷薄膜，对工艺精度要求极高。

干法工艺： 硫化物电解质对极性溶剂敏感，传统的NMP湿法涂布工艺无法使用，必须开发全新的干法电极工艺或寻找非极性溶剂体系，这对设备和环境控制提出了全新要求。

三、技术路线与解决方案进展：四大材料体系的博弈

针对上述难点，学术界和产业界演化出了四种主要的固态电解质材料体系。每种体系都有其独特的优缺点及相应的解决方案。

3.1硫化物电解质(Sulfide)：性能之王，工艺之殇

硫化物(如LGPS、LPSCl)因其极高的离子电导率而被丰田(Toyota)、宁德时代(CATL)、Solid Power等企业视为全固态电池的终极路线。

优势：离子电导率最高;质地较软，具有一定的延展性，可以通过冷压(Cold Pressing)实现较好的固-固接触，无需高温烧结。

■ 难点进展：

空气稳定性： 硫化物极易与空气中的水分反应生成剧毒的硫化氢气体。解决方案包括对硫化物颗粒表面进行疏水包覆(如使用两亲性分子层)以及建立露点低于-50℃的超干燥生产环境。

界面反应： 针对硫化物与正极的副反应，业界普遍采用缓冲层包覆技术。例如，在正极材料表面包覆一层纳米级的铌酸锂或钛酸锂，既能传导锂离子又能阻隔电子，有效抑制了空间电荷层和副反应。

3.2氧化物电解质(Oxide)：稳定堡垒，加工梦魇

氧化物(如LLZO石榴石型、LATP)以其优异的化学稳定性和高电压窗口著称。

优势： 机械强度高，对锂金属稳定;电压窗口宽(可达5V以上);空气稳定性好，易于处理。

■ 难点进展：

刚性脆性： 氧化物是硬脆陶瓷，无法缓冲电极体积膨胀，界面接触极差。解决方案是引入“润湿剂”。目前的产业化主流(如卫蓝新能源、清陶能源)采用了固液混合(Semi-Solid)策略，即在陶瓷骨架中注入少量液态电解液或聚合物单体，通过原位固化形成凝胶，填充界面空隙。这虽然牺牲了部分全固态特性，但完美解决了界面阻抗问题。

复合电解质： 将氧化物粉末作为填料加入到聚合物基体中，形成“聚合物-氧化物复合电解质”，结合了聚合物的柔性和氧化物的高导电性。

3.3 聚合物电解质(Polymer)：成熟先锋，性能短板

以PEO(聚环氧乙烷)为代表的聚合物电解质是最早商业化的固态体系。

优势：质软、易加工，与现有卷对卷工艺兼容性好;成本低。

■ 难点进展：

离子电导率低：室温下几乎绝缘，通常需要加热到60-80℃才能工作。Blue Solutions是最早应用此技术的公司，但其电池包需要持续加热。最新进展(如Blue Solutions的Gen 4)正致力于开发室温下具有高导电率的新型聚合物或添加增塑剂。

电压耐受性差：PEO在高压下(>3.8V)容易氧化分解，限制了其与高镍三元正极的匹配。解决方案包括开发新型耐高压聚合物基体(如聚碳酸酯基)或使用“双层电解质”设计(正极侧耐高压，负极侧耐还原)。

3.4 卤化物电解质(Halide)：异军突起的黑马

卤化物是近年来的研究热点，被视为平衡氧化物和硫化物优点的第三条路。

优势： 具有较高的氧化电位(>4V)，可以直接匹配高压正极而无需包覆;离子电导率介于硫化物和氧化物之间;质地较软，易于成型;空气稳定性优于硫化物。

进展：由加拿大西安大略大学孙学良院士团队大力推动。目前主要作为正极侧的电解质添加剂(Catholyte)使用，与硫化物隔膜配合，构建“卤化物-硫化物”双层结构，既利用了卤化物的高压稳定性，又利用了硫化物的高导电性。

挑战：早期配方含昂贵的铟(In)元素，目前研究正转向更廉价的锆(Zr)或钇(Y)基卤化物以降低成本。

四、全球领先企业、技术方案与溯源分析

全球固态电池竞争格局呈现出鲜明的地域和技术流派特征：中国的“半固态先行”、日本的“硫化物死磕”以及美国的“初创颠覆”。

4.1中国：务实的半固态产业化领跑者

中国企业利用原位固化(In-Situ Solidification)技术，率先打通了从实验室到量产车的路径，这一策略的核心思想是：不追求一步到位的全固态，而是通过逐步减少液体含量(从半固态到准固态再到全固态)来平衡性能与制造难度。

4.1.1北京卫蓝新能源 (WeLion)

企业地位： 全球半固态电池装机量领头羊，蔚来汽车的核心供应商。

技术来源：中国科学院物理研究所(CAS Institute of Physics)。卫蓝是中科院物理所清洁能源实验室的孵化企业，核心创始人包括中国锂电之父陈立泉院士和李泓研究员。物理所在固态电池领域拥有深厚的理论积累，尤其是在纳米硅负极和原位固化技术上。

技术方案： 氧化物-聚合物复合半固态体系。

电解质： 采用原位固化技术，将液态前驱体注入电芯后聚合为凝胶态，解决了固-固界面接触难题。正极侧采用氧化物涂覆。

负极：采用高容量的硅碳复合负极(Si/C)，而非金属锂，这在提升能量密度的同时也规避了锂枝晶的极度危险。

核心进展：为蔚来(NIO)提供的150kWh电池包已于2024年二季度正式进入换电网络。该电池包单体能量密度高达360Wh/kg(整包260Wh/kg)，实测续航里程突破1000公里(如蔚来ET7实测1044公里) 25.这是目前全球唯一大规模量产并交付用户的高能半固态电池。

4.1.2清陶能源 (Qingtao Energy)

企业地位： 上汽集团(SAIC)深度绑定的战略合作伙伴，估值最高的固态电池独角兽之一。

技术来源： 清华大学材料学院。创始人南策文院士是著名的陶瓷材料专家，团队核心成员多来自清华。

技术方案： 氧化物陶瓷隔膜+聚合物复合。

清陶的技术路线带有鲜明的陶瓷材料基因，重点在于开发高致密度的LLZO氧化物陶瓷隔膜，以物理阻隔枝晶，同时在界面处引入润湿剂(半固态)。

核心进展： 与上汽集团成立合资公司，联合开发。其第一代半固态电池(实际上是固液混合)已搭载于智己汽车(IM Motors)的L6“光年版”车型。

参数：133kWh电池包，CLTC续航超1000公里，支持900V高压快充(峰值400kW)，这表明其解决了固态电池通常面临的快充难题(高阻抗) 。

成本： 虽然初期成本较高，但清陶宣称随着规模化，其成本有望低于现有液态锂电池。

4.1.3 宁德时代 (CATL)

企业地位：全球动力电池霸主，采取“双轨并行”策略。

技术来源：强大的内部研发体系(21C创新实验室)以及与顶尖高校的合作 。

方案一:凝聚态电池(Condensed Matter Battery)。

这是一类高科技含量的半固态/类固态电池。宁德时代通过构建微米级的自适应网状结构，调节链间相互作用力，使电解质在宏观上呈现高粘度的半固态，微观上保持极高的离子导电率。

进展： 单体能量密度高达500Wh/kg，主要面向民用航空(载人飞机)和高端电动车市场。这表明宁德时代在材料微观结构设计上达到了极高水准。

方案二：硫化物全固态电池。

进展： 宁德时代董事长曾毓群和首席科学家吴凯多次表示，全固态电池是必然趋势。目前其硫化物路线处于技术攻坚期(自评技术成熟度4/9)，目标是在2027年实现小批量生产。

4.2日本：硫化物路线的坚定守望者

日本举国体制押注硫化物全固态电池，意图通过专利壁垒和性能代差(高功率、长寿命)重夺电池产业主导权，但产业化时间表一再推迟。

4.2.1丰田汽车 (Toyota)

企业地位： 拥有全球最多的固态电池专利(超1000项)，技术储备最深厚。

技术来源： 东京工业大学(Tokyo Institute of Technology)。其合作伙伴菅野了次(Ryoji Kanno)教授是硫化物超离子导体(如LGPS)的发现者，奠定了该路线的理论基础。

技术方案： 硫化物全固态。丰田坚持使用硫化物，因为这是唯一能实现与液态电池相当甚至更快充放电速度(高功率)的固态材料。

■ 核心进展：

产业链合作： 与石油巨头出光兴产(Idemitsu Kosan)结盟。出光兴产利用石油精炼的副产物硫化氢来低成本大规模制造硫化锂前驱体，这是降低硫化物成本的关键一环。

量产时间表： 丰田的目标已从最初的2020奥运会推迟至2027-2028年推出首款搭载全固态电池的EV，且初期产量极低(可能仅几千辆)。

瓶颈： 丰田极度看重电池的耐久性，而硫化物界面在长期循环中的机械失效和化学副反应仍是未完全解决的难题。

4.3美国：依托高校IP的初创颠覆者

美国模式主要由风险投资驱动，依托顶级高校的实验室成果进行商业转化，企业多为专注于某一细分技术路线的初创公司(Startups)。

4.3.1 QuantumScape (QS)

企业地位：大众集团(Volkswagen)重仓投资的明星企业，美股上市公司。

技术来源：斯坦福大学(Stanford University)。创始人Fritz Prinz和Tim Holme均来自斯坦福，掌握着核心的陶瓷加工技术。

技术方案：无负极(Anode-Free)+ 柔性陶瓷隔膜。

QS的核心创新在于其专有的LLZO石榴石型陶瓷隔膜，该隔膜具有足够的柔韧性，且能有效抑制枝晶。

无负极设计： 电池制造时不涂布负极材料，仅留铜集流体。充电时，锂离子穿过陶瓷隔膜，在集流体上原位沉积形成金属锂负极。这极大提升了体积能量密度。

核心进展： 已向大众汽车交付Alpha-2样品，目前正在向B样阶段过渡。其陶瓷隔膜的良率和大规模制造成本是能否商业化的生死线。

4.3.2Solid Power

企业地位：宝马(BMW)和福特(Ford)投资，美股上市公司。

技术来源：科罗拉多大学博尔德分校(University of Colorado Boulder)。

源于Sehee Lee和Conrad Stoldt教授的研究团队。

技术方案： 硫化物电解质兼容现有产线。

Solid Power不仅制造电池，更定位为硫化物电解质材料供应商。其核心卖点是开发了能够兼容现有锂离子电池“卷对卷”(Roll-to-Roll)制造设备的硫化物浆料和工艺，试图降低产线重造成本。

核心进展： 向宝马交付了用于验证的全尺寸电池单元(A样)，并授权宝马在德国建立原型线。

4.3.3 Factorial Energy

企业地位： 获得Stellantis、梅赛德斯-奔驰、现代汽车投资。

技术方案： FEST(Factorial Electrolyte System Technology)。

这是一类准固态(Quasi-Solid)技术，利用聚合物复合电解质，同样是在常温下运行，旨在平衡能量密度与制造可行性。

进展：计划在2026年实现量产，同样属于务实的“半固态”阵营，试图比QS和Solid Power更快推向市场。

4.4 欧洲：聚合物路线的坚守与革新

4.4.1 Blue Solutions

企业地位：博洛雷(Bolloré)集团子公司，全球唯一一家拥有长期商业化运营全固态电池经验(主要在公交车)的公司。

技术方案：LMP(金属锂聚合物)。使用PEO基电解质。

局限与突破： 现有产品必须在60-80℃高温下工作，这限制了其在乘用车上的应用(停车耗电保温)。最新一代(Gen 4)技术正致力于通过引入新材料实现室温运行，并与富士康合作开发两轮车电池生态。

五、关键技术趋势总结与展望

5.1从“全固态”到“泛固态”的务实回归

过去几年最显著的趋势是行业认知的回归。由于全固态电池(ASSB)在界面接触、生产工艺和成本上的巨大挑战，行业不再执着于“全固态”的概念洁癖。半固态(Semi-Solid)/ 凝聚态 / 准固态成为了2024-2027年的绝对主流。

原位固化技术已证明是解决界面问题的最有效工程手段。

卫蓝新能源和清陶能源的量产车(NIO ET7. IM L6)证明了含液固态电池在续航(1000km+)和快充(400kW)上的巨大潜力。

5.2卤化物电解质的崛起

虽然硫化物和氧化物是传统主角，但**卤化物(Halide)**正作为“最佳配角”崛起。

孙学良院士(加拿大工程院院士，现任职宁波东方理工大学)等学者的研究表明，卤化物在高电压下极其稳定，非常适合作为正极侧的电解质(Catholyte)，与硫化物(用于负极侧和隔膜)搭配，形成“双层电解质”结构，兼顾高电压和高导电性。

企业如格林美(GEM)已与孙院士团队合作，推动卤化物材料的产业化，试图摆脱昂贵的铟元素，开发低成本的锆基卤化物。

5.3产业链的重塑

固态电池不仅仅是电池厂的战争，更是上游材料厂的机遇。

正极：需要纳米级包覆技术(如$LiNbO_3$)以防止与硫化物反应。

负极：从石墨转向硅碳(目前的半固态主流)最终转向金属锂(全固态的终极目标)。

前驱体：出光兴产等化工巨头正在将石油副产物转化为硫化锂，这可能重塑供应链格局。

5.4未来展望

综上所述，固态电池行业正处于技术成熟度曲线(Gartner Hype Cycle)的爬坡期。

2024-2026年： 半固态电池在中国市场爆发，装机量显著提升，主打高端长续航车型(1000km)。

2027-2028年： 硫化物全固态电池(丰田、宁德时代)进入小批量示范运营阶段。关键在于解决锂金属负极的循环寿命问题。

2030年以后： 随着供应链成熟和成本下降，全固态电池有望向中端市场渗透，最终彻底改变电动汽车的安全性与续航体验。