聚合物基固態電池：產業化破局的現實路徑

引言

固態電池產業化遭遇現實瓶頸

2023年，中國科技部與工信部聯合設立了總規模達60億元的固態電池專項基金，旨在加速技術攻關。按照原計劃，各參與方需在2025年9月至10月間提交接近裝車形態的60Ah大容量電芯，以供第三方進行安全性與一致性測試。然而現實情況是，樣品提交時間已推遲至11月，且據業內專家透露，其“測試結果難言理想”。摩根大通在《Solid State Battery: Pilot line sample testing in progress》報告中也明確指出：“固態電池的安全性測試，已成為當前最難跨越的門檻”。

目前，幾個關鍵問題已清晰顯現：

1.安全性不及預期：實際測試中，某些固態電池的安全性甚至遜于當前高端液態鋰電池。

2.工程化壓力難題：固態電池仍需維持10-20MPa的高壓才能保證固-固界面接觸，此高壓系統難以集成于乘用車。

3.性價比失衡：與采用相同正極體系的液態鋰電池相比，其能量密度僅提升14%-25%，但成本卻高出2倍以上。

針對不同固態電池技術路線存在的潛在風險及其可能對行業造成的系統性沖擊，華中科技大學郭新教授團隊開展了前瞻性研究，并于2025年初撰寫了兩篇學術論文。相關成果已于2025年8月正式發表：其中一篇題為《Why Will Polymers Win the Race for Solid-State Batteries?》的論文刊登于《Advanced Science》；幾乎同時，另一篇《聚合物基固態鋰離子電池的產業化進展》在《科學通報》上發表。這兩篇論文系統論證了聚合物基固態電池的產業化優勢，為行業發展提供了重要的技術路徑參考。

下面為對這兩篇論文的解讀。

產業化評價體系的重構

>> 超越實驗室指標 <<

隨著固態電池技術從實驗室原型向產業化跨越，其技術評價體系亟待系統性重構。實驗室階段主要關注電化學性能參數（如能量密度、循環壽命、倍率特性等），而產業化成功則需建立多維、系統性的評價標準：

1.評價維度的拓展：需綜合考量規模化生產可行性（工藝兼容性、良品率）、供應鏈成熟度（原材料供應穩定性、專用設備配套），以及全生命周期成本（從生產到回收）。

2.技術-經濟協同優化：必須實現技術指標與經濟性的動態平衡，權衡材料體系對供應鏈韌性的影響，以及生產工藝復雜性與規模效應的關系。

3.系統級剛性要求：必須滿足量產制造一致性（如6σ質量控制）、通過嚴格的安全認證（如UL 9540A），并實現單線產能≥1GWh的設計目標等。

在此背景下，聚合物固體電解質憑借其獨特的綜合優勢，正成為產業化進程中極具可行性的技術路線。

聚合物電解質的技術突破

>> 性能瓶頸已獲實質性攻克<<

1.離子電導率的大幅提升

長期以來，室溫離子電導率偏低是制約聚合物電解質應用的核心瓶頸。通過聚合物化學與材料設計的持續創新（圖1），這一局面已根本改變。目前，多種先進聚合物體系的室溫離子電導率已突破10?3S·cm?1量級，達到與實用化要求相匹配的水平。

2.電壓窗口的有效擴展

電化學穩定窗口的局限性曾是阻礙聚合物電解質匹配高電壓正極的關鍵。研究團隊通過雙重策略成功應對此挑戰（圖1）：一是合理設計聚合物主鏈結構以增強其本征抗氧化能力；二是利用聚合后殘留單體在正極表面原位形成穩定、致密的CEI膜，有效抑制電解質持續氧化。目前，先進聚合物體系的電化學穩定窗口已超過5V。

圖1 聚合物電解質關鍵性能參數的調控策略：a）分子結構工程：通過精確設計聚合物拓撲結構（如嵌段、接枝、支化或星型共聚物），可實現對分子鏈段排布和化學組成的精準調控，從而定制電解質的綜合性能。b）功能性增塑劑設計：特定結構的增塑劑不僅能夠增強聚合物鏈段運動能力以提升離子電導率，還能通過分子間相互作用有效拓寬電化學穩定窗口。c）復合電解質構建：基于聚合物-無機填料的協同效應，通過優化聚合物基體與無機填料的界面形態和空間分布，可獲得兼具高離子電導率和優異熱穩定性的復合電解質體系。

3.熱穩定性的顯著強化

熱穩定性是保障電池安全運行的基石。傳統聚合物電解質在約100°C時會發生熱降解。研究通過引入熱交聯聚合物，在加工過程中形成聚合物鏈間的共價鍵網絡，從而在保持離子傳導性的同時，大幅提升材料的熱耐受性、機械強度及高溫形穩性（圖1）。另一有效策略是制備聚合物-陶瓷復合電解質，無機填料的加入不僅提升了熱穩定性和阻燃性，還能抑制聚合物鏈段過度運動，實現離子電導率與界面穩定性的協同優化（圖1）。

聚合物基固態電池產業化的核心優勢

>>制造端與供應鏈的適配性 <<

1.獨特的界面自適應特性

電解質-電極界面是固態電池性能的決定性環節。聚合物電解質憑借其優異的黏彈性和延展性，能夠與電極表面形成緊密、共形的接觸，并動態適應循環過程中的電極體積變化，從而維持極低的界面阻抗。這一特性使其無需依賴外部高壓即可穩定工作，界面阻抗比無機固態電解質體系低1-2個數量級（圖2）。

圖2 聚合物電解質界面特性優化策略：a）原位聚合構建超共形界面：通過原位聚合工藝可在電極/電解質界面形成分子級緊密接觸，有效降低界面阻抗（可降至傳統界面接觸的1/10以下），同時增強界面機械穩定性。b）自鈍化界面保護機制：聚合物電解質憑借其本征化學穩定性，不僅能有效抑制電極/電解質界面的副反應（如鋰枝晶生長和界面分解），還可在電極表面原位形成致密鈍化層（厚度通常為5-20nm），實現長期穩定的界面保護。

2. 與現有產業的卓越工藝兼容性

聚合物電解質最突出的產業化優勢在于其與現有鋰離子電池卷對卷生產工藝的高度兼容性（圖3）。其生產僅需對現有產線進行最小程度的改造，設備改造成本約為其他固態電池路線的十分之一，顯著降低了產業升級的資本門檻和風險。

圖3 聚合物電解質膜及電池的規模化制備工藝：采用溶液涂布法將電解質前驅體均勻涂覆于聚乙烯（PE）基底表面，經熱固化處理后形成具有優異連續性的聚合物電解質膜。該膜材可通過兩種成型工藝制備不同規格電池：1）卷繞工藝適用于圓柱形電池制造；2）層壓工藝適用于方形及軟包電池生產。值得注意的是，該制備流程與現有液態電解質電池生產線具有高度兼容性，可實現傳統產線的無縫升級改造。

3. 成熟、安全且低成本的供應鏈

聚合物體系的原材料超過90%可與現有大型化工產業鏈共享，且完全無需依賴鍺、鑭等供應稀缺或具有地緣政治風險的戰略金屬。這種基于成熟工業體系的供應鏈，為快速、低成本、大規模生產提供了根本保障（圖4）。

圖4 聚合物、氧化物和硫化物電解質的核心性能對比分析：25°C下的離子電導率、電化學窗口和原材料成本之間的關系。傳統認知中聚合物電解質的兩大瓶頸——室溫離子電導率偏低和電化學窗口較窄，已通過分子結構設計和復合改性等手段獲得顯著改善。目前，優化后的聚合物電解質體系已實現：離子電導率提升至10?3S/cm量級，電化學窗口拓寬至4.5V以上。相較于氧化物和硫化物電解質，聚合物體系在以下方面展現出明顯優勢：優異的可加工性、更低的原材料成本、與現有液態電池生產設備的高度兼容性。

綜上所述，聚合物電解質體系憑借以下核心優勢，已成為當前固態電池產業化最具可行性的技術方案：1.工藝兼容性：與現有液態電池產線高度適配，可沿用85%以上傳統液態電池生產設備；2.界面特性：具有優異的界面自適應能力，能形成穩定的電極/電解質界面；3.供應鏈優勢：已建立完備的原材料供應和制備技術體系；4.綜合成本：相較其他固體電解質具有顯著的成本優勢。這一技術路徑不僅解決了傳統聚合物電解質在離子電導率和電化學窗口方面的技術瓶頸，更在產業化落地方面展現出獨特優勢，為固態電池的大規模商業化提供了現實可行的解決方案。

無機固體電解質面臨的系統性產業化挑戰

相比之下，氧化物與硫化物等無機固體電解質的產業化之路面臨更為嚴峻的全鏈條挑戰：

1.制造工藝革命性顛覆：需全面重構生產流程，極度依賴專用設備及嚴苛的無水無氧環境。

2.界面難題與高昂成本：實現穩定界面常需等靜壓等低通量、間歇式工藝，與現有自動化產線完全不兼容，推高制造成本。如圖5所示，硫化物電解質的生產成本約為聚合物體系的50倍。

3.供應鏈亟待從零構建：涉及從稀有原材料開采到組件制造的全新供應鏈建設，周期漫長（5-8年），難以匹配行業快速迭代節奏。

圖5 硫化物電解質和聚合物電解質的生產成本對比，硫化物的成本約為聚合物的50倍。

硫化物電解質雖具有高離子電導率優勢，但其熱穩定性較差，高溫下易發生放熱分解并引發自燃；更嚴峻的是，在熱失控或短路工況下，硫化物的持續燃燒會伴生有毒硫化氫氣體釋放，構成嚴重安全隱患（圖6a，b）。氧化物電解質雖具備優異的電化學穩定性與不可燃特性，但其本征脆性易導致界面產生微裂紋，導致界面接觸失效、電勢局部集中、鋰枝晶生長，甚至引發內部短路和結構失效（圖6c）。

圖6 無機電解質的安全風險分析。a）硫化物電解質的環境敏感性：硫化物在與環境中的痕量水分接觸時會發生水解反應，釋放具有毒性的H?S氣體。這一特性不僅對電池生產環境提出嚴格的濕度控制要求，更可能在使用過程中因封裝失效導致安全隱患。b）硫化物體系的電化學-熱耦合失效機制：在鋰離子傳輸過程中，硫化物與電極活性材料發生界面副反應，伴隨氧氣析出（O?）。析出的O?會進一步與電解質中的P?S?組分發生放熱反應，引發局部溫升。當系統溫度超過240°C臨界閾值時，將形成"副反應-放熱-反應加速"的正反饋循環，最終導致熱失控現象。c）氧化物電解質的枝晶生長機制：氧化物電解質存在三重失效路徑，即：（1）晶體缺陷與晶界為鋰枝晶提供優先擴展通道；（2）本征電子電導性促使鋰離子在電解質體相中發生還原反應，形成金屬鋰沉積核；（3）電極/電解質界面處的非均勻電子分布誘發鋰的不對稱沉積。上述多尺度協同作用最終導致枝晶貫穿電解質層，引發內部短路。

總體而言，氧化物/硫化物基固態電池的產業化面臨五大系統性瓶頸：極高的固-固界面阻抗、專用設備適配性不足、原材料成本居高不下、熱失控風險突出，以及供應鏈配套尚不完善。這些挑戰具有內在關聯性，無法依靠單一技術突破解決，必須通過材料體系創新、工藝優化、制造技術升級和供應鏈建設的協同推進來實現整體突破。若不能在核心技術或生產模式上取得革命性進展，這些深層次障礙將持續阻礙無機固態電池的產業化步伐。

商業化路徑對比

>> 漸進式改良與顛覆性重構 <<

聚合物體系與無機體系的商業化路徑截然不同：

• 聚合物路線：采取漸進式改良路徑，能順利對接現有產業生態和供應鏈，實現平滑升級。
• 無機路線：則需一場從基礎設施到供應鏈的全鏈條顛覆性重構。

1.資本投入：無機體系專用產線建設投資高達1–2億美元/GWh，是聚合物路線的10–15倍。

2.時間窗口：其供應鏈整合周期約5–8年，遠超車企3–5年的產品迭代周期。

3.風險系數：硫化物電解質的環境安全審批可能額外延長產品認證時間12–18個月。

結論與產業化前景

綜上所述，聚合物基固態電池憑借其卓越的工藝兼容性、獨特的界面自適應能力、成熟低成本的供應鏈以及優異的綜合成本優勢，已突破早期性能瓶頸，展現出清晰的產業化落地路徑。

當前技術格局下，聚合物體系正沿著“改良—替代—超越”的漸進式路徑快速發展；而無機體系雖實驗室性能指標突出，卻受困于從材料到基礎設施的全鏈條系統性瓶頸。基于技術成熟度與產業適配性的綜合研判，聚合物基固態電池有望在2026年率先實現規模化商業應用，為全球能源轉型與電動汽車產業升級提供現實、可靠的技術支撐。