固态电池封装形式选择研究

夏文进，石亚丽，章结兵，陶健

（浙江锂盾新能源材料有限公司，浙江湖州313100）

摘要：固态电池因其高安全性、高能量密度是下一代储能技术，但其产业化面临固-固界面接触阻抗大、对压力敏感、电极体积变化等核心挑战，封装形式的选择对解决这些难题至关重要。

本文系统分析了软包、圆柱和方形三种主流封装形式应用于固态电池的适配性。研究表明，软包封装凭借其柔性外壳易于施加均匀面压、形状灵活、轻量化及本质安全泄压等特性，最能有效应对固态电池的界面与压力管理需求，是目前技术路径下的最优适配方案。

进一步地，本文提出以钢塑膜和双金属塑膜为代表的增强型软包封装是未来的升级方向，结合技术参数对比，其在继承传统软包优势的同时，大幅提升了机械强度与安全性，有望成为固态电池，尤其是高能量密度全固态电池的终极封装解决方案。

关键词：固态电池；封装形式；软包封装；钢塑膜；双金属塑膜

一、引言

随着全球能源结构向绿色、低碳化转型，电动汽车及大规模储能系统对动力电池的能量密度、安全性和循环寿命提出了更高要求。传统液态锂离子电池采用有机液态电解质，存在易燃、易泄漏等安全隐患，且能量密度正逐渐接近理论极限，限制了其进一步发展的可能性。固态电解质不易燃稳定的特点，以固态电解质取代液态电解质的固态电池，从根本上消除了液态电池电解液燃烧风险问题，加之兼容锂金属负极、高镍正极等超高能量密度材料体系，被电池行业认为是下一代电池技术重要发展方向[1]。

虽然固态电池采用固态电解质替代传统液态电解液，从根本上提升了电池的安全性与能量密度上限。但在此过程中还有许多关键问题需要解决，如固态电解质也带来了固-固界面接触差、界面阻抗高、电池运行需持续外部压力以及电极材料体积膨胀等都会对固态电池大规模产业化带来重要挑战[2]。

固态电池封装形式及材料作为电池系统集成的基础和电池内芯安全性前提保障，不仅提供物理保护，其结构特性更直接关系到上述核心挑战的解决效果。因此，探究适用于固态电池的封装形式，对推动其产业化进程具有重要意义。

当前主流封装形式主要包括圆柱、方形硬壳和软包三种，其在应对固态电池特殊需求方面表现迥异。本文将深入剖析不同封装方案的技术原理、适配性与产业进展，明确当前最优路径及未来发展方向。

然而，固态电池的产业化发展道阻且难。固态电解质与电极材料之间的刚性固-固接触，取代了液态电解质的充分浸润，导致界面阻抗极高，严重制约电池的倍率性能和循环寿命[3]。

同时，为维持界面的紧密接触并抑制锂枝晶生长，必须在电池全生命周期内施加持续且均匀的静态压力[4]。此外，充电过程中活性材料（尤其是硅基或锂金属负极）的体积膨胀会进一步恶化界面稳定性。这些核心挑战使得电池的封装形式不再仅仅是提供物理保护的“外壳”，而是上升为直接影响电化学性能、决定技术路线可行性的关键部件。

二、软包封装是当前技术路线下最优适配方案

2.1 固态电池的核心技术挑战

固态电池虽然有高安全性及高能量密度等诸多优点，但其产业化发展道阻且难。与传统液态锂电池相比，固态电池的技术难题主要集中体现在：

1)固-固界面接触问题：固态电解质与电极材料为刚性接触，固态电解质没有液态电解质的充分浸润特性，导致极高的界面阻抗，影响倍率性能与循环寿命；

2)对压力的敏感性：需在整个生命周期施加均匀静态压力以保障电解质与电极间的界面接触紧密性，降低阻抗并抑制锂枝晶生长；

3)膨胀与收缩影响：电极活性材料尤其采用硅基或锂金属负极时，在充放电过程中电极材料会发生明显体积膨胀，这种变化会进一步恶化电解质与电极间的界面紧密接触稳定性。

这些核心技术难题挑战使得电池的封装形式不再仅仅是提供物理保护的“外壳”，而是会直接影响电化学性能并可决定固态电池发展技术路线可行性的关键部件[5-6]。

2.2 软包封装的针对性优势

当前，动力电池领域主流的封装形式包括圆柱、方形硬壳和软包（铝塑膜）三种，其在结构强度、工艺成熟度、成本及与固态电池的适配性上差异显著。其中，软包封装因其独特的材料与结构特性，在全球多数领先固态电池企业的研发及初期量产方案中被列为首选，软包封装采用铝塑复合膜外壳，其特性精准契合固态电池需求，其核心优势主要体现在以下几个方面：

（1）卓越的压力施加能力：与圆柱电池及方形电池坚硬的金属外壳不同，铝塑膜可以通过简单的外部夹具、绑带或将压力模组集成于模组设计中的方式，对电芯施加均匀的面压力。这种外部加压能力对于保持固态电解质与电极颗粒间的紧密接触十分关键，是保障电池离子传输效率、提升倍率性能和循环寿命的重要基石。同时柔性封装与体积变化的适应性形成了良性循环。

在充放电过程中，软包外壳可以随着电极的膨胀而发生一定形变，吸收内部应力，避免因刚性束缚导致界面剥离或封装破裂。这种“呼吸”能力不仅延长了循环寿命，也使得施加的外部压力能够动态、持续地作用于界面，形成“形变-压力维持”的闭环，这正是圆柱或方形硬壳难以实现的。另外，软包也是电池行业实践中唯一能便捷、低损耗地实现系统性外部加压的封装形式。

（2）高能量密度潜力：铝塑膜外壳的重量远低于金属外壳，可显著提升电池系统的重量能量密度（Wh/kg）。同时，其形状高度灵活，可制成超薄电芯并紧密堆叠，减少无效空间，提升体积能量密度（Wh/L），完美适配固态电池双极堆叠等追求超高能量密度的需求。

（3）本质安全性互补：固态电解质本身不易燃，从材料层面提供了本征安全。软包封装在极端情况（如热失控）下，会从热封边处鼓胀、撕裂，实现有序泄压，避免了硬壳电池因压力急剧积聚导致的剧烈爆炸风险。这种“材料安全+结构安全”的双重保障，构成了更高的安全等级[7-8]。

（4）工艺兼容性好与成本潜力：固态电池无需注液和复杂的化成工艺，其生产流程与软包电池的叠片工艺高度兼容。此外，软包封装更易于适配干法电极等下一代制造技术，能进一步简化流程、降低成本并提升环保性。随着铝塑膜的全面国产化和产业链成熟，其成本已具备较强竞争力，使得软包电芯在相同体系下的物料成本较方形/圆柱低约8%-10%。

（5）形状灵活与设计自由度高：可按电池需求定制各类尺寸形状，便于针对底盘较低的电动车等场景优化固态电池包设计形式，充分适配电动汽车的空间利用需求。

（6）跨场景适配能力：基于软包平台的技术可复用于多领域，如各头部电池企业“软包+固态”技术平台，已覆盖新能源汽车、eVTOL、无人机、人行机器人等场景。

2.3 产业现状及进展

全球范围内，多数聚焦硫化物、氧化物及聚合物路线的固态电池企业，如QuantumScape、Solid Power及国内的孚能科技、辉能科技、清陶能源等，均将软包封装作为其原型开发及初期量产的首选技术路径。相关企业推出的半固态电池产品（能量密度已达330-350 Wh/kg）也多采用软包形式，并已获得多家车企定点，进入规模化应用阶段[9]。

以国内软包电池领军企业孚能科技为例，其产业化进展极具代表性。该公司推出的第二代半固态电池已实现规模化应用，能量密度达330Wh/kg，循环寿命超过4000次，并获得国内外多家头部车企及低空飞行器（eVTOL）制造商的定点与出货。在全固态领域，其第一代硫化物全固态电池（能量密度400Wh/kg）已向头部人形机器人企业送样，并通过针刺、250℃热箱等严苛安全测试；第二代采用富锂锰基/高镍三元正极与锂金属负极，能量密度提升至500Wh/kg[10]，计划于2026年推出。这些进展清晰地勾勒出基于软包平台的固态电池从半固态到全固态、从示范应用到规模量产的技术演进与商业化路径。

三、主流封装形式的技术应对方案对比

3.1 圆柱与方形封装的挑战与应对

圆柱与方形硬壳封装虽工艺成熟、结构强度高，但其坚硬外壳难以对电芯施加有效且均匀的外部压力。为应对固态电池需求，二者尝试了内部自限性压力调控、全极耳结构、高压致密化工艺等技术方案（表1），但普遍存在工艺设计复杂、一致性难、成本增加、能量密度牺牲或与现有产线兼容性差等问题，目前仍无量产成熟时间表。

表1 圆柱与方形封装应对固态电池挑战的技术方案

3.2 软包封装的技术方案

软包封装针对固态电池的解决方案更为直接有效（表2），其柔性便于结合等静压技术优化界面；通过电极/电解质复合、原位界面修复、界面修饰等手段降低阻抗；并利用材料本质安全与封装泄压特性提升安全性。基于软包平台的固态电池技术已进入量产前夜，多数方案预计2027年前后实现规模化。

表2 软包封装应对固态电池挑战的技术方案

综合来看，圆柱和方形硬壳的方案多为在原有刚性框架内进行“打补丁”式的改进，往往以牺牲能量密度、增加系统复杂性和成本等为代价，且其外部加压能力存在根本性瓶颈。相较之下，软包封装是从封装形式的底层逻辑上与固态电池的需求相匹配，提供了更为直接、高效和可持续的解决方案。因此，在现有的材料与工艺体系下，软包是通向高性能固态电池产业化“最短路径”。

四、软包钢塑膜/双金属塑膜：升级方向与终极解决方案

尽管传统铝塑膜软包优势明显，但其机械强度（尤其是抗穿刺性能）相对金属外壳仍存差距，可能影响电池在极端物理冲击下的安全性，这成为制约其在更高容量、更高要求场景应用的短板。为此，以钢塑膜和双金属塑膜为代表的增强型软包封装是重要发展方向，代表了软包封装乃至固态电池封装的未来升级方向。

4.1钢塑膜及双金属塑膜设计

为了提升钢塑膜及双金属膜在固态电池中的可适性，依托省高企研发中心及省级院士科研平台并与中国手撕钢领域的国际领先优势平台太钢合作，进行了钢塑膜及双金属膜材料结构（图1）及成型专项研发设计。

（1）钢塑膜的设计：钢塑膜内层为高分子封装层，外层为高分子保护支撑层，中间层为钢箔阻隔层，设计电池级软包钢塑膜用不锈钢，实验研发设计包括：材质选型 、厚度结构 、强度 、韧性 、耐腐蚀等功能及工艺设计 、成本优化；不锈钢箔表面处理与粘结材料研发，针对锂电HF、电化学腐蚀机理研究，同时设计不锈钢粘结剂专用材料，优化耐腐蚀性 、粘结性 和绝缘性；对于特征性能如穿刺、强度、抗电磁、热失控等指标数据，制成钢塑消费电芯 、动力电芯与同级别钢壳 、铝壳对比数据，并进行冲深工艺、封装工艺优化[11-12]。

（2）双金属膜设计：根据固态电芯深冲各层厚度变化趋势， 设计各层结构厚度，根据强度与韧性设计指标优化材质和结构；PX层与耐穿刺PA外层设计： PX中间层添加导热材料， 同步调节韧性与屈服强度，屈服强度与冲深关系密切，PA外层设计，同步可提高到30um；应用研究：穿刺强度对比优化各层结构，本体强度与封装强度对比优化热失控能力，软包CTP（电芯集成到电池包） 、CTM（电芯集成到模组）一体化结构设计在不同电芯结构上的应用验证，电池制造过程中冲深裁切、封装工艺的优化定型[13-15]。

4.2 核心优势

通过钢塑膜及双金属塑膜的特点深度分析（见表3），可以总结其核心优势主要有4点，具体归纳如下：（1）强度与安全性的飞跃：以SPCE低碳钢箔或双金属箔为基材，机械强度和抗穿刺能力远超铝塑膜，媲美硬壳，能更好应对电极膨胀应力和外部冲击。钢塑膜熔点高（>1400℃），可延缓热蔓延；（2）平衡柔性与刚性：钢塑膜和双金属塑膜并非完全刚性，而是在软包电池的柔性与硬壳电池的刚性之间找到最优平衡点，在保留软包压力适配性、形状灵活性的基础上，弥补了传统铝塑膜强度不足短板，为电池设计提供更多创新空间；（3）提升工艺一致性：更强的机械性能有助于解决固态电池模块组装难题，保障规模化量产的一致性；（4）适配未来场景需求：随着半固态、全固态电池技术成熟，以及低空经济、人形机器人、高端电动车等新兴场景对电池安全性、能量密度和机械稳定性的要求不断提升，钢塑膜/双金属塑膜的性能优势将进一步凸显，成为高价值场景的核心封装选择。

表3 钢塑膜及双金属塑膜特点

4.3 技术指标对比

为了更进一步对传统铝塑膜、双金属铝塑膜及钢塑膜的性能指标有一个更直观认识，将三者进行汇总对比见表4，从表4中可以看出，钢塑膜（以120μm规格为例）在穿刺强度、拉伸强度及循环弯曲寿命等关键机械性能上显著优于传统及双金属铝塑膜。双金属铝塑膜则在维持良好成型性的同时，通过结构设计提升了阻隔性和抗穿刺性。

表4 不同封装膜关键性能指标对比

4.4 产业展望

随着国家对动力电池安全性提出了新的要求，GB38031-2025新增快充循环后安全测试、热扩散要求升级及新增底部撞击测试项，因此安全不再是企业的“成本支出”，而是企业生存的根本前提和市场竞争的核心优势。在安全技术上的投入不再是选择题，而是必答题。

固态电池由于其高能量密度及高安全性是下一代电池，固态电池安全性优势体现在材料性质上和整体系统结构的本征稳定性，增强型软包封装是固态电池整体系统结构本征稳定性的重要组成部分之一，将钢塑膜/双金属塑膜的研发与与固态电解质膜、锂金属负极膜等关键材料协同创新，形成“固态膜生态”。

以浙江锂盾新材为例，其钢塑膜/双金属塑膜已与固态电池材料同步规划研发，并计划于2026年底实现相关膜材料的小批量供应。这标志着封装解决方案正与电池核心材料体系深度耦合，共同推动固态电池产业化进入高质量新阶段。

与此同时，国际化工巨头如巴斯夫，也通过提供高性能工程塑料（如Ultramid?聚酰胺）和聚氨酯解决方案，用于制造固态电池包内的阻燃电芯支架、轻量化冷却板、结构胶及防火涂层，从系统层面提升安全性、轻量化和热管理能力，满足GB 38031等严苛标准。此外，上游膜材料厂商如中仑新材，也已成功研发用于固态电池封装最外层的专用双向拉伸尼龙薄膜（BOPA），以满足其对柔韧性、抗穿刺性的严苛要求。

可以预见，软包封装凭借对固态电池核心挑战的精准适配，已成为当前产业化的最优路径；而钢塑膜/双金属塑膜作为软包封装的升级产品，既继承了软包在压力调控、能量密度、形状灵活度上的核心优势，又通过钢基/双金属基材质实现了封装强度、工艺一致性与安全性的跨越式提升，完美解决了固态电池量产的三大核心技术挑战的短板。同时，未来的固态电池封装将是一个多层次、多材料协同优化的系统，以增强型软包膜为核心，结合特种功能外膜、高性能系统结构材料，共同构成固态电池的“护甲”。

随着半固态、全固态电池在新能源汽车高端车型、eVTOL、人形机器人等高价值场景的快速渗透，对电池安全性、能量密度和机械稳定性的要求将达到更高标准，钢塑膜/双金属塑膜软包封装既适配当前技术需求，又能满足未来场景升级要求，无疑是固态电池封装的终极解决方案，将引领固态电池产业化进入更高质量的发展阶段，其市场价值和技术领导地位也将愈发凸显。

五、结论

1.在当前固态电池材料体系与工艺水平下，软包封装因其独特的柔性压力施加能力、高能量密度潜力、本质安全泄压及良好的工艺兼容性，是解决固-固界面接触与压力管理难题的最有效方案，已成为产业化的最优路径。

2.钢塑膜和双金属塑膜作为软包封装的增强型演进，在继承其核心优势的同时，实现了封装强度、安全性与工艺一致性的跨越式提升，完美适配全固态、高能量密度电池的未来需求。

3.封装技术的进步需与固态电池核心材料（如电解质、负极）协同发展。增强型软包封装，特别是钢塑膜/双金属塑膜，凭借其对当前及未来技术需求的全面覆盖，有望成为引领固态电池产业化的终极封装解决方案。

参考文献

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作者及通讯联系人简介：

夏文进，男，高级工程师，研究方向为软包电池及固态/半固体电池封装膜材料研究

E-mail:wenjin.xia@leadermaterial.cn

基金项目：浙江省“重点省专”基金(2025179)