【长安先导—行业观察】结构电池复合材料,前沿视角

结构电池复合材料（Structural Battery Composites, SBC）是一种兼具能量存储与机械承重功能的先进复合材料。其核心思想是赋予传统结构材料以能量存储功能，或将储能器件本身设计成承载结构的一部分，从而实现“结构-功能一体化”。它通过将电池组件（如电极、电解质、隔膜）与结构材料（如碳纤维、玻璃纤维）集成，实现“结构-功能一体化”——材料本身既作为能源载体又承担结构支撑，显著减轻系统重量。其技术本质在于开发兼具优异力学性能（高比强度、高比模量）和良好电化学性能（高能量密度、长循环寿命） 的多功能复合体系。理想的结构电池，既是车辆的底盘、飞机的机翼，也是电子设备的外壳，真正实现“材料即设备”。

多学科技术融合成熟，碳纤维复合材料技术、固态电解质技术、纳米材料技术与先进制造工艺（如预浸料、增材制造）的进步，为设计和制造兼具优良机械与电化学性能的多功能复合材料提供了可能。随着全球能源结构转型与新能源汽车产业持续升级，对轻量化、高效化能源存储解决方案的需求日益迫切。传统锂离子电池作为独立储能部件，占据额外空间且增加系统重量，限制了设备性能提升。结构电池复合材料通过“结构-储能一体化”设计，有效解决了这一问题，成为电动汽车、航空航天、储能系统等领域轻量化与高效化的关键突破。2025年，该技术被世界经济论坛列为年度十大新兴技术之一，标志着其正式进入全球科技与产业发展的核心赛道。

全球结构电池复合材料行业整体处于“黎明前夜”，即从实验室原理验证走向工程原型开发的关键阶段，尚未形成成熟的规模化市场和供应链。市场尚未形成清晰的产业格局。参与者主要包括前沿材料研究所、航空航天与汽车巨头的内部研发部门，以及少数获得风险投资的科技初创企业。传统电池巨头和复合材料企业多数处于密切关注和技术跟踪阶段。目前，全球仅有少数顶尖科研团队（如瑞典皇家理工学院、美国NASA、英国帝国理工学院等）和前瞻性企业（如特斯拉在相关专利中有所布局，初创公司如瑞典的Sinonus等）进行系统性研发。已公开的实验室原型产品，其储能性能（能量密度）尚远低于商用锂离子电池，而力学性能也低于顶级结构复合材料，但在特定演示场景（如小型无人机、概念车）中已验证了其技术可行性。

电动汽车行业特斯拉、宝马等企业率先采用碳纤维复合材料电池外壳，实现整车减重与性能提升。例如，特斯拉最新车型使用碳纤维复合材料电池外壳，显著减轻重量并提升安全性；宝马i系列电动车型在电池模组和支架中广泛应用碳纤维复合材料，优化整车重量，提升能效和续航里程。大规模电化学储能对电池的本征安全性和长循环寿命要求极高，结构电池复合材料凭借其优势，成为储能系统升级的重要方向。

虽然没有直接针对“结构电池”的专项政策，但其发展受到一系列国家战略和产业政策的强力牵引。欧盟《新电池法规》强制要求电池包材料标注可回收成分比例，并限制有害物质（如铅、镉）含量，推动电池行业向绿色、可持续方向发展。国际标准（如FMVSS 305a、IEC 62840-2:2025、ISO 6469-4）主要聚焦电池包机械安全（挤压、浸水）和热管理，但中国新国标在电池包机械安全、热管理、材料可回收性和供应链透明度等方面提出了更高要求。中国通过强制性国家标准推动复合材料在电池行业的应用。例如，GB 38031-2025《电动汽车用动力蓄电池安全要求》于2026年7月1日起实施，被称为“史上最严电池安全令”。该标准首次提出电动汽车电池在内部短路引发热失控后应不起火、不爆炸的要求，强化了热扩散测试、低温安全测试、系统级安全扩展等技术要求，倒逼企业采用高性能复合材料提升电池安全性能。中国、欧盟、美国等主要经济体对电动汽车的补贴和碳排放法规，倒逼产业寻求任何可能的减重增程技术。全球主要国家对城市空中交通（UAM）和绿色航空的愿景与路线图，为结构电池这种能为电动飞行器带来颠覆性优势的技术提供了长期的政策想象空间和潜在支持。

全球结构电池复合材料市场处于快速增长阶段。以固态电池（结构电池复合材料的重要技术方向之一）为例，2021年全球固态电池市场规模约5亿元，2024年增长至142亿元，预计2026年将达到540亿元。中国固态电池市场规模从2021年的3亿元增长至2024年的95亿元，预计2026年将达到318亿元。国际企业中，韩国KIST通过真空压缩成型技术，将碳纤维电极体积分数提升160%，能量密度显著提高；清陶能源、上海洗霸等企业采用氧化物路线固态电解质，实现半固态电池量产；赣锋锂业聚焦硫化物路线固态电解质，布局全固态电池研发。国内宁德时代凝聚态电池（360Wh/kg）已实现小批量装车；卫蓝新能源半固态电池实现量产；安瓦新能源全球首条GWh级产线于2025年下线样件；国轩高科、孚能科技、亿纬锂能等企业中试线密集建设，计划于2025年底至2026年初实现小批量交付。

技术路线多样，主流路线包括：①碳纤维复合材料电极：将碳纤维同时作为负极材料和增强体；②固态电解质结构隔膜：使用固态电解质同时充当离子导体和结构基体；③多功能分层/夹芯结构：将电极、隔层和集流体以特定的序列堆叠，使其整体具有承载能力。当前最大的挑战是 “力-电”性能的权衡。提高材料的力学强度往往牺牲离子传输效率（电导率）和活性物质含量（能量密度），反之亦然。研究重点在于通过微纳结构设计（如3D互联结构）和新型材料体系（如纤维素纳米纤维增强体系）来优化这一矛盾。当然，作为结构件，其必须承受长期的振动、冲击及复杂环境应力，这对电池的循环寿命、热管理以及失效模式（特别是防止灾难性断裂导致短路）提出了远超传统电池的苛刻要求。

结构电池复合材料产业链构想尚处雏形，但可预见其将深度融合现有产业链。

（一）核心材料体系瓶颈：复合材料多场耦合行为参数失配，极值工况下功能属性衰退率超80%；电磁仿真与力学构态存在20%-30%参数偏差；界面应力疲劳引发安全风险（如合资品牌召回事件）。缺乏同时满足高强、高模、高离子电导、高界面稳定性和长寿命要求的理想材料体系。

（二）多物理场耦合设计与验证难题：结构载荷与电化学过程相互影响，其设计理论、测试标准与安全认证体系几乎空白，研发成本和风险极高。

（三）制造成本与可扩展性：一体化制造工艺复杂，良率控制难，初期成本将极其昂贵，距离规模化、自动化生产尚有巨大鸿沟。真空灌注精度、热压罐成型设备成本占比高（达60%），且3D打印、自动化生产线等新兴工艺的普及率较低，限制了大规模生产效率提升。

（四）供应链与标准缺失：国际标准与国内新国标在测试方法、安全要求等方面存在差异，导致企业需投入额外资源进行产品认证，增加了市场准入难度。行业技术标准、安全规范和回收利用路径均为空白。

（一）从“结构承载电池”到“电池赋能结构”：技术路径将从早期在结构中嵌入微型电池单元，向真正本征一体化的材料系统演进。

（二）与固态电池技术协同进化：固态电解质在安全性和力学性能上的潜在优势，使其更易与结构设计兼容，两者发展将深度绑定。

（三）分阶段、分场景商业化：短期内将应用于对成本不敏感、对减重需求极端的特种领域（航天、军工）；中期有望进入高端民用领域（超级跑车、eVTOL）；长期才可能渗透至大众消费市场。

（四）设计制造数字化与智能化：基于数字孪生和人工智能的多目标优化设计，以及智能化的在线监测与健康管理，将成为必然选择。

随着技术成熟和成本降低，结构电池复合材料市场规模将持续扩大。预计到2030年，全球固态电池市场规模将超过千亿元，其中结构电池复合材料将占据重要份额。除电动汽车、航空航天、储能系统等现有应用领域外，结构电池复合材料还将拓展至电动垂直起降航空器（eVTOL）、机器人、可穿戴设备等新兴领域，为行业带来新的增长点。结构电池复合材料的发展将推动电池行业向轻量化、高效化、绿色化方向升级，提升中国在全球能源存储与转换领域的竞争力。结构电池复合材料作为一项具有颠覆性潜力的新兴技术，正逐步从实验室走向产业化应用。尽管面临成本、工艺、回收等挑战，但在政策支持、技术创新和市场需求的多重驱动下，其发展前景广阔。未来，随着材料低成本化、制造智能化、回收体系化等趋势的推进，结构电池复合材料有望成为全球能源存储与转换领域的核心解决方案，加速全球向低碳、高效能源系统的转型。

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