為推動(dòng)電動(dòng)汽車關(guān)鍵共性技術(shù)發(fā)展，服務(wù)于成員單位技術(shù)研發(fā)需求，自成立以來，聯(lián)盟一直持續(xù)開展整車及關(guān)鍵零部件前沿、共性技術(shù)研究工作，形成了大批研究成果，推動(dòng)了電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和進(jìn)步。2023聯(lián)盟共立項(xiàng)共性技術(shù)課題22項(xiàng)，為推動(dòng)課題交流和成果共享，聯(lián)盟將持續(xù)發(fā)布在研課題研究進(jìn)展和成果，最大化發(fā)揮課題研究?jī)r(jià)值。

全固態(tài)電池技術(shù)路線研判及專利分析

01、研究目的

全固態(tài)電池技術(shù)路線研判及專利分析課題由中科固能和國(guó)汽（北京）汽車科技研究院有限公司共同申報(bào)承擔(dān)，課題的主要內(nèi)容包括梳理全球主要國(guó)家關(guān)于全固態(tài)電池的戰(zhàn)略規(guī)劃、組織模式、技術(shù)路線及研發(fā)體系，了解企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)技術(shù)進(jìn)展情況，產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用情況，分析相關(guān)專利布局，研究對(duì)比不同全固態(tài)電池的技術(shù)路線及優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)不同技術(shù)路線下的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)，提出適用于我國(guó)目前研究基礎(chǔ)的未來發(fā)展路線。

02、研究進(jìn)展與階段性成果

1.全固態(tài)電池定義和特點(diǎn)

圖2 四種主流固態(tài)電解質(zhì)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

2.全固態(tài)電池的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)

對(duì)比液態(tài)鋰離子電池，全固態(tài)鋰電池主要具有高安全性、高能量密度、高功率性能、寬工作溫度以及材料選型范圍廣五大優(yōu)勢(shì)性能潛力（表1）。

表1.全固態(tài)電池主要優(yōu)勢(shì)性能和詳細(xì)說明

3.全固態(tài)電池市場(chǎng)展望

得益于全固態(tài)電池高能量密度和本質(zhì)安全等優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用前景非常廣闊。除開軍事用途，全固態(tài)電池在航空航天，無人設(shè)備，消費(fèi)電子，裝配制造中具有很高的應(yīng)用潛力。在汽車領(lǐng)域，可能會(huì)優(yōu)先應(yīng)用于混動(dòng)車型，后期用于純電車型（圖3）。目前全固態(tài)電池市場(chǎng)蓄勢(shì)待發(fā)，據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測(cè)，2030年國(guó)內(nèi)半固態(tài)+全固態(tài)電池出貨量251.1GWh，對(duì)應(yīng)2022—2030年將增長(zhǎng)近86倍，預(yù)計(jì)2030年中國(guó)固態(tài)電池市場(chǎng)空間將達(dá)200億元。中研普華產(chǎn)業(yè)研究院報(bào)告則預(yù)測(cè)，2030年全球半固態(tài)+全固態(tài)電池出貨量將超500GWh。據(jù)全球調(diào)查機(jī)構(gòu)SNE research預(yù)測(cè)，2022年全球固態(tài)電池市場(chǎng)規(guī)模約達(dá)到約2750萬美元，2030年將形成400億美元的市場(chǎng)規(guī)模。EVTank預(yù)計(jì)到2030年全球固態(tài)電池的出貨量將達(dá)到614.1GWh，在整體鋰電池中的滲透率預(yù)計(jì)在10%左右，其市場(chǎng)規(guī)模將超過2500億元。

圖3 全固態(tài)電池優(yōu)先應(yīng)用場(chǎng)景

（二）全球全固態(tài)電池政策規(guī)劃

課題組將證書體系應(yīng)用于即插即充業(yè)務(wù)中，通過數(shù)據(jù)證書完成車樁通信的身份認(rèn)證，數(shù)據(jù)加解密和業(yè)務(wù)數(shù)字簽名等功能，并結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景、協(xié)議以及問題，形成了至少4種場(chǎng)景模式。

圖4 世界主要國(guó)家和地區(qū)關(guān)于固態(tài)電池的政策規(guī)劃

1.中國(guó)

中國(guó)目前對(duì)于全固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展非常支持，通過政策方針（《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》、《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》）、行業(yè)組織（固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)合體、中國(guó)全固態(tài)電池產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)）和專項(xiàng)支持（2024年5月，由政府相關(guān)部委牽頭計(jì)劃投入60億元用于固態(tài)電池研發(fā)）三位一體推動(dòng)全固態(tài)電池技術(shù)迅速發(fā)展。

2.日本

 在2010年代早期，日本就開始舉全國(guó)之力發(fā)展全固態(tài)鋰電池，由日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)牽頭。日本對(duì)全固態(tài)電池的發(fā)展支持總體呈現(xiàn)兩大特點(diǎn)：一是組織模式創(chuàng)新，多個(gè)單位合作成立產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟；二是持續(xù)的有計(jì)劃的巨額資金支持。

（三）全球全固態(tài)電池技術(shù)進(jìn)展

1. 文獻(xiàn)計(jì)量分析

圖5 各年度\國(guó)家全固態(tài)電池領(lǐng)域發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量

根據(jù)圖5，全固態(tài)電池相關(guān)的科學(xué)研究進(jìn)展在過去的二十年中大致可以分為三個(gè)階段。第一階段，2000 - 2010年，整體年發(fā)文量很低，此時(shí)日本開始研究全固態(tài)電池，中國(guó)國(guó)內(nèi)尚未有研究，此為全固態(tài)電池技術(shù)萌芽階段。第二階段，2011 - 2015年，文獻(xiàn)數(shù)量整體穩(wěn)步增長(zhǎng)，年發(fā)文量突破百篇表明該領(lǐng)域逐步發(fā)展，中國(guó)國(guó)內(nèi)相關(guān)研究仍然匱乏。第三階段，2015年之后，全固態(tài)電池文獻(xiàn)出現(xiàn)了爆發(fā)式增長(zhǎng)， 中國(guó)國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究更是呈現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)，從2015年整年僅21篇到2023年一年562篇，翻了25倍。目前論文發(fā)表量前 10 位的國(guó)家分別為中國(guó)、日本、美國(guó)、韓國(guó)、德國(guó)、加拿大、法國(guó)、印度、英國(guó)和澳大利亞。

圖6 全固態(tài)電池領(lǐng)域文獻(xiàn)關(guān)鍵詞強(qiáng)度分析

如圖6所示，通過VOSviewer軟件對(duì)文獻(xiàn)關(guān)鍵詞進(jìn)行強(qiáng)度分析。在這張強(qiáng)度分布圖中，顏色越亮，說明該關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次越高。由圖可知，全固態(tài)電池領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)包括：電解質(zhì)材料，電導(dǎo)率和離子傳輸，穩(wěn)定性和界面，以及性能表現(xiàn)。固態(tài)電解質(zhì)材料作為全固態(tài)電池最核心的組成部分最受關(guān)注。

2. 技術(shù)專利分析

圖7 全球?qū)＠晟暾?qǐng)量趨勢(shì)圖

基于智慧芽專利平臺(tái)，檢索到12599篇涉及全固態(tài)電池和固態(tài)電解質(zhì)材料主題的相關(guān)專利。其中已授權(quán)專利6161篇，在審專利5819篇，PCT指定期內(nèi)專利617篇。如圖7所示，2005年以后，在全球范圍內(nèi)，全固態(tài)電池相關(guān)專利申請(qǐng)進(jìn)入發(fā)展階段。2005年到2015，只有日本在布局相關(guān)專利，總量不大。2015年后，世界各國(guó)相關(guān)專利年申請(qǐng)量逐年猛增，行業(yè)專利布局悄然發(fā)力。近三年的年申請(qǐng)量都超過2000件，說明該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)保持高速發(fā)展，行業(yè)研究熱度居高不下。

圖8 專利申請(qǐng)人所在國(guó)家年申請(qǐng)量

圖9 專利技術(shù)來源國(guó)分布（左：已授權(quán)專利量，右：總申請(qǐng)專利量）

結(jié)合技術(shù)來源國(guó)年申請(qǐng)量趨勢(shì)來看，日本在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)（2005-2022年）的申請(qǐng)量都遠(yuǎn)超世界其他國(guó)家和地區(qū)，處于絕對(duì)領(lǐng)先地位。中國(guó)在2015年后年專利量迅速增長(zhǎng)，并在2023年的專利申請(qǐng)量首次超過1000，領(lǐng)先日本（661件）。從技術(shù)來源國(guó)來看，無論是總?cè)虘B(tài)電池相關(guān)技術(shù)總申請(qǐng)量還是已授權(quán)專利數(shù)量，全固態(tài)電池專利布局呈現(xiàn)中日獨(dú)檔領(lǐng)先的格局，其中日本占總體的一半，中國(guó)占總體的1/3。韓國(guó)也在積極布局，但由于本身體量小，總申請(qǐng)量接近1000件。美國(guó)和歐洲在全固態(tài)電池領(lǐng)域的科研較多，但產(chǎn)業(yè)布局少。

圖10 世界范圍前30企業(yè)全固態(tài)電池專利（總申請(qǐng)專利量）

圖11 世界范圍內(nèi)前10企業(yè)全固態(tài)電池專利年度申請(qǐng)量

從世界范圍內(nèi)的主要申請(qǐng)機(jī)構(gòu)來看，申請(qǐng)量排名前30的機(jī)構(gòu)中，日本企業(yè)占據(jù)了17家，中國(guó)7家，韓國(guó)5家，歐洲有一家。排名前10的都為日韓企業(yè)。排名第一的為日本豐田公司。從時(shí)間上看，排名前十的日韓公司全固態(tài)電池專利申請(qǐng)集中在18年到22年，2023年的申請(qǐng)量下降很多，說明日韓企業(yè)對(duì)于全固態(tài)電池布局已進(jìn)入穩(wěn)定階段。日韓的專利保護(hù)意識(shí)較強(qiáng)，幾乎所有的企業(yè)對(duì)專利技術(shù)進(jìn)行全球化保護(hù)，除在本國(guó)申請(qǐng)專利保護(hù)之外，還在全球其他主要國(guó)家/地區(qū)如中國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)及世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織進(jìn)行專利保護(hù)。

圖12 中國(guó)前30企業(yè)全固態(tài)電池專利（已授權(quán)專利）

圖13 中國(guó)前10企業(yè)全固態(tài)電池專利年度申請(qǐng)量

從國(guó)內(nèi)企業(yè)的布局來看，處于領(lǐng)先地位的寧德時(shí)代目前的授權(quán)量有約80項(xiàng)，這得益于寧德時(shí)代在全固態(tài)電池領(lǐng)域相對(duì)較早的布局。其他公司比如蜂巢能源，蘇州清陶，比亞迪，贛鋒鋰業(yè)也擁有數(shù)十項(xiàng)專利。除了公司，還有很多高校和科研院所在全固態(tài)電池領(lǐng)域也有布局，比如中科院物理所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院寧波材料所、中南大學(xué)和清華大學(xué)等等。從申請(qǐng)時(shí)間來看，大部分中國(guó)企業(yè)從2018年開始專利申請(qǐng)爆發(fā)增長(zhǎng)，2023年的專利申請(qǐng)量再創(chuàng)新高，總體數(shù)量反超日韓，正處于上升階段。

圖14 技術(shù)主題分類排名

圖15 IPC分類排名

從技術(shù)主題排名來看，目前全固態(tài)電池專利主要布局電池單元、電解質(zhì)和電極材料。從IPC分類排名來看，固體材料占據(jù)最大頭，其他電池結(jié)構(gòu)和制造方法也是主要的關(guān)注部分。

3. 全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化研究在世界各個(gè)國(guó)家和地區(qū)呈現(xiàn)不同的特征。日韓由于起步較早，研究基礎(chǔ)扎實(shí)，目前其小型全固態(tài)電池已經(jīng)開始示范性應(yīng)用。在中國(guó)，半固態(tài)電池在2024年已批量上車，全固態(tài)電池研發(fā)大干快上。在美國(guó)，全固態(tài)電池研發(fā)以創(chuàng)業(yè)公司為主，技術(shù)路線多樣化。

圖16 中國(guó)全固態(tài)電池研發(fā)大干快上

圖17 日韓——小型全固態(tài)電池已經(jīng)開始示范性應(yīng)用

圖18 美國(guó)——?jiǎng)?chuàng)業(yè)公司為主、技術(shù)路線多樣

從電解質(zhì)路線來看，硫化物固態(tài)電解質(zhì)目前已成為各大企業(yè)公認(rèn)的可行路線。從電極體系來看，目前的軟包級(jí)全固態(tài)電池正級(jí)普遍基于高容量三元材料，負(fù)極以硅和硅碳為主，極少數(shù)企業(yè)采用尚不成熟的鋰金屬負(fù)極。整體可優(yōu)化的空間較大，尤其是全固態(tài)電芯的循環(huán)性能。整體而言，在近期（2025年），小型的全固態(tài)電池可以量產(chǎn)，如日立造船和maxell公司的小型電池產(chǎn)品。QuantumScape、豐田和高能時(shí)代的電芯也能夠?qū)崿F(xiàn)小規(guī)模生產(chǎn)。其余大部分企業(yè)認(rèn)為一兩年內(nèi)還達(dá)不到量產(chǎn)條件，尤其是國(guó)內(nèi)的企業(yè)都認(rèn)為在2026年到2027年才能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)。而最早布局全固態(tài)電池的日韓企業(yè)相對(duì)更加保守，他們普遍認(rèn)為在2028年到2030年才能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。

項(xiàng)目下一階段將進(jìn)一步梳理不同路線下全固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題和解決方案，探索全固態(tài)電池技術(shù)可行的迭代路徑。對(duì)中國(guó)全固態(tài)電池行業(yè)發(fā)展進(jìn)行SWOT分析，提出適用于我國(guó)目前研究基礎(chǔ)的未來發(fā)展路線。