固態(tài)鋰電池指電池電解質(zhì)部分采用固態(tài)材料的鋰二次電池。固態(tài)電池與傳統(tǒng)鋰離子電池不同在于固態(tài)電池以固態(tài)電解質(zhì)替代了傳統(tǒng)鋰離子電池的電解液、電解質(zhì)鹽、隔膜。

 

安全性、能量密度和循環(huán)壽命是對(duì)動(dòng)力電池的三大要求。由于固態(tài)電池在這三方面均具備優(yōu)于傳統(tǒng)鋰離子電池的潛力,因此也被視為下一代電池技術(shù)。

 

固態(tài)電池優(yōu)點(diǎn)一:安全性高,無(wú)自燃、爆炸風(fēng)險(xiǎn)。采用有機(jī)電解液的傳統(tǒng)鋰離子電池,在過(guò)度充電、內(nèi)部短路等異常情況下容易導(dǎo)致電解液發(fā)熱,有自燃甚至爆炸的危險(xiǎn)。全固態(tài)鋰電池基于固態(tài)材料不可燃、無(wú)腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液?jiǎn)栴},且有望克服鋰枝晶現(xiàn)象。半固態(tài)、準(zhǔn)固態(tài)電池仍存在一定的可燃風(fēng)險(xiǎn),但安全性也較液態(tài)電解液電池提高。

 

固態(tài)電池優(yōu)點(diǎn)二:能量密度高,有望徹底解決電動(dòng)汽車?yán)锍探箲]。目前技術(shù)體系下鋰離子電池已經(jīng)接近性能極限,特斯拉NCA 18650電芯能量密度達(dá)到250Wh/Kg,應(yīng)用于Model 3的21700電芯能量密度約300Wh/Kg,支持的續(xù)航里程約400至500公里,仍無(wú)法徹底解決里程焦慮。而對(duì)于固態(tài)電池而言,一方面固態(tài)電解質(zhì)無(wú)需隔膜與電解液,這兩部分在傳統(tǒng)鋰離子電池中加起來(lái)占據(jù)近40%的體積和25%的質(zhì)量,另一方面由于沒(méi)有漏液、腐蝕等問(wèn)題,可以簡(jiǎn)化電池外殼及冷卻系統(tǒng)模塊,進(jìn)一步減輕電池系統(tǒng)重量。此外,配套新的正負(fù)極材料可以使得電化學(xué)窗口達(dá)到5V以上,可以從根本上提高能量密度,有望達(dá)到500Wh/Kg,同等電池容量的情況下有望將續(xù)航里程提高到600至700公里。

 

此外,固態(tài)電池還具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、可快速充電等優(yōu)點(diǎn)。

 

按照電解質(zhì)材料的不同,固態(tài)電池可以分為聚合物、氧化物和硫化物三大體系。其中聚合物電解質(zhì)屬于有機(jī)電解質(zhì),氧化物和硫化物屬于無(wú)機(jī)陶瓷電解質(zhì)?？傮w來(lái)說(shuō),聚合物電解質(zhì)技術(shù)最成熟,已經(jīng)率先實(shí)現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn),但是理論能量密度不及其他兩類電解質(zhì);氧化物電解質(zhì)性能優(yōu)于聚合物電解質(zhì),但薄膜型氧化物電池容量較小、只能應(yīng)用于消費(fèi)類電子領(lǐng)域,非薄膜型氧化物電池技術(shù)相對(duì)還不夠成熟;硫化物電解質(zhì)理論上最適合于電動(dòng)汽車領(lǐng)域,但是開發(fā)難度最大。

 

按照正負(fù)極材料的不同,固態(tài)電池還可以進(jìn)一步分為固態(tài)鋰離子電池(沿用當(dāng)前鋰離子電池材料體系,如石墨+硅碳負(fù)極、三元正極等)和固態(tài)鋰金屬電池(以金屬鋰為負(fù)極)。由于固態(tài)鋰離子電池與當(dāng)前的電池體系最為接近,日韓本身又擁有成熟的鋰電產(chǎn)業(yè)鏈,因此目前日韓企業(yè)大多采用硫化物+固態(tài)鋰離子電池的路線。而歐美初創(chuàng)企業(yè)則立足于顛覆性的技術(shù),大多采用聚合物/氧化物+固態(tài)鋰金屬電池的路線。

 

1.2 固態(tài)電池能夠滿足2030年新能源汽車技術(shù)政策目標(biāo)

 

近年來(lái),新能源汽車補(bǔ)貼政策經(jīng)歷多次調(diào)整,且將于2020年后完全退出。從政策歷次調(diào)整的導(dǎo)向來(lái)看,對(duì)高續(xù)航里程、高能量密度技術(shù)路線的支持力度沒(méi)有減弱甚至有所加大。補(bǔ)貼政策完全退出后,雙積分制度仍可能通過(guò)對(duì)不同能量密度、不同續(xù)航里程設(shè)置差別化的積分來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)行業(yè)技術(shù)升級(jí)的導(dǎo)向作用。

 

此外,當(dāng)前行業(yè)主管部門對(duì)動(dòng)力電池技術(shù)提出了非常高的目標(biāo)。2017年工信部、發(fā)改委、科技部聯(lián)合發(fā)布《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》,其中“新能源汽車研發(fā)與推廣應(yīng)用工程”專欄要求:到2020年,動(dòng)力電池單體比能量達(dá)到300瓦時(shí)/公斤以上、力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)350瓦時(shí)/公斤,系統(tǒng)比能量力爭(zhēng)達(dá)到260瓦時(shí)/公斤;到2025年,動(dòng)力電池系統(tǒng)比能量達(dá)到350瓦時(shí)/公斤。

 

受工信部、國(guó)家制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)戰(zhàn)略咨詢委員會(huì)委托,由中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)研究編制的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》則要求:2020/2025/2030年單體比能量分別達(dá)到350/400/500瓦時(shí)/公斤,系統(tǒng)比能量分別達(dá)到250/280/350瓦時(shí)/公斤。

 

中科院院士、國(guó)家“863”計(jì)劃節(jié)能與新能源汽車重大項(xiàng)目總體專家組組長(zhǎng)歐陽(yáng)明高教授指出,2020年的目標(biāo)可以依靠高鎳三元正極材料與硅碳負(fù)極材料的組合實(shí)現(xiàn),2025年的目標(biāo)可以依靠正極材料由高鎳三元向高容量富鋰錳基材料轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn),但基本到達(dá)極限。而要實(shí)現(xiàn)2030年目標(biāo),固體電解質(zhì)層面的突破是一條必由之路。

 

2 固態(tài)電池領(lǐng)域研發(fā)現(xiàn)狀

 

2.1 固態(tài)電池領(lǐng)域?qū)＠闆r

 

根據(jù)德溫特?cái)?shù)據(jù)庫(kù),1990年至今固態(tài)電池領(lǐng)域已經(jīng)公開的專利數(shù)目達(dá)到1926件,其中全固態(tài)電池領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)目達(dá)到871件,占比約45%。

 

從數(shù)量上來(lái)看,固態(tài)電池領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)目由2007年26件增長(zhǎng)至2017年273件,增長(zhǎng)超過(guò)10倍,同時(shí)全固態(tài)電池專利數(shù)目占比由零提升至近一半,說(shuō)明固態(tài)電池尤其是全固態(tài)電池的研發(fā)越來(lái)越受到各方面的重視。

 

從地域上看,日本目前擁有固態(tài)電池專利916件,占比接近一半,領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)較大。其次美國(guó)和中國(guó)分別擁有398件、362件,身位接近。韓國(guó)擁有100件位居第四。全固態(tài)電池方面,日本擁有專利657件,占比75%,領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)更加明顯。中國(guó)、韓國(guó)分別擁有專利128件、37件;美國(guó)在全固態(tài)電池領(lǐng)域稍弱,僅擁有29件專利。

 

從專利主體來(lái)看,作為全球第一大車企的豐田擁有固態(tài)電池專利252件,數(shù)量遠(yuǎn)超其他車企與電池企業(yè),同時(shí)日本其他消費(fèi)電子及汽車零部件企業(yè)如富士、村田制造所、松下也在固態(tài)電池領(lǐng)域有廣泛布局?？傮w來(lái)看,日本固態(tài)電池的研發(fā)以產(chǎn)業(yè)界為主導(dǎo)。美國(guó)固態(tài)電池專利分布比較分散,而且其持有主體多為Quantumscape(21件)、Sakti3(17件)等初創(chuàng)企業(yè)。中國(guó)固態(tài)電池專利分布也很分散,但與美國(guó)不同的是中國(guó)專利持有主體以科研機(jī)構(gòu)與大學(xué)為主,如中科院青島能源所(13件)、哈工大(13件)等。韓國(guó)雖然總量不及中國(guó),但是專利分布相對(duì)集中,如三星電子(35件)、LG化學(xué)(29件)、現(xiàn)代汽車(25件)。與日本相似,韓國(guó)在固態(tài)電池領(lǐng)域的研發(fā)也是以產(chǎn)業(yè)界為主導(dǎo),且電池企業(yè)與整車企業(yè)均有布局。

 

全固態(tài)電池專利的持有主體情況與固態(tài)電池基本類似,日本、韓國(guó)均以產(chǎn)業(yè)界為主導(dǎo)。中國(guó)全固態(tài)電池研發(fā)仍然以科研機(jī)構(gòu)與高校為主導(dǎo),專利持有數(shù)量排名前五的主體分別為中科院寧波材料所(6件)、青島能源所(6件),及三所高校哈工大、中南大學(xué)、寧波大學(xué)。

 

2.2 國(guó)外企業(yè)布局情況

 

2.2.1 整車與零部件企業(yè)

 

整車企業(yè)在固態(tài)電池領(lǐng)域的布局可以分為內(nèi)部研發(fā)和對(duì)外投資兩類。前者以豐田為代表,后者以寶馬、大眾為代表?？梢钥吹?017年以來(lái)不論是哪種路線,整車企業(yè)的動(dòng)作都有所加快,而造成兩者策略差異的主要原因在于整車企業(yè)前期積累的多少。

 

豐田歷來(lái)在電池技術(shù)上有著深厚的積累。從普銳斯鎳氫電池到Mirai燃料電池,豐田都是業(yè)界最早將新能源技術(shù)應(yīng)用于整車層面的車企。在固態(tài)電池領(lǐng)域,豐田目前憑借三方面戰(zhàn)術(shù)進(jìn)一步鞏固先發(fā)優(yōu)勢(shì):1)內(nèi)部研發(fā)積累大量專利,在新技術(shù)上有絕對(duì)的自主權(quán),同時(shí)豐田表示將在2030年之前投資在相關(guān)電池研發(fā)的資金可能超過(guò)130億美元;2)由日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)牽頭投資100億日元,豐田、本田、日產(chǎn)、松下等23家日本汽車、電池和材料企業(yè),以及京都大學(xué)、日本理化學(xué)研究所等15家學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)將共同參與研究,計(jì)劃到2022年全面掌握全固態(tài)電池相關(guān)技術(shù);3)與松下合作固態(tài)電池研究,從不同層面去研究和解決問(wèn)題,為第四代電芯小規(guī)模量產(chǎn)打基礎(chǔ)。

 

從技術(shù)路線上來(lái)看,豐田主要是基于固態(tài)鋰離子電池,采用石墨類負(fù)極、硫化物電解質(zhì)與高電壓正極的組合,并計(jì)劃于2022年實(shí)現(xiàn)商品化。但是豐田固態(tài)電池目前的主要問(wèn)題在于循環(huán)壽命還較短(小于3年),這也是豐田下一階段的研發(fā)重點(diǎn)。

 

以大眾、寶馬為代表的車企在固態(tài)領(lǐng)域的積累不及豐田,但是近年來(lái)明顯加快了布局的步伐。2017年底寶馬與Solid Power建立合作伙伴關(guān)系共同研發(fā)固態(tài)電池,2018年中大眾向QuantumScape投資1億美元,并計(jì)劃在2025年實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池量產(chǎn)。與此同時(shí),寶馬還投資2億歐元在慕尼黑建立電芯研發(fā)中心,開始涉及電芯級(jí)別的技術(shù)驗(yàn)證和開發(fā)。與豐田主要依靠?jī)?nèi)部研發(fā)不同,對(duì)于大眾、寶馬等德系車企來(lái)說(shuō),投資初創(chuàng)企業(yè)快速獲取固態(tài)電池的相關(guān)專利、同時(shí)通過(guò)內(nèi)部研究加深對(duì)下一代電池技術(shù)的理解,是一條效率更高的道路。

 

不過(guò)也并非所有企業(yè)都在進(jìn)軍固態(tài)電池領(lǐng)域。特斯拉作為電動(dòng)汽車同時(shí)也是動(dòng)力電池的領(lǐng)軍者,目前還沒(méi)有在固態(tài)電池方面擁有一件專利。我們檢索了與特斯拉相關(guān)的專利數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)特斯拉在電池領(lǐng)域總共擁有244件專利,但主要集中在電池系統(tǒng)、電池包和充電領(lǐng)域,而在材料方面專利較少。盡管馬斯克曾表示固態(tài)電池“有一定前景”,但是距離技術(shù)成熟還需要時(shí)間,目前也不足以“改變特斯拉的戰(zhàn)略”。特斯拉的Model 3車型采取了以NCA為正極材料的松下21700圓柱型電池,電芯能量密度可以達(dá)到300Wh/Kg,甚至超過(guò)了部分半固態(tài)鋰離子電池。特斯拉目前的如意算盤仍然是在2020年堅(jiān)持目前的材料體系并通過(guò)Gigafactory的擴(kuò)產(chǎn)來(lái)快速降低電池成本,進(jìn)一步擴(kuò)大在這一代電池技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)。

 

此外,作為全球最大的汽車零部件供應(yīng)商,博世在今年年初宣布放棄對(duì)電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)的投資,并出售了之前收購(gòu)的從事固態(tài)電池研發(fā)的子公司SEEO。博世仍然看好固態(tài)電池的技術(shù)方向,但是對(duì)于重資產(chǎn)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行投資非常謹(jǐn)慎。博世預(yù)計(jì)投資建設(shè)200GWH的動(dòng)力電池產(chǎn)能(20%市場(chǎng)份額)需要200億歐元左右的投資,而制造成本中接近3/4都是材料成本,不利于發(fā)揮競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。因此博世的態(tài)度是“需要了解電池技術(shù),但不必親自制造電池”。