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)屬于有機電解質(zhì),氧化物和硫化物屬于無機陶瓷電解質(zhì)?？傮w來說,聚合物電解質(zhì)技術(shù)最成熟,已經(jīng)率先實現(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、只能應用于消費類電子領域,非薄膜型氧化物電池技術(shù)相對還不夠成熟;硫化物電解質(zhì)理論上最適合于電動汽車領域,但是開發(fā)難度最大。

 

按照正負極材料的不同,固態(tài)電池還可以進一步分為固態(tài)鋰離子電池(沿用當前鋰離子電池材料體系,如石墨+硅碳負極、三元正極等)和固態(tài)鋰金屬電池(以金屬鋰為負極)。由于固態(tài)鋰離子電池與當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

 

近年來,新能源汽車補貼政策經(jīng)歷多次調(diào)整,且將于2020年后完全退出。從政策歷次調(diào)整的導向來看,對高續(xù)航里程、高能量密度技術(shù)路線的支持力度沒有減弱甚至有所加大。補貼政策完全退出后,雙積分制度仍可能通過對不同能量密度、不同續(xù)航里程設置差別化的積分來實現(xiàn)對行業(yè)技術(shù)升級的導向作用。

 

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

 

受工信部、國家制造強國建設戰(zhàn)略咨詢委員會委托,由中國汽車工程學會研究編制的《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到350/400/500瓦時/公斤,系統(tǒng)比能量分別達到250/280/350瓦時/公斤。

 

中科院院士、國家“863”計劃節(jié)能與新能源汽車重大項目總體專家組組長歐陽明高教授指出,2020年的目標可以依靠高鎳三元正極材料與硅碳負極材料的組合實現(xiàn),2025年的目標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)變實現(xiàn),但基本到達極限。而要實現(xiàn)2030年目標,固體電解質(zhì)層面的突破是一條必由之路。

 

2 固態(tài)電池領域研發(fā)現(xiàn)狀

 

2.1 固態(tài)電池領域?qū)＠闆r

 

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

 

從數(shù)量上來看,固態(tài)電池領域?qū)＠麛?shù)目由2007年26件增長至2017年273件,增長超過10倍,同時全固態(tài)電池專利數(shù)目占比由零提升至近一半,說明固態(tài)電池尤其是全固態(tài)電池的研發(fā)越來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,領先優(yōu)勢較大。其次美國和中國分別擁有398件、362件,身位接近。韓國擁有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%,領先優(yōu)勢更加明顯。中國、韓國分別擁有專利128件、37件;美國在全固態(tài)電池領域稍弱,僅擁有29件專利。

 

從專利主體來看,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)量遠超其他車企與電池企業(yè),同時日本其他消費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)電池領域有廣泛布局?？傮w來看,日本固態(tài)電池的研發(fā)以產(chǎn)業(yè)界為主導。美國固態(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)。中國固態(tài)電池專利分布也很分散,但與美國不同的是中國專利持有主體以科研機構(gòu)與大學為主,如中科院青島能源所(13件)、哈工大(13件)等。韓國雖然總量不及中國,但是專利分布相對集中,如三星電子(35件)、LG化學(29件)、現(xiàn)代汽車(25件)。與日本相似,韓國在固態(tài)電池領域的研發(fā)也是以產(chǎn)業(yè)界為主導,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、韓國均以產(chǎn)業(yè)界為主導。中國全固態(tài)電池研發(fā)仍然以科研機構(gòu)與高校為主導,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、寧波大學。

 

2.2 國外企業(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)電池領域的布局可以分為內(nèi)部研發(fā)和對外投資兩類。前者以豐田為代表,后者以寶馬、大眾為代表。可以看到2017年以來不論是哪種路線,整車企業(yè)的動作都有所加快,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)應用于整車層面的車企。在固態(tài)電池領域,豐田目前憑借三方面戰(zhàn)術(shù)進一步鞏固先發(fā)優(yōu)勢:1)內(nèi)部研發(fā)積累大量專利,在新技術(shù)上有絕對的自主權(quán),同時豐田表示將在2030年之前投資在相關(guān)電池研發(fā)的資金可能超過130億美元;2)由日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(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、日本理化學研究所等15家學術(shù)機構(gòu)將共同參與研究,計劃到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題,為第四代電芯小規(guī)模量產(chǎn)打基礎。

 

從技術(shù)路線上來看,豐田主要是基于固態(tài)鋰離子電池,采用石墨類負極、硫化物電解質(zhì)與高電壓正極的組合,并計劃于2022年實現(xiàn)商品化。但是豐田固態(tài)電池目前的主要問題在于循環(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。

 

以大眾、寶馬為代表的車企在固態(tài)領域的積累不及豐田,但是近年來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,并計劃在2025年實現(xiàn)固態(tài)電池量產(chǎn)。與此同時,寶馬還投資2億歐元在慕尼黑建立電芯研發(fā)中心,開始涉及電芯級別的技術(shù)驗證和開發(fā)。與豐田主要依靠內(nèi)部研發(fā)不同,對于大眾、寶馬等德系車企來說,投資初創(chuàng)企業(yè)快速獲取固態(tài)電池的相關(guān)專利、同時通過內(nèi)部研究加深對下一代電池技術(shù)的理解,是一條效率更高的道路。

 

不過也并非所有企業(yè)都在進軍固態(tài)電池領域。特斯拉作為電動汽車同時也是動力電池的領軍者,目前還沒有在固態(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到300Wh/Kg,甚至超過了部分半固態(tài)鋰離子電池。特斯拉目前的如意算盤仍然是在2020年堅持目前的材料體系并通過Gigafactory的擴產(chǎn)來快速降低電池成本,進一步擴大在這一代電池技術(shù)上的優(yōu)勢。

 

此外,作為全球最大的汽車零部件供應商,博世在今年年初宣布放棄對電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)的投資,并出售了之前收購的從事固態(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,但是對于重資產(chǎn)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行投資非常謹慎。博世預計投資建設200GWH的動力電池產(chǎn)能(20%市場份額)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)揮競爭優(yōu)勢。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”。