固态电池还具有循环寿命长、工作温度范围宽、可快速充电等优点吗？

按照电解质材料的不同,固态电池可以分为聚合物、氧化物和硫化物三大体系。其中聚合物电解质属于有机电解质,氧化物和硫化物属于无机陶瓷电解质。总体来说,聚合物电解质技术最成熟,已经率先实现小规模量产,但是理论能量密度不及其他两类电解质;氧化物电解质性能优于聚合物电解质,但薄膜型氧化物电池容量较小、只能应用于消费类电子领域,非薄膜型氧化物电池技术相对还不够成熟;硫化物电解质理论上最适合于电动汽车领域,但是开发难度最大。

 

按照正负极材料的不同,固态电池还可以进一步分为固态锂离子电池(沿用当前锂离子电池材料体系,如石墨+硅碳负极、三元正极等)和固态锂金属电池(以金属锂为负极)。由于固态锂离子电池与当前的电池体系最为接近,日韩本身又拥有成熟的锂电产业链,因此目前日韩企业大多采用硫化物+固态锂离子电池的路线。而欧美初创企业则立足于颠覆性的技术,大多采用聚合物/氧化物+固态锂金属电池的路线。

 

1.2 固态电池能够满足2030年新能源汽车技术政策目标

 

近年来,新能源汽车补贴政策经历多次调整,且将于2020年后完全退出。从政策历次调整的导向来看,对高续航里程、高能量密度技术路线的支持力度没有减弱甚至有所加大。补贴政策完全退出后,双积分制度仍可能通过对不同能量密度、不同续航里程设置差别化的积分来实现对行业技术升级的导向作用。

 

此外,当前行业主管部门对动力电池技术提出了非常高的目标。2017年工信部、发改委、科技部联合发布《汽车产业中长期发展规划》,其中“新能源汽车研发与推广应用工程”专栏要求:到2020年,动力电池单体比能量达到300瓦时/公斤以上、力争实现350瓦时/公斤,系统比能量力争达到260瓦时/公斤;到2025年,动力电池系统比能量达到350瓦时/公斤。

 

受工信部、国家制造强国建设战略咨询委员会委托,由中国汽车工程学会研究编制的《节能与新能源汽车技术路线图》则要求:2020/2025/2030年单体比能量分别达到350/400/500瓦时/公斤,系统比能量分别达到250/280/350瓦时/公斤。

 

中科院院士、国家“863”计划节能与新能源汽车重大项目总体专家组组长欧阳明高教授指出,2020年的目标可以依靠高镍三元正极材料与硅碳负极材料的组合实现,2025年的目标可以依靠正极材料由高镍三元向高容量富锂锰基材料转变实现,但基本到达极限。而要实现2030年目标,固体电解质层面的突破是一条必由之路。

 

2 固态电池领域研发现状

 

2.1 固态电池领域专利情况

 

根据德温特数据库,1990年至今固态电池领域已经公开的专利数目达到1926件,其中全固态电池领域专利数目达到871件,占比约45%。

 

从数量上来看,固态电池领域专利数目由2007年26件增长至2017年273件,增长超过10倍,同时全固态电池专利数目占比由零提升至近一半,说明固态电池尤其是全固态电池的研发越来越受到各方面的重视。

 

从地域上看,日本目前拥有固态电池专利916件,占比接近一半,领先优势较大。其次美国和中国分别拥有398件、362件,身位接近。韩国拥有100件位居第四。全固态电池方面,日本拥有专利657件,占比75%,领先优势更加明显。中国、韩国分别拥有专利128件、37件;美国在全固态电池领域稍弱,仅拥有29件专利。

 

从专利主体来看,作为全球第一大车企的丰田拥有固态电池专利252件,数量远超其他车企与电池企业,同时日本其他消费电子及汽车零部件企业如富士、村田制造所、松下也在固态电池领域有广泛布局。总体来看,日本固态电池的研发以产业界为主导。美国固态电池专利分布比较分散,而且其持有主体多为Quantumscape(21件)、Sakti3(17件)等初创企业。中国固态电池专利分布也很分散,但与美国不同的是中国专利持有主体以科研机构与大学为主,如中科院青岛能源所(13件)、哈工大(13件)等。韩国虽然总量不及中国,但是专利分布相对集中,如三星电子(35件)、LG化学(29件)、现代汽车(25件)。与日本相似,韩国在固态电池领域的研发也是以产业界为主导,且电池企业与整车企业均有布局。

 

全固态电池专利的持有主体情况与固态电池基本类似,日本、韩国均以产业界为主导。中国全固态电池研发仍然以科研机构与高校为主导,专利持有数量排名前五的主体分别为中科院宁波材料所(6件)、青岛能源所(6件),及三所高校哈工大、中南大学、宁波大学。

 

2.2 国外企业布局情况

 

2.2.1 整车与零部件企业

 

整车企业在固态电池领域的布局可以分为内部研发和对外投资两类。前者以丰田为代表,后者以宝马、大众为代表。可以看到2017年以来不论是哪种路线,整车企业的动作都有所加快,而造成两者策略差异的主要原因在于整车企业前期积累的多少。

 

丰田历来在电池技术上有着深厚的积累。从普锐斯镍氢电池到Mirai燃料电池,丰田都是业界最早将新能源技术应用于整车层面的车企。在固态电池领域,丰田目前凭借三方面战术进一步巩固先发优势:1)内部研发积累大量专利,在新技术上有绝对的自主权,同时丰田表示将在2030年之前投资在相关电池研发的资金可能超过130亿美元;2)由日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)牵头投资100亿日元,丰田、本田、日产、松下等23家日本汽车、电池和材料企业,以及京都大学、日本理化学研究所等15家学术机构将共同参与研究,计划到2022年全面掌握全固态电池相关技术;3)与松下合作固态电池研究,从不同层面去研究和解决问题,为第四代电芯小规模量产打基础。

 

从技术路线上来看,丰田主要是基于固态锂离子电池,采用石墨类负极、硫化物电解质与高电压正极的组合,并计划于2022年实现商品化。但是丰田固态电池目前的主要问题在于循环寿命还较短(小于3年),这也是丰田下一阶段的研发重点。

 

以大众、宝马为代表的车企在固态领域的积累不及丰田,但是近年来明显加快了布局的步伐。2017年底宝马与Solid Power建立合作伙伴关系共同研发固态电池,2018年中大众向QuantumScape投资1亿美元,并计划在2025年实现固态电池量产。与此同时,宝马还投资2亿欧元在慕尼黑建立电芯研发中心,开始涉及电芯级别的技术验证和开发。与丰田主要依靠内部研发不同,对于大众、宝马等德系车企来说,投资初创企业快速获取固态电池的相关专利、同时通过内部研究加深对下一代电池技术的理解,是一条效率更高的道路。

 

不过也并非所有企业都在进军固态电池领域。特斯拉作为电动汽车同时也是动力电池的领军者,目前还没有在固态电池方面拥有一件专利。我们检索了与特斯拉相关的专利数据,发现特斯拉在电池领域总共拥有244件专利,但主要集中在电池系统、电池包和充电领域,而在材料方面专利较少。尽管马斯克曾表示固态电池“有一定前景”,但是距离技术成熟还需要时间,目前也不足以“改变特斯拉的战略”。特斯拉的Model 3车型采取了以NCA为正极材料的松下21700圆柱型电池,电芯能量密度可以达到300Wh/Kg,甚至超过了部分半固态锂离子电池。特斯拉目前的如意算盘仍然是在2020年坚持目前的材料体系并通过Gigafactory的扩产来快速降低电池成本,进一步扩大在这一代电池技术上的优势。

 

此外,作为全球最大的汽车零部件供应商,博世在今年年初宣布放弃对电池生产环节的投资,并出售了之前收购的从事固态电池研发的子公司SEEO。博世仍然看好固态电池的技术方向,但是对于重资产的生产环节进行投资非常谨慎。博世预计投资建设200GWH的动力电池产能(20%市场份额)需要200亿欧元左右的投资,而制造成本中接近3/4都是材料成本,不利于发挥竞争优势。因此博世的态度是“需要了解电池技术,但不必亲自制造电池”。