為推動電動汽車關鍵共性技術發(fā)展，服務于成員單位技術研發(fā)需求，自成立以來，聯(lián)盟一直持續(xù)開展整車及關鍵零部件前沿、共性技術研究工作，形成了大批研究成果，推動了電動汽車產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新和進步。2023聯(lián)盟共立項共性技術課題22項，為推動課題交流和成果共享，聯(lián)盟將持續(xù)發(fā)布在研課題研究進展和成果，最大化發(fā)揮課題研究價值。

全固態(tài)電池技術路線研判及專利分析

01、研究目的

全固態(tài)電池技術路線研判及專利分析課題由中科固能和國汽（北京）汽車科技研究院有限公司共同申報承擔，課題的主要內(nèi)容包括梳理全球主要國家關于全固態(tài)電池的戰(zhàn)略規(guī)劃、組織模式、技術路線及研發(fā)體系，了解企業(yè)、科研機構(gòu)技術進展情況，產(chǎn)品開發(fā)應用情況，分析相關專利布局，研究對比不同全固態(tài)電池的技術路線及優(yōu)缺點，總結(jié)不同技術路線下的實現(xiàn)難點，提出適用于我國目前研究基礎的未來發(fā)展路線。

02、研究進展與階段性成果

1.全固態(tài)電池定義和特點

圖2 四種主流固態(tài)電解質(zhì)優(yōu)缺點對比

2.全固態(tài)電池的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)

對比液態(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)勢性能潛力（表1）。

表1.全固態(tài)電池主要優(yōu)勢性能和詳細說明

3.全固態(tài)電池市場展望

得益于全固態(tài)電池高能量密度和本質(zhì)安全等優(yōu)勢，其應用前景非常廣闊。除開軍事用途，全固態(tài)電池在航空航天，無人設備，消費電子，裝配制造中具有很高的應用潛力。在汽車領域，可能會優(yōu)先應用于混動車型，后期用于純電車型（圖3）。目前全固態(tài)電池市場蓄勢待發(fā)，據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院預測，2030年國內(nèi)半固態(tài)+全固態(tài)電池出貨量251.1GWh，對應2022—2030年將增長近86倍，預計2030年中國固態(tài)電池市場空間將達200億元。中研普華產(chǎn)業(yè)研究院報告則預測，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)查機構(gòu)SNE research預測，2022年全球固態(tài)電池市場規(guī)模約達到約2750萬美元，2030年將形成400億美元的市場規(guī)模。EVTank預計到2030年全球固態(tài)電池的出貨量將達到614.1GWh，在整體鋰電池中的滲透率預計在10%左右，其市場規(guī)模將超過2500億元。

圖3 全固態(tài)電池優(yōu)先應用場景

（二）全球全固態(tài)電池政策規(guī)劃

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

圖4 世界主要國家和地區(qū)關于固態(tài)電池的政策規(guī)劃

1.中國

中國目前對于全固態(tài)電池技術發(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、中國全固態(tài)電池產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新平臺）和專項支持（2024年5月，由政府相關部委牽頭計劃投入60億元用于固態(tài)電池研發(fā)）三位一體推動全固態(tài)電池技術迅速發(fā)展。

2.日本

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

（三）全球全固態(tài)電池技術進展

1. 文獻計量分析

圖5 各年度\國家全固態(tài)電池領域發(fā)表文獻數(shù)量

根據(jù)圖5，全固態(tài)電池相關的科學研究進展在過去的二十年中大致可以分為三個階段。第一階段，2000 - 2010年，整體年發(fā)文量很低，此時日本開始研究全固態(tài)電池，中國國內(nèi)尚未有研究，此為全固態(tài)電池技術萌芽階段。第二階段，2011 - 2015年，文獻數(shù)量整體穩(wěn)步增長，年發(fā)文量突破百篇表明該領域逐步發(fā)展，中國國內(nèi)相關研究仍然匱乏。第三階段，2015年之后，全固態(tài)電池文獻出現(xiàn)了爆發(fā)式增長， 中國國內(nèi)的相關研究更是呈現(xiàn)井噴式增長，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 位的國家分別為中國、日本、美國、韓國、德國、加拿大、法國、印度、英國和澳大利亞。

圖6 全固態(tài)電池領域文獻關鍵詞強度分析

如圖6所示，通過VOSviewer軟件對文獻關鍵詞進行強度分析。在這張強度分布圖中，顏色越亮，說明該關鍵詞出現(xiàn)的頻次越高。由圖可知，全固態(tài)電池領域關注的重點包括：電解質(zhì)材料，電導率和離子傳輸，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注。

2. 技術專利分析

圖7 全球?qū)＠晟暾埩口厔輬D

基于智慧芽專利平臺，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)電池相關專利申請進入發(fā)展階段。2005年到2015，只有日本在布局相關專利，總量不大。2015年后，世界各國相關專利年申請量逐年猛增，行業(yè)專利布局悄然發(fā)力。近三年的年申請量都超過2000件，說明該領域的專利申請保持高速發(fā)展，行業(yè)研究熱度居高不下。

圖8 專利申請人所在國家年申請量

圖9 專利技術來源國分布（左：已授權(quán)專利量，右：總申請專利量）

結(jié)合技術來源國年申請量趨勢來看，日本在很長時間內(nèi)（2005-2022年）的申請量都遠超世界其他國家和地區(qū)，處于絕對領先地位。中國在2015年后年專利量迅速增長，并在2023年的專利申請量首次超過1000，領先日本（661件）。從技術來源國來看，無論是總?cè)虘B(tài)電池相關技術總申請量還是已授權(quán)專利數(shù)量，全固態(tài)電池專利布局呈現(xiàn)中日獨檔領先的格局，其中日本占總體的一半，中國占總體的1/3。韓國也在積極布局，但由于本身體量小，總申請量接近1000件。美國和歐洲在全固態(tài)電池領域的科研較多，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)電池專利年度申請量

從世界范圍內(nèi)的主要申請機構(gòu)來看，申請量排名前30的機構(gòu)中，日本企業(yè)占據(jù)了17家，中國7家，韓國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。從時間上看，排名前十的日韓公司全固態(tài)電池專利申請集中在18年到22年，2023年的申請量下降很多，說明日韓企業(yè)對于全固態(tài)電池布局已進入穩(wěn)定階段。日韓的專利保護意識較強，幾乎所有的企業(yè)對專利技術進行全球化保護，除在本國申請專利保護之外，還在全球其他主要國家/地區(qū)如中國、美國、韓國及世界知識產(chǎn)權(quán)組織進行專利保護。

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

圖13 中國前10企業(yè)全固態(tài)電池專利年度申請量

從國內(nèi)企業(yè)的布局來看，處于領先地位的寧德時代目前的授權(quán)量有約80項，這得益于寧德時代在全固態(tài)電池領域相對較早的布局。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)電池領域也有布局，比如中科院物理所、哈爾濱工業(yè)大學、中科院寧波材料所、中南大學和清華大學等等。從申請時間來看，大部分中國企業(yè)從2018年開始專利申請爆發(fā)增長，2023年的專利申請量再創(chuàng)新高，總體數(shù)量反超日韓，正處于上升階段。

圖14 技術主題分類排名

圖15 IPC分類排名

從技術主題排名來看，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注部分。

3. 全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化進展

全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化研究在世界各個國家和地區(qū)呈現(xiàn)不同的特征。日韓由于起步較早，研究基礎扎實，目前其小型全固態(tài)電池已經(jīng)開始示范性應用。在中國，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，全固態(tài)電池研發(fā)以創(chuàng)業(yè)公司為主，技術路線多樣化。

圖16 中國全固態(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)開始示范性應用

圖18 美國——創(chuàng)業(yè)公司為主、技術路線多樣

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)公認的可行路線。從電極體系來看，目前的軟包級全固態(tài)電池正級普遍基于高容量三元材料，負極以硅和硅碳為主，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)認為一兩年內(nèi)還達不到量產(chǎn)條件，尤其是國內(nèi)的企業(yè)都認為在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)相對更加保守，他們普遍認為在2028年到2030年才能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。

項目下一階段將進一步梳理不同路線下全固態(tài)電池技術發(fā)展的關鍵問題和解決方案，探索全固態(tài)電池技術可行的迭代路徑。對中國全固態(tài)電池行業(yè)發(fā)展進行SWOT分析，提出適用于我國目前研究基礎的未來發(fā)展路線。