固態(tài)電池之爭(zhēng)：豐田專利數(shù)排第一，中企沒進(jìn)前十
固態(tài)電池之爭(zhēng)：豐田專利數(shù)排第一，中企沒進(jìn)前十
日前，日經(jīng)新聞援引從事專利調(diào)查和分析的調(diào)查機(jī)構(gòu)Patent Result的數(shù)據(jù)顯示，日本企業(yè)在全固態(tài)電池的專利數(shù)上處于領(lǐng)先地位。專利數(shù)前五的企業(yè)分別為豐田、松下控股（HD）、出光興產(chǎn)、三星電子、村田制作所，除了三星電子，其余4家均為日本企業(yè)。其中，豐田專利數(shù)居第一，專利數(shù)達(dá)1331件，是第二名的三倍。
Patent Result統(tǒng)計(jì)專利數(shù)排名
值得注意的是，全固態(tài)電池專利數(shù)前十名中，日本企業(yè)6家、韓國(guó)企業(yè)4家，沒有一家中國(guó)企業(yè)上榜。
作為鋰電池的升級(jí)版，固態(tài)電池在能量密度、充電速率、安全性、循環(huán)壽命以及電芯熱管理上都優(yōu)于液態(tài)鋰電池，被看作是下一代電池技術(shù)。電動(dòng)新能源汽車市場(chǎng)遲到的日系車企加速布局固態(tài)電池，國(guó)內(nèi)廠商又該如何應(yīng)對(duì)？
鋰電池的“升級(jí)版”，日韓專利數(shù)占優(yōu)
電池充放電本質(zhì)上，是鋰離子通過電解質(zhì)在正極和負(fù)極中遷移的過程。由于液態(tài)電解液在低溫環(huán)境下黏度變大，充放電容量出現(xiàn)下降，導(dǎo)致續(xù)航里程縮水。其不穩(wěn)定的特性也埋下電池自燃的隱患。
而固態(tài)電解液不僅規(guī)避上述問題，還提升了電池的能量密度、循環(huán)壽命以及充電速率，降低對(duì)電芯熱管理的需求。以寧德時(shí)代此前發(fā)布的第三代CTP電池模組“麒麟電池”為例，其空間利用率達(dá)到72%，能量密度可達(dá)255Wh/kg，續(xù)航里程達(dá)到1000公里，而固態(tài)電池能力密度能實(shí)現(xiàn)300Wh/kg，甚至達(dá)到500Wh/kg。
固態(tài)電池中的“固態(tài)”指的就是電解質(zhì)的形態(tài)。按照電解液的占比，可分為半固態(tài)電池（電解液含量低于10%）、固態(tài)電池（電解液含量低于5%）以及全固態(tài)電池（不含有任何液態(tài)電解質(zhì)）。
固態(tài)電解質(zhì)又分為三條技術(shù)路線，聚合物電解質(zhì)、氧化物電解質(zhì)、硫化物電解質(zhì)，三者離子電導(dǎo)率呈遞增關(guān)系。離子電導(dǎo)率高，意味著電阻更低，鋰離子遷移數(shù)更快，更易實(shí)現(xiàn)快速充電，但三者的開發(fā)難度也是遞進(jìn)關(guān)系。
中南大學(xué)先進(jìn)電池材料教育研究中心教授張永柱介紹稱，聚合物電解質(zhì)成本可控，兼容現(xiàn)階段的工藝水平，但室溫電導(dǎo)率相對(duì)較低。氧化物電解質(zhì)具備良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，機(jī)械強(qiáng)度高（避免內(nèi)部應(yīng)力導(dǎo)致電池性能下降），但通常表現(xiàn)出較高的晶界阻抗，對(duì)鋰金屬浸潤(rùn)性較差。而硫化物電解質(zhì)的優(yōu)勢(shì)是晶界阻抗低，易于冷壓成型，但部分材料成本較高，同時(shí)存在和氧化物正極材料的副反應(yīng)。
張永柱認(rèn)為，理論上硫化物最適用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域，但開發(fā)難度最大。
歐洲和中國(guó)傾向選擇開發(fā)難度相對(duì)較低、更易實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的聚合物電解質(zhì)以及氧化物電解質(zhì)，而日韓開局就選擇“地獄難度”——硫化物電解質(zhì)。
Patent Result統(tǒng)計(jì)顯示，2000年截至2022年3月底公開的專利數(shù)，豐田專利數(shù)達(dá)到1331件、松下控股445件、出光興產(chǎn)272件，三家廠商均為日本企業(yè)。
資料顯示，豐田1990年便著手固態(tài)電池的研究，從電池自身的結(jié)構(gòu)到材料、制造工序，豐田擁有廣泛領(lǐng)域的專利。2020年，豐田成為全球售價(jià)推出全固態(tài)電池試制車的整車廠。光興產(chǎn)專利主要集中在金屬類材料等方面。
與此同時(shí)，三星電子和LG化學(xué)則在加速追趕日本廠商。日經(jīng)新聞報(bào)道稱，在2016年以后，三星電子和LG化學(xué)等廠商大幅增加專利數(shù)，其專利數(shù)增長(zhǎng)速度超過2倍。韓國(guó)企業(yè)大量擁有延長(zhǎng)電池壽命等關(guān)系到實(shí)用階段性能的專利。
商用化進(jìn)程難，國(guó)內(nèi)廠商折中
除了電解質(zhì)的選擇，各國(guó)在是否直接挑戰(zhàn)全固態(tài)電池上也存在差異，其中日系廠商押寶全固態(tài)電池，中國(guó)廠商更多瞄準(zhǔn)半固態(tài)電池市場(chǎng)。
按照豐田的規(guī)劃，未來9年，豐田將投資8萬億日元用于新能源汽車（純電、混動(dòng)、氫能源）的研發(fā)。在2025年前，豐田要實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池小規(guī)模量產(chǎn)，首先搭載在混動(dòng)車型上；到2030年前，豐田的全固態(tài)電池要實(shí)現(xiàn)持續(xù)、穩(wěn)定生產(chǎn)。
今年4月，本田表示“未來10年，我們將投入約8萬億日元研發(fā)經(jīng)費(fèi)，并在電動(dòng)化和軟件領(lǐng)域共計(jì)投入約5萬億日元，加快電動(dòng)化進(jìn)程”，并稱全固態(tài)電池是未來電池技術(shù)路線之一，計(jì)劃投資430億日元，用于建設(shè)全固態(tài)示范生產(chǎn)線，該產(chǎn)線預(yù)計(jì)2024年春季動(dòng)工。
同年4月，日產(chǎn)固態(tài)電池開發(fā)負(fù)責(zé)人Kazuhiro Doi在全固態(tài)電池技術(shù)說明會(huì)表示，固態(tài)電池能量密度是目前液態(tài)鋰離子電池的兩倍，日產(chǎn)將克服導(dǎo)致全固態(tài)電池商業(yè)化難以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素，計(jì)劃在未來6年內(nèi)，推出重量更輕、體積更小、能量密度更高的固態(tài)電池。
早在去年11月29日，日產(chǎn)就在“日產(chǎn)汽車2030愿景”上表示，公司計(jì)劃在2024年在橫濱建設(shè)固態(tài)電池試點(diǎn)工廠，將電池充電時(shí)間減少到三分之一，在2028年推出搭載全固態(tài)電池的電動(dòng)車型。
可以看出，日系“三巨頭”押寶全固態(tài)電池領(lǐng)域，但硫化物電解質(zhì)工藝復(fù)雜、穩(wěn)定性差，短期內(nèi)降低制造成本難度較大。
國(guó)內(nèi)廠商固態(tài)電池領(lǐng)域布局
有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，目前，全固態(tài)電池的優(yōu)勢(shì)并未被完全驗(yàn)證，其產(chǎn)業(yè)前景可能類似氫燃料電池，在特定場(chǎng)景中應(yīng)用，大規(guī)模取代液態(tài)動(dòng)力電池可能性很小。
中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)副理事長(zhǎng)歐陽(yáng)明高同樣認(rèn)為，固態(tài)電池真正投入大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用大概的時(shí)間是在2025~2030年之間。
在全固態(tài)技術(shù)未成熟之前，國(guó)內(nèi)廠商選擇折中方案，推行半固態(tài)電池。日前，贛鋒鋰業(yè)在互動(dòng)平臺(tái)表示，公司第一代固態(tài)電池在東風(fēng)E70上實(shí)測(cè)續(xù)航超過400公里。
今年5月，國(guó)軒高科在安徽合肥舉行第十一屆科技大會(huì)上發(fā)布一款360Wh/kg三元半固態(tài)電池，預(yù)計(jì)年內(nèi)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。國(guó)軒高科表示，除了360Wh/kg能量密度的半固態(tài)電池，400Wh/kg能量密度電池目前在公司實(shí)驗(yàn)室已有原型樣品。
寧德時(shí)代方面告訴觀察者網(wǎng)，公司關(guān)于固態(tài)電池領(lǐng)域的相關(guān)布局暫時(shí)無法透露。
今年3月電池百人會(huì)上，歐陽(yáng)明高對(duì)國(guó)內(nèi)固態(tài)電池市場(chǎng)就有過預(yù)估，以產(chǎn)業(yè)化為衡量標(biāo)準(zhǔn)，2025年能量密度達(dá)到350Wh/kg，固液混合電解質(zhì)的半固態(tài)電池出現(xiàn)；2030年能量密度達(dá)到400Wh/kg，液態(tài)電解質(zhì)更少的準(zhǔn)固態(tài)電池量產(chǎn)，真正的全固態(tài)產(chǎn)品預(yù)計(jì)不超過1%；2035年能量密度目標(biāo)是500Wh/kg，全固態(tài)電池實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
在固態(tài)電池領(lǐng)域，日韓憑借先發(fā)優(yōu)勢(shì)，在專利儲(chǔ)備優(yōu)于國(guó)內(nèi)廠商。市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，國(guó)內(nèi)廠商下半場(chǎng)能否實(shí)現(xiàn)趕超？
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