國外固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展對我國的啟示

劉瑩瑩 車超

伴隨著全球范圍內(nèi)新能源汽車的迅速崛起，具有安全性高、循環(huán)壽命長、能量密度高、工作溫度范圍寬等顯著特點的固態(tài)電池，引發(fā)了市場的高度關(guān)注。日本、美國、德國等眾多研究機構(gòu)、初創(chuàng)公司和部分車企，紛紛布局固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)，從技術(shù)研發(fā)到商業(yè)量產(chǎn)，搶占國際競爭制高點。我國對固態(tài)電池的基礎(chǔ)研究起步較早，但主要以科研機構(gòu)或院校為支撐，產(chǎn)業(yè)化進程較慢。了解全球固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，分析國外固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展特點和戰(zhàn)略，對我國固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)的加速發(fā)展具有重要的借鑒意義。

1 全球固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

固態(tài)電池是一種使用固體正負極和固體電解質(zhì)，不含任何液體，所有材料都由固態(tài)材料組成的電池，主要優(yōu)點有三：一是安全性高，無自燃、爆炸風險；二是能量密度高，有望徹底解決電動汽車里程焦慮；三是循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬、可快速充電。按照電解質(zhì)材料的選取，固態(tài)電池可以分為聚合物、氧化物和硫化物3大體系（表1）。其中，聚合物電解質(zhì)的設(shè)計靈活性強，技術(shù)成熟度最高，在世界范圍內(nèi)率先實現(xiàn)了小規(guī)模量產(chǎn)，但其理論能量密度優(yōu)勢弱于其他2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)用于消費類電子領(lǐng)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(lǐng)域，但是開發(fā)難度最大。綜合來看，固態(tài)電池具備成為下一代動力電池技術(shù)的潛力，但每一類固態(tài)電池體系都有較為棘手的問題需要攻堅，尚未有足夠成熟的市場化產(chǎn)品，產(chǎn)業(yè)化處于早期階段。

1.1.1 研發(fā)現(xiàn)狀

1990—2018年，全球已經(jīng)公開的固態(tài)電池領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)目達到1 926件，且僅在2007—2017年，固態(tài)電池領(lǐng)域年申請專利數(shù)目由26件增加至273件，增長超過10倍，說明固態(tài)電池的研發(fā)越來越受到各方面的重視。

在地域方面，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)勢較大。其次是美國和中國，其中美國擁有398件，略領(lǐng)先于中國。韓國擁有100件位居第4。

在專利主體方面，作為全球第一大車企的豐田公司目前擁有固態(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(lǐng)域有廣泛布局。總體來看，日本固態(tài)電池的研發(fā)以產(chǎn)業(yè)界為主導(dǎo)。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)。韓國專利分布相對集中，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(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。詳見圖1所示。

1.1.2 企業(yè)布局

目前，固態(tài)電池的競爭呈現(xiàn)出全球角力的態(tài)勢，歐、美、日、韓、中國等國家的涉及動力電池、汽車及能源方面的產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)，均已在積極布局和研發(fā)固態(tài)電池。其中，日本以豐田為代表，技術(shù)積累深厚，具有明顯的先發(fā)優(yōu)勢；歐美以大眾、寶馬、博洛雷、Sakit3等為代表，在固態(tài)領(lǐng)域的積累雖不及豐田，但近年來明顯加快了布局的步伐。相比之下，我國企業(yè)固態(tài)電池研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化呈現(xiàn)較為分散的格局，且產(chǎn)業(yè)界（包括整車企業(yè)與電池企業(yè)）在固態(tài)電池領(lǐng)域的積累遠不及豐田等國外競爭對手。各國主流企業(yè)相關(guān)信息見表2。

1.2 發(fā)展趨勢

目前，小部分固態(tài)電池產(chǎn)品雖然實現(xiàn)了商業(yè)化，但整體競爭優(yōu)勢還明顯弱于傳統(tǒng)鋰電產(chǎn)品，然而在全球范圍內(nèi)資本一致看好和龍頭車企多方布局下，固態(tài)電池將進入快速發(fā)展的軌道。

展望未來，固態(tài)電池將遵循階段發(fā)展的路徑，技術(shù)上步步為營，應(yīng)用上梯次滲透。電池的結(jié)構(gòu)將逐漸減少液體的使用，向無液體的全固態(tài)電池邁進；應(yīng)用領(lǐng)域上，有望率先發(fā)揮安全與柔性優(yōu)勢，應(yīng)用于對成本敏感度較小的微電池領(lǐng)域，如射頻識別、植入式醫(yī)療設(shè)備、無線傳感器等；隨著技術(shù)進步，再逐漸向高端消費電子滲透；而等到產(chǎn)品足夠成熟后，最終切入電動車與儲能市場，實現(xiàn)下游需求的全面爆發(fā)。

2 國外固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展特點

2.1 政府引導(dǎo)有力

一是出臺多項政策措施。近年來，美國、德國、日本等國際汽車強國結(jié)合自身優(yōu)勢，相繼出臺了固態(tài)電池鼓勵措施，促進重點技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品應(yīng)用，并從財政補貼、稅收優(yōu)惠、節(jié)能環(huán)保等方面出臺多項電動汽車推廣的政策措施（表3），倒逼固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。二是明確發(fā)展目標和產(chǎn)業(yè)技術(shù)規(guī)劃。美、日、韓和歐盟等國都針對動力電池提出了明確的發(fā)展指標，并制定了詳細的技術(shù)發(fā)展路線，如日本日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）的技術(shù)路線圖指出，計劃在2025年進入全固態(tài)電池階段，且鋰硫電池成為主流，到2035年前后，出現(xiàn)鋰空氣電池等其他電池；美國Battery 500計劃指出，用5年時間、投資額5 000萬美元，打造能量密度500Wh/kg，循環(huán)壽命1 000次的電芯；德國電池研發(fā)資助計劃對象涵蓋上游材料、正極、負極、隔膜、電解質(zhì)、電池制造商、電池包制造和主機廠商，并指出要簡化研究成果向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)電池的“德國制造”。

2.2 多部門協(xié)同創(chuàng)新

目前，許多國家都對固態(tài)電池的研發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展高度重視，不僅在政府層面出臺政策措施強力推動，同時不斷加強各相關(guān)方的工作協(xié)同，鼓勵和支持跨產(chǎn)業(yè)合作。特別是在共性關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)方面，基本都是采用政府支持、社會組織協(xié)調(diào)、產(chǎn)學研共同參與的模式，政府通過研發(fā)計劃、科技計劃等方式給予支持，推動構(gòu)建“企業(yè)+高校+研究機構(gòu)”的產(chǎn)業(yè)組織協(xié)同創(chuàng)新體系。例如：日本新能源和工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織斥資100億日元，聯(lián)合23家企業(yè)和15家大學及研究機構(gòu)，啟動固態(tài)鋰離子電池研究項目以推動其在電動汽車中的應(yīng)用；同時日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省提供16億日元，助力鋰電池材料評價研究中心聯(lián)合豐田、日產(chǎn)、本田等汽車制造商，以及松下、GS湯淺等電池制造商，啟動LIBTEC固態(tài)鋰電池開發(fā)項目，全力提高動力電池續(xù)航里程；英國Ricardo公司與Illika Technologies公司、英國技術(shù)創(chuàng)新中心、本田歐洲研發(fā)中心以及倫敦大學學院合作開展PowerDrive Line項目，研發(fā)用于PHEV以及EV的固態(tài)鋰電池，并建立固態(tài)電池的試驗生產(chǎn)線，為固態(tài)電池材料供應(yīng)鏈開發(fā)流程。

2.3 龍頭企業(yè)引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展

固態(tài)電池的研發(fā)與應(yīng)用是多領(lǐng)域交叉的技術(shù)密集型和資本密集型產(chǎn)業(yè)，中小企業(yè)的入門難度和趕超難度較大，因此行業(yè)內(nèi)部逐漸形成了龍頭企業(yè)引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展的格局。例如：高硫化物固態(tài)電池的開發(fā)主要以豐田、三星、本田為代表，其中以豐田技術(shù)最為領(lǐng)先；薄膜型氧化物固態(tài)電池的開發(fā)以技術(shù)沉淀較深、成熟度較高的美國Sakti3為代表；固態(tài)電池三巨頭之一法國博洛雷公司則聚焦于金屬鋰聚合物電池，并首次實現(xiàn)固態(tài)電池商業(yè)化。

2.4 多模式合作打造產(chǎn)業(yè)鏈共同體

隨著新能源汽車的高速發(fā)展，整車企業(yè)緊靠自身的電池業(yè)務(wù)布局，已經(jīng)不能發(fā)揮優(yōu)勢。整合上下游資源，加強發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)，成為整車企業(yè)掌握動力電池主導(dǎo)權(quán)的重要發(fā)展方向。目前，整車企業(yè)在固態(tài)電池領(lǐng)域的合作布局主要分2類：一是具備開發(fā)基礎(chǔ)的企業(yè)，以豐田為代表，在自身持續(xù)研發(fā)上投入的基礎(chǔ)上，與松下合作開展固態(tài)電池研究，從不同層面研究和解決問題，實現(xiàn)固態(tài)電池小規(guī)模量產(chǎn)；二是對外投資合作的企業(yè)，以大眾和寶馬為代表，借助美國科技初創(chuàng)公司的技術(shù)優(yōu)勢，合作組建固態(tài)電池合資企業(yè)，深層次開發(fā)固態(tài)鋰電池。

3 對我國固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的啟示

3.1 加大政策支持，鼓勵技術(shù)創(chuàng)新

一是加強政策引導(dǎo)。將固態(tài)鋰電池納入國家重點領(lǐng)域、關(guān)鍵行業(yè)的研發(fā)體系中，借助國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃、產(chǎn)學研合作項目、高技術(shù)研究發(fā)展計劃等，加強不同類型的正負極活性材料、高性能電解質(zhì)，以及不同應(yīng)用特點固態(tài)鋰電池的相關(guān)基礎(chǔ)研究創(chuàng)新、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)化培育科學布局。二是加大政府財稅扶持及科研投入力度。加強產(chǎn)業(yè)投資專項基金、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)投資基金等對固態(tài)電池的支持，同時發(fā)揮風險基金等作用，鼓勵社會資本投向固態(tài)電池創(chuàng)新型企業(yè)和技術(shù)創(chuàng)新型項目，進一步鼓勵企業(yè)加大研發(fā)投入，特別是對從事早期技術(shù)研發(fā)的企業(yè)可提供稅收優(yōu)惠政策。

3.2 推廣產(chǎn)學研合作，加速研究成果轉(zhuǎn)化

一是整合國內(nèi)優(yōu)勢科研院所、高校、企業(yè)，組建產(chǎn)業(yè)技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新聯(lián)盟，面向行業(yè)需求，重點突破表面結(jié)構(gòu)優(yōu)化、界面穩(wěn)定機制等機理，聚合物、氧化物、硫化物等高離子電導(dǎo)率電解質(zhì)材料，以及電極與固體電解質(zhì)膜的大面積、高速度制造技術(shù)，推進固態(tài)電池應(yīng)用的集成創(chuàng)新和協(xié)同創(chuàng)新；二是利用我國現(xiàn)有生產(chǎn)應(yīng)用示范平臺，組織開展在電動汽車、智能電網(wǎng)、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的應(yīng)用示范，加快固態(tài)鋰電池科技成果的產(chǎn)業(yè)化和市場化，同時支持重點地區(qū)打造特色固態(tài)鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈，建立大中小企業(yè)密切合作的生態(tài)系統(tǒng)，降低固態(tài)鋰電池創(chuàng)新成本，推進企業(yè)早日實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。

3.3 扶持龍頭企業(yè)，明確優(yōu)先發(fā)展級

針對固態(tài)電池在不同領(lǐng)域的市場需求情況和相關(guān)企業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，排列固態(tài)電池種類以及所涉及產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展優(yōu)先級和相關(guān)企業(yè)的發(fā)展優(yōu)先級。對于高優(yōu)先級產(chǎn)品和企業(yè)，集中優(yōu)勢力量，攻克技術(shù)和市場瓶頸，為其打造良好發(fā)展環(huán)境，加快其發(fā)展速度。對于低優(yōu)先級產(chǎn)品和企業(yè)，維持現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)規(guī)模，積蓄后續(xù)發(fā)展力量，在保守發(fā)展的大基調(diào)中，調(diào)整和改善產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。

3.4 深化國際合作，拓展發(fā)展新模式

一是加強引進固態(tài)電池先進技術(shù)。鼓勵企業(yè)依托我國巨大的市場需求優(yōu)勢，與國際上擁有先進固態(tài)電池技術(shù)的企業(yè)開展多層次合作，加強技術(shù)引進和消化吸收再創(chuàng)新，帶動我國固態(tài)電池自主創(chuàng)新發(fā)展。二是推進固態(tài)電池相關(guān)標準國際化。聯(lián)合產(chǎn)業(yè)鏈上下游不同機構(gòu)、組織，從設(shè)計、生產(chǎn)制造、安全評估、性能測試、關(guān)鍵裝備配置等環(huán)節(jié)入手，開展固態(tài)鋰電池領(lǐng)域相關(guān)標準修訂制工作，同時注重數(shù)據(jù)庫及共享體系建設(shè)，成立關(guān)聯(lián)、公開、透明的標準共享平臺，推進標準國際化，創(chuàng)造全球共享共贏的發(fā)展環(huán)境。