国外固态电池产业发展对我国的启示

刘莹莹 车超

伴随着全球范围内新能源汽车的迅速崛起，具有安全性高、循环寿命长、能量密度高、工作温度范围宽等显著特点的固态电池，引发了市场的高度关注。日本、美国、德国等众多研究机构、初创公司和部分车企，纷纷布局固態电池产业，从技术研发到商业量产，抢占国际竞争制高点。我国对固态电池的基础研究起步较早，但主要以科研机构或院校为支撑，产业化进程较慢。了解全球固态电池产业的发展现状和趋势，分析国外固态电池产业发展特点和战略，对我国固态电池产业的加速发展具有重要的借鉴意义。

1 全球固态电池产业发展现状及趋势

1.1 发展现状

固态电池是一种使用固体正负极和固体电解质，不含任何液体，所有材料都由固态材料组成的电池，主要优点有三：一是安全性高，无自燃、爆炸风险；二是能量密度高，有望彻底解决电动汽车里程焦虑；三是循环寿命长、工作温度范围宽、可快速充电。按照电解质材料的选取，固态电池可以分为聚合物、氧化物和硫化物3大体系（表1）。其中，聚合物电解质的设计灵活性强，技术成熟度最高，在世界范围内率先实现了小规模量产，但其理论能量密度优势弱于其他2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。综合来看，固态电池具备成为下一代动力电池技术的潜力，但每一类固态电池体系都有较为棘手的问题需要攻坚，尚未有足够成熟的市场化产品，产业化处于早期阶段。

1.1.1 研发现状

1990—2018年，全球已经公开的固态电池领域专利数目达到1 926件，且仅在2007—2017年，固态电池领域年申请专利数目由26件增加至273件，增长超过10倍，说明固态电池的研发越来越受到各方面的重视。

在地域方面，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。其次是美国和中国，其中美国拥有398件，略领先于中国。韩国拥有100件位居第4。

在专利主体方面，作为全球第一大车企的丰田公司目前拥有固态电池专利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。韩国专利分布相对集中，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。详见图1所示。

1.1.2 企业布局

目前，固态电池的竞争呈现出全球角力的态势，欧、美、日、韩、中国等国家的涉及动力电池、汽车及能源方面的产业链上下游企业，均已在积极布局和研发固态电池。其中，日本以丰田为代表，技术积累深厚，具有明显的先发优势；欧美以大众、宝马、博洛雷、Sakit3等为代表，在固态领域的积累虽不及丰田，但近年来明显加快了布局的步伐。相比之下，我国企业固态电池研发和产业化呈现较为分散的格局，且产业界（包括整车企业与电池企业）在固态电池领域的积累远不及丰田等国外竞争对手。各国主流企业相关信息见表2。

1.2 发展趋势

目前，小部分固态电池产品虽然实现了商业化，但整体竞争优势还明显弱于传统锂电产品，然而在全球范围内资本一致看好和龙头车企多方布局下，固态电池将进入快速发展的轨道。

展望未来，固态电池将遵循阶段发展的路径，技术上步步为营，应用上梯次渗透。电池的结构将逐渐减少液体的使用，向无液体的全固态电池迈进；应用领域上，有望率先发挥安全与柔性优势，应用于对成本敏感度较小的微电池领域，如射频识别、植入式医疗设备、无线传感器等；随着技术进步，再逐渐向高端消费电子渗透；而等到产品足够成熟后，最终切入电动车与储能市场，实现下游需求的全面爆发。

2 国外固态电池产业的发展特点

2.1 政府引导有力

一是出台多项政策措施。近年来，美国、德国、日本等国际汽车强国结合自身优势，相继出台了固态电池鼓励措施，促进重点技术研发和产品应用，并从财政补贴、税收优惠、节能环保等方面出台多项电动汽车推广的政策措施（表3），倒逼固态电池产业快速发展。二是明确发展目标和产业技术规划。美、日、韩和欧盟等国都针对动力电池提出了明确的发展指标，并制定了详细的技术发展路线，如日本日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的技术路线图指出，计划在2025年进入全固态电池阶段，且锂硫电池成为主流，到2035年前后，出现锂空气电池等其他电池；美国Battery 500计划指出，用5年时间、投资额5 000万美元，打造能量密度500Wh/kg，循环寿命1 000次的电芯；德国电池研发资助计划对象涵盖上游材料、正极、负极、隔膜、电解质、电池制造商、电池包制造和主机厂商，并指出要简化研究成果向产业应用转化，实现电池的“德国制造”。

2.2 多部门协同创新

目前，许多国家都对固态电池的研发及其产业化发展高度重视，不仅在政府层面出台政策措施强力推动，同时不断加强各相关方的工作协同，鼓励和支持跨产业合作。特别是在共性关键技术攻关方面，基本都是采用政府支持、社会组织协调、产学研共同参与的模式，政府通过研发计划、科技计划等方式给予支持，推动构建“企业+高校+研究机构”的产业组织协同创新体系。例如：日本新能源和工业技术发展组织斥资100亿日元，联合23家企业和15家大学及研究机构，启动固态锂离子电池研究项目以推动其在电动汽车中的应用；同时日本经济产业省提供16亿日元，助力锂电池材料评价研究中心联合丰田、日产、本田等汽车制造商，以及松下、GS汤浅等电池制造商，启动LIBTEC固态锂电池开发项目，全力提高动力电池续航里程；英国Ricardo公司与Illika Technologies公司、英国技术创新中心、本田欧洲研发中心以及伦敦大学学院合作开展PowerDrive Line项目，研发用于PHEV以及EV的固态锂电池，并建立固态电池的试验生产线，为固态电池材料供应链开发流程。

2.3 龙头企业引领行业发展

固态电池的研发与应用是多领域交叉的技术密集型和资本密集型产业，中小企業的入门难度和赶超难度较大，因此行业内部逐渐形成了龙头企业引领行业发展的格局。例如：高硫化物固态电池的开发主要以丰田、三星、本田为代表，其中以丰田技术最为领先；薄膜型氧化物固态电池的开发以技术沉淀较深、成熟度较高的美国Sakti3为代表；固态电池三巨头之一法国博洛雷公司则聚焦于金属锂聚合物电池，并首次实现固态电池商业化。

2.4 多模式合作打造产业链共同体

随着新能源汽车的高速发展，整车企业紧靠自身的电池业务布局，已经不能发挥优势。整合上下游资源，加强发挥协同效应，成为整车企业掌握动力电池主导权的重要发展方向。目前，整车企业在固态电池领域的合作布局主要分2类：一是具备开发基础的企业，以丰田为代表，在自身持续研发上投入的基础上，与松下合作开展固态电池研究，从不同层面研究和解决问题，实现固态电池小规模量产；二是对外投资合作的企业，以大众和宝马为代表，借助美国科技初创公司的技术优势，合作组建固态电池合资企业，深层次开发固态锂电池。

3 对我国固态电池产业发展的启示

3.1 加大政策支持，鼓励技术创新

一是加强政策引导。将固态锂电池纳入国家重点领域、关键行业的研发体系中，借助国家重点基础研究发展计划、产学研合作项目、高技术研究发展计划等，加强不同类型的正负极活性材料、高性能电解质，以及不同应用特点固态锂电池的相关基础研究创新、关键技术攻关和产业化培育科学布局。二是加大政府财税扶持及科研投入力度。加强产业投资专项基金、创新创业投资基金等对固态电池的支持，同时发挥风险基金等作用，鼓励社会资本投向固态电池创新型企业和技术创新型项目，进一步鼓励企业加大研发投入，特别是对从事早期技术研发的企业可提供税收优惠政策。

3.2 推广产学研合作，加速研究成果转化

一是整合国内优势科研院所、高校、企业，组建产业技术应用创新联盟，面向行业需求，重点突破表面结构优化、界面稳定机制等机理，聚合物、氧化物、硫化物等高离子电导率电解质材料，以及电极与固体电解质膜的大面积、高速度制造技术，推进固态电池应用的集成创新和协同创新；二是利用我国现有生产应用示范平台，组织开展在电动汽车、智能电网、电子产品等领域的应用示范，加快固态锂电池科技成果的产业化和市场化，同时支持重点地区打造特色固态锂电池产业链，建立大中小企业密切合作的生态系统，降低固态锂电池创新成本，推进企业早日实现规模化生产。

3.3 扶持龙头企业，明确优先发展级

针对固态电池在不同领域的市场需求情况和相关企业发展现状，排列固态电池种类以及所涉及产业链的发展优先级和相关企业的发展优先级。对于高优先级产品和企业，集中优势力量，攻克技术和市场瓶颈，为其打造良好发展环境，加快其发展速度。对于低优先级产品和企业，维持现有产业规模，积蓄后续发展力量，在保守发展的大基调中，调整和改善产业结构。

3.4 深化国际合作，拓展发展新模式

一是加强引进固态电池先进技术。鼓励企业依托我国巨大的市场需求优势，与国际上拥有先进固态电池技术的企业开展多层次合作，加强技术引进和消化吸收再创新，带动我国固态电池自主创新发展。二是推进固态电池相关标准国际化。联合产业链上下游不同机构、组织，从设计、生产制造、安全评估、性能测试、关键装备配置等环节入手，开展固态锂电池领域相关标准修订制工作，同时注重数据库及共享体系建设，成立关联、公开、透明的标准共享平台，推进标准国际化，创造全球共享共赢的发展环境。