虽然我国在动力电池供应方面处于龙头地位，但由于起步较晚，欧美和日韩企业已在固态电池研发上处于领先地位。换言之，国内创业公司在研发固态电池的时候，剑走偏锋地选择了过渡路线，尽管降低了制备难度，加速了产业化进程，但也给自己回归主航道时留下了被国外巨头专利封锁的命门。

 

 

　　日前，被视为明日之星的固态电池，再度引发了产业界高度关注。在各种文案表述中，固态电池的优点让人憧憬，特别是高安全性、高低温性能和高能量密度，大幅改善了液态电池的种种缺陷，意味着汽车电池再也不会自燃，车主再也没有里程焦虑，电池续航也再不受冬季低温影响，令人对其充满憧憬。

　　然而，真相是什么呢？是固态电池的应用发展迟迟落不了地。

　　固态电池的概念提出已超过30年时间，早年火热一阵子后很快趋冷；近几年再度火爆，但提及量产，头部厂商安排的时间表一拖再拖，最后不了了之。不过，今年的情形有点不一样。许多知名厂商号称实现了固态电池量产，装车在即。这究竟是怎么回事？

 

　　固态电池顾名思义，即电解质完全是固态物质的电池。目前，液态锂电池的构成包括正极、负极、电解液、隔膜四大材料。而固态电池的构成只包括正极、负极、电解质三大材料。

　　按照电解质材料体系，固态电池可以划分成3条技术路线。日韩公司押宝硫化物体系，欧洲公司主要走聚合物路线。中国公司以氧化物为主，近几年也有机构开始研究其他两条路线的技术。美国则是同时推进多条路线。

　　但时至今日，这3种技术路线还都存在难以克服的技术缺点。

　　比如，第一条路线“涉毒”。硫化物电解质中的锂离子导电率较高，跟液态电池性能相近，但是硫化物电解质的空气稳定性极差，当其暴露于空气中容易与水汽结合产生有毒气体H2S，同时伴随着电解质结构的破坏和电化学性能的衰减，导致硫化物电解质的合成、储存、运输和后处理过程严重依赖惰性气体或干燥室，大大增加了生产成本。

　　第二条路线“需加热”。当前，聚合物电解质主要指环氧聚乙烯（PEO）及其衍生物。聚合物电解质无毒无害，但是在室温条件下需要加热才能完成充电，由于其不耐氧化且离子电导率较低，只能跟磷酸铁锂正极匹配，降低了能量密度，极大地限制了商业化。法国的Bollore公司曾在2012年把聚合物电池做到城市巴士中。因为聚合物需要加热到60℃才能正常运作，于是Bollore在电池包中加入了特有的加热元器件。因高昂的成本和与液态电池不相上下的能量密度（聚合物电池能量密度在150Wh/kg，当时的磷酸铁锂电池能量密度约为140Wh/kg），Bollore的方案最终没有大规模推广。

　　第三条路线成本偏高。氧化物电解质的表现在介于硫化物和聚合物之间。氧化物电解质属于无机电解质路线，分为两类，一类是薄膜型，主要采用LiPON（锂磷氧氮）这种非晶态氧化物作为电解质材料；另一类是非薄膜型，主要是除了第一类LiPON以外的晶态氧化物电解质，其中，以LLZO（锂镧锆氧）为代表。值得注意的是，第一类薄膜型的电池性能较好，但面对扩充电池容量的难题。单体薄膜电池的容量很小，往往不到mAh级别，在微型电子、消费电子领域勉强够用，可对于Ah级别的电动车领域则需要串并联大量的薄膜电池来增加电池组容量，工艺复杂困难且造价高昂，大大制约了其应用推广。

 

　　固态电池的发展与政策密切相关。2020年11月，国务院办公厅印发的《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》中，明确要求“加快固态动力电池技术研发及产业化”。

　　尽管固态电池受到了空前的关注和高强度的研发，但依然存在着很多技术难题，无法量产。在不断发展各类新材料来克服技术挑战的道路上，国内探索出了一条过渡路线——半固态电池。于是，根据电解质中电解液的含量，固态电池变成了3类：半固态（电解液含量＜10%），准固态（电解液含量＜5%），全固态（不含有电解液）。因此，市场上宣传即将装车的固态电池，实质是半固态电池或准固态；而固态电池则常常被称为全固态电池。

　　在理想状态下，全固态锂电池的能量密度可达700Wh/kg，碾压液态电池。而半固态电池，据厂商宣传文案，目前最高能量密度是360Wh/kg。液态电池佼佼者当属特斯拉电池，据称该电池能量密度高达300Wh/kg。

　　对此，有观点尖锐指出，固态电池既不具备全固态电池的安全性，又面临与液态电池的成本和性能竞争。有专业媒体曾对固态电池的经济性进行过分析，相比于现有的锂电池，固态电池优势不足。

　　一是原材料的成本太高。据国外媒体报道，液态锂电池的成本大约在200-300美元/千瓦时，如果使用现有技术制造足以为智能手机供电的全固态电池，其成本会达到1.5万美元，而足以为汽车供电的固态电池成本更是达到9000万美元。

　　二是固态电池对于生产环境与原材料纯度的要求太高，这导致生产工艺要求极其苛刻，生产成本大幅度提高。现有动力电池对生产车间温度及温度控制有着较高要求，导致企业投资建设生产基地动辄需要上百亿元。这也意味着，企业收回成本的周期将加长。

 

　　过渡路线给产业带来什么影响？查一下相关数据，可以发现一个现象，固态电池尽管国内企业密集布局，但是专利数量却是日美韩三国遥遥领先，这给产业自主性带来了隐忧。

　　据赛迪智库数据显示，1990-2018年，全球已经公开的固态电池领域专利数目达到1926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件位居第四。

　　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。

　　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。

　　还有一组数据。最近，据外媒报道，日经新闻与专利调查公司Patent Result合作，调查了中国、日本、韩国、美国和欧洲等10个国家和地区，以及世界知识产权组织等2个机构提出申请的全固态电池相关专利。据悉，这项研究调查了从2000年到2022年3月底，上述10个国家和地区的全固态电池专利申请情况。其中，丰田汽车拥有1331项已知专利排在第一，松下控股拥有445项专利，排在第二；出光兴产拥有272项专利排在第三。在前10家企业中，6家企业来自日本，4家企业（三星电子、LG化学、现代汽车、LG新能源）来自韩国，日本企业处于领先地位，韩国企业紧随其后。

　　中国动力电池龙头企业近些年也布局和申请了不少固态电池技术专利。但据公开查到的资料，各家公司近几年申请的专利数量大都为个位数，突破100个专利的企业凤毛麟角，远远落后于国际竞争对手。

 

　　据相关媒体报道，中国科学院院士、中国电动汽车百人会副理事长欧阳明高表示，虽然中国目前在汽车动力电池供应上处于绝对龙头地位，但欧美和日韩企业已经在下一代固态电池领域的研发上处于领先地位。欧阳明高称，目前在全固态电池方面，如果从国家角度来讲，肯定是日本最重视，做得最好、规模最大。日本有很大的国家计划，分工也很细，我们现在研发全固态电池还属于各自为政阶段，没有一个完整的国家计划来推动，所以相比之下，日本应该要超前我们5年。

　　中国在全固态电池领域的落后，不是一朝一夕能够改变的。据中国电动汽车百人会预测，2030年，中国固态电池的商业化应用规模将达到1%左右。而日本曾对外表示，2025年日本便可以实现这一目标。

　　当前，全球都在积极探索固态电池的研发。不仅日本汽车行业，欧洲、美国、韩国企业都对抢占固态电池这一新能源汽车未来的制高点寄予厚望。

　　虽然我国在动力电池供应方面处于龙头地位，但由于起步较晚，欧美和日韩企业已在固态电池研发上处于领先地位。换言之，国内创业公司在研发固态电池的时候，剑走偏锋地选择了过渡路线，尽管降低了制备难度，加速了产业化进程，但也给自己回归主航道时留下了被国外巨头专利封锁的命门。

 

　　张孝荣，深度科技研究院院长。

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　　来源：本刊原创文章