固态电池之争:丰田专利数排第一,中企没有进前十

来源:观察者网

2022-07-11 18:34

日前,日经新闻援引从事专利调查和分析的调查机构Patent Result的数据显示,日本企业在全固态电池的专利数上处于领先地位。专利数前五的企业分别为丰田、松下控股(HD)、出光兴产、三星电子、村田制作所,除了三星电子,其余4家均为日本企业。其中,丰田专利数居第一,专利数达1331件,是第二名的三倍。

Patent Result统计专利数排名

值得注意的是,全固态电池专利数前十名中,日本企业6家、韩国企业4家,没有一家中国企业上榜。

作为锂电池的升级版,固态电池在能量密度、充电速率、安全性、循环寿命以及电芯热管理上都优于液态锂电池,被看作是下一代电池技术。电动新能源汽车市场迟到的日系车企加速布局固态电池,国内厂商又该如何应对?

锂电池的“升级版”,日韩专利数占优

电池充放电本质上,是锂离子通过电解质在正极和负极中迁移的过程。由于液态电解液在低温环境下黏度变大,充放电容量出现下降,导致续航里程缩水。其不稳定的特性也埋下电池自燃的隐患。

而固态电解液不仅规避上述问题,还提升了电池的能量密度、循环寿命以及充电速率,降低对电芯热管理的需求。以宁德时代此前发布的第三代CTP电池模组“麒麟电池”为例,其空间利用率达到72%,能量密度可达255Wh/kg,续航里程达到1000公里,而固态电池能力密度能实现300Wh/kg,甚至达到500Wh/kg。

固态电池中的“固态”指的就是电解质的形态。按照电解液的占比,可分为半固态电池(电解液含量低于10%)、固态电池(电解液含量低于5%)以及全固态电池(不含有任何液态电解质)。

固态电解质又分为三条技术路线,聚合物电解质、氧化物电解质、硫化物电解质,三者离子电导率呈递增关系。离子电导率高,意味着电阻更低,锂离子迁移数更快,更易实现快速充电,但三者的开发难度也是递进关系。

中南大学先进电池材料教育研究中心教授张永柱介绍称,聚合物电解质成本可控,兼容现阶段的工艺水平,但室温电导率相对较低。氧化物电解质具备良好的化学和热稳定性,机械强度高(避免内部应力导致电池性能下降),但通常表现出较高的晶界阻抗,对锂金属浸润性较差。而硫化物电解质的优势是晶界阻抗低,易于冷压成型,但部分材料成本较高,同时存在和氧化物正极材料的副反应。

张永柱认为,理论上硫化物最适用于电动汽车领域,但开发难度最大。

欧洲和中国倾向选择开发难度相对较低、更易实现商业化的聚合物电解质以及氧化物电解质,而日韩开局就选择“地狱难度”——硫化物电解质。

Patent Result统计显示,2000年截至2022年3月底公开的专利数,丰田专利数达到1331件、松下控股445件、出光兴产272件,三家厂商均为日本企业。

资料显示,丰田1990年便着手固态电池的研究,从电池自身的结构到材料、制造工序,丰田拥有广泛领域的专利。2020年,丰田成为全球售价推出全固态电池试制车的整车厂。光兴产专利主要集中在金属类材料等方面。

与此同时,三星电子和LG化学则在加速追赶日本厂商。日经新闻报道称,在2016年以后,三星电子和LG化学等厂商大幅增加专利数,其专利数增长速度超过2倍。韩国企业大量拥有延长电池寿命等关系到实用阶段性能的专利。

商用化进程难,国内厂商折中

除了电解质的选择,各国在是否直接挑战全固态电池上也存在差异,其中日系厂商押宝全固态电池,中国厂商更多瞄准半固态电池市场。

按照丰田的规划,未来9年,丰田将投资8万亿日元用于新能源汽车(纯电、混动、氢能源)的研发。在2025年前,丰田要实现全固态电池小规模量产,首先搭载在混动车型上;到2030年前,丰田的全固态电池要实现持续、稳定生产。

今年4月,本田表示“未来10年,我们将投入约8万亿日元研发经费,并在电动化和软件领域共计投入约5万亿日元,加快电动化进程”,并称全固态电池是未来电池技术路线之一,计划投资430亿日元,用于建设全固态示范生产线,该产线预计2024年春季动工。

同年4月,日产固态电池开发负责人Kazuhiro Doi在全固态电池技术说明会表示,固态电池能量密度是目前液态锂离子电池的两倍,日产将克服导致全固态电池商业化难以实现的关键因素,计划在未来6年内,推出重量更轻、体积更小、能量密度更高的固态电池。

早在去年11月29日,日产就在“日产汽车2030愿景”上表示,公司计划在2024年在横滨建设固态电池试点工厂,将电池充电时间减少到三分之一,在2028年推出搭载全固态电池的电动车型。

可以看出,日系“三巨头”押宝全固态电池领域,但硫化物电解质工艺复杂、稳定性差,短期内降低制造成本难度较大。

国内厂商固态电池领域布局

有业内人士认为,目前,全固态电池的优势并未被完全验证,其产业前景可能类似氢燃料电池,在特定场景中应用,大规模取代液态动力电池可能性很小。

中国科学院院士、中国电动汽车百人会副理事长欧阳明高同样认为,固态电池真正投入大规模商业应用大概的时间是在2025~2030年之间。

在全固态技术未成熟之前,国内厂商选择折中方案,推行半固态电池。日前,赣锋锂业在互动平台表示,公司第一代固态电池在东风E70上实测续航超过400公里。

今年5月,国轩高科在安徽合肥举行第十一届科技大会上发布一款360Wh/kg三元半固态电池,预计年内实现量产。国轩高科表示,除了360Wh/kg能量密度的半固态电池,400Wh/kg能量密度电池目前在公司实验室已有原型样品。

今年3月电池百人会上,欧阳明高对国内固态电池市场就有过预估,以产业化为衡量标准,2025年能量密度达到350Wh/kg,固液混合电解质的半固态电池出现;2030年能量密度达到400Wh/kg,液态电解质更少的准固态电池量产,真正的全固态产品预计不超过1%;2035年能量密度目标是500Wh/kg,全固态电池实现产业化。

在固态电池领域,日韩凭借先发优势,在专利储备优于国内厂商。市场驱动下,国内厂商下半场能否实现赶超?

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责任编辑:李科龙
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