為推動電動汽車關鍵共性技術發展，服務于成員單位技術研發需求，自成立以來，聯盟一直持續開展整車及關鍵零部件前沿、共性技術研究工作，形成了大批研究成果，推動了電動汽車產業技術創新和進步。2023聯盟共立項共性技術課題22項，為推動課題交流和成果共享，聯盟將持續發布在研課題研究進展和成果，最大化發揮課題研究價值。
全固態電池技術路線研判及專利分析課題由中科固能和國汽（北京）汽車科技研究院有限公司共同申報承擔，課題的主要內容包括梳理全球主要國家關于全固態電池的戰略規劃、組織模式、技術路線及研發體系，了解企業、科研機構技術進展情況，產品開發應用情況，分析相關專利布局，研究對比不同全固態電池的技術路線及優缺點，總結不同技術路線下的實現難點，提出適用于我國目前研究基礎的未來發展路線。
根據電解質液含量的不同，鋰離子電池可以分為液態（10-25wt%）、半固態（5-10wt%）、準固態（0-5wt%）和全固態（0wt%）四大類。全固態電池是一種使用固態電極和固態電解質的電池，內部液態電解液含量為零，兩者的典型結構對比如圖1所示。
全固態電池的核心關鍵在于固態電解質材料，目前主流的固態電解質材料一共有四類，分別是聚合物固態電解質、氧化物固態電解質、硫化物固態電解質和鹵化物固態電解質材料，這四種材料的特點如圖2所示。
對比液態鋰離子電池，全固態鋰電池主要具有高安全性、高能量密度、高功率性能、寬工作溫度以及材料選型范圍廣五大優勢性能潛力（表1）。
表1.全固態電池主要優勢性能和詳細說明
3.全固態電池市場展望
得益于全固態電池高能量密度和本質安全等優勢，其應用前景非常廣闊。除開軍事用途，全固態電池在航空航天，無人設備，消費電子，裝配制造中具有很高的應用潛力。在汽車領域，可能會優先應用于混動車型，后期用于純電車型（圖3）。目前全固態電池市場蓄勢待發，據中商產業研究院預測，2030年國內半固態+全固態電池出貨量251.1GWh，對應2022—2030年將增長近86倍，預計2030年中國固態電池市場空間將達200億元。中研普華產業研究院報告則預測，2030年全球半固態+全固態電池出貨量將超500GWh。據全球調查機構SNE research預測，2022年全球固態電池市場規模約達到約2750萬美元，2030年將形成400億美元的市場規模。EVTank預計到2030年全球固態電池的出貨量將達到614.1GWh，在整體鋰電池中的滲透率預計在10%左右，其市場規模將超過2500億元。
圖3 全固態電池優先應用場景
課題組將證書體系應用于即插即充業務中，通過數據證書完成車樁通信的身份認證，數據加解密和業務數字簽名等功能，并結合應用場景、協議以及問題，形成了至少4種場景模式。
中國目前對于全固態電池技術發展非常支持，通過政策方針（《新能源汽車產業發展規劃(2021—2035年)》、《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》）、行業組織（固態電池產業創新聯合體、中國全固態電池產學研協同創新平臺）和專項支持（2024年5月，由政府相關部委牽頭計劃投入60億元用于固態電池研發）三位一體推動全固態電池技術迅速發展。
在2010年代早期，日本就開始舉全國之力發展全固態鋰電池，由日本新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)牽頭。日本對全固態電池的發展支持總體呈現兩大特點：一是組織模式創新，多個單位合作成立產學研協同創新聯盟；二是持續的有計劃的巨額資金支持。
根據圖5，全固態電池相關的科學研究進展在過去的二十年中大致可以分為三個階段。第一階段，2000 - 2010年，整體年發文量很低，此時日本開始研究全固態電池，中國國內尚未有研究，此為全固態電池技術萌芽階段。第二階段，2011 - 2015年，文獻數量整體穩步增長，年發文量突破百篇表明該領域逐步發展，中國國內相關研究仍然匱乏。第三階段，2015年之后，全固態電池文獻出現了爆發式增長， 中國國內的相關研究更是呈現井噴式增長，從2015年整年僅21篇到2023年一年562篇，翻了25倍。目前論文發表量前 10 位的國家分別為中國、日本、美國、韓國、德國、加拿大、法國、印度、英國和澳大利亞。
如圖6所示，通過VOSviewer軟件對文獻關鍵詞進行強度分析。在這張強度分布圖中，顏色越亮，說明該關鍵詞出現的頻次越高。由圖可知，全固態電池領域關注的重點包括：電解質材料，電導率和離子傳輸，穩定性和界面，以及性能表現。固態電解質材料作為全固態電池最核心的組成部分最受關注。
2. 技術專利分析
基于智慧芽專利平臺，檢索到12599篇涉及全固態電池和固態電解質材料主題的相關專利。其中已授權專利6161篇，在審專利5819篇，PCT指定期內專利617篇。如圖7所示，2005年以后，在全球范圍內，全固態電池相關專利申請進入發展階段。2005年到2015，只有日本在布局相關專利，總量不大。2015年后，世界各國相關專利年申請量逐年猛增，行業專利布局悄然發力。近三年的年申請量都超過2000件，說明該領域的專利申請保持高速發展，行業研究熱度居高不下。
圖9 專利技術來源國分布（左：已授權專利量，右：總申請專利量）
結合技術來源國年申請量趨勢來看，日本在很長時間內（2005-2022年）的申請量都遠超世界其他國家和地區，處于絕對領先地位。中國在2015年后年專利量迅速增長，并在2023年的專利申請量首次超過1000，領先日本（661件）。從技術來源國來看，無論是總全固態電池相關技術總申請量還是已授權專利數量，全固態電池專利布局呈現中日獨檔領先的格局，其中日本占總體的一半，中國占總體的1/3。韓國也在積極布局，但由于本身體量小，總申請量接近1000件。美國和歐洲在全固態電池領域的科研較多，但產業布局少。
圖10 世界范圍前30企業全固態電池專利（總申請專利量）
圖11 世界范圍內前10企業全固態電池專利年度申請量
從世界范圍內的主要申請機構來看，申請量排名前30的機構中，日本企業占據了17家，中國7家，韓國5家，歐洲有一家。排名前10的都為日韓企業。排名第一的為日本豐田公司。從時間上看，排名前十的日韓公司全固態電池專利申請集中在18年到22年，2023年的申請量下降很多，說明日韓企業對于全固態電池布局已進入穩定階段。日韓的專利保護意識較強，幾乎所有的企業對專利技術進行全球化保護，除在本國申請專利保護之外，還在全球其他主要國家/地區如中國、美國、韓國及世界知識產權組織進行專利保護。
圖12 中國前30企業全固態電池專利（已授權專利）
從國內企業的布局來看，處于領先地位的寧德時代目前的授權量有約80項，這得益于寧德時代在全固態電池領域相對較早的布局。其他公司比如蜂巢能源，蘇州清陶，比亞迪，贛鋒鋰業也擁有數十項專利。除了公司，還有很多高校和科研院所在全固態電池領域也有布局，比如中科院物理所、哈爾濱工業大學、中科院寧波材料所、中南大學和清華大學等等。從申請時間來看，大部分中國企業從2018年開始專利申請爆發增長，2023年的專利申請量再創新高，總體數量反超日韓，正處于上升階段。
圖14 技術主題分類排名
從技術主題排名來看，目前全固態電池專利主要布局電池單元、電解質和電極材料。從IPC分類排名來看，固體材料占據最大頭，其他電池結構和制造方法也是主要的關注部分。
全固態電池產業化研究在世界各個國家和地區呈現不同的特征。日韓由于起步較早，研究基礎扎實，目前其小型全固態電池已經開始示范性應用。在中國，半固態電池在2024年已批量上車，全固態電池研發大干快上。在美國，全固態電池研發以創業公司為主，技術路線多樣化。
從電解質路線來看，硫化物固態電解質目前已成為各大企業公認的可行路線。從電極體系來看，目前的軟包級全固態電池正級普遍基于高容量三元材料，負極以硅和硅碳為主，極少數企業采用尚不成熟的鋰金屬負極。整體可優化的空間較大，尤其是全固態電芯的循環性能。整體而言，在近期（2025年），小型的全固態電池可以量產，如日立造船和maxell公司的小型電池產品。QuantumScape、豐田和高能時代的電芯也能夠實現小規模生產。其余大部分企業認為一兩年內還達不到量產條件，尤其是國內的企業都認為在2026年到2027年才能夠實現量產。而最早布局全固態電池的日韓企業相對更加保守，他們普遍認為在2028年到2030年才能夠實現大規模量產。
項目下一階段將進一步梳理不同路線下全固態電池技術發展的關鍵問題和解決方案，探索全固態電池技術可行的迭代路徑。對中國全固態電池行業發展進行SWOT分析，提出適用于我國目前研究基礎的未來發展路線。
