固态电池大战在即,谁能突破技术瓶颈成为王者?
在双碳目标驱动的交通电动化加速转型过程中,动力电池创新成为强化新能源汽车竞争水平、打造国家产业竞争力、稳固企业竞争优势的关键,无论是新能源汽车先发国还是追赶国,或是动力电池链条各企业主体,纷纷瞄准新技术并布局新一代动力电池。当前动力电池创新潜力还很大,新技术竞争格局远未形成,各市场主体有望通过创新技术发展重塑市场与产业格局。
2023年5月31日,上汽集团和清陶能源签署增资扩股协议和战略合作框架协议,将进一步深化双方长期、共赢的战略合作伙伴关系,率先推动2025年实现固态电池技术“10万辆级”大规模量产落地,依托全球领先的创新技术为消费者打造真正安全节能、高性价比的“爆款电动车”。
(相关资料图)
在固态电池上,上汽一改此前的风格,出手迅猛,量产应用时间表领先全行业,试图锁定固态电池技术释放的首批红利。的确每一轮技术迭代,都将带来产业格局重塑的机会。掌控颠覆性技术的企业,或能逆袭而上。
车百智库作为一家由中国电动汽车百人会联合权威机构、产业链头部企业共同发起成立的专业研究机构,基于此,课题组在《创新驱动新一代电池繁荣》中,通过多方调研、咨询和讨论,对动力电池创新,尤其是固态电池发展进行了深度解读,供行业人士参考。
问题一:在固态电池领域,哪个国家拥有最多专利?中国近三年来有何研发突破?
日本固态电池相关专利拥有量全球领先,中国近 3 年加大固态电池的研发布局。
在全球范围内,对 1990 年-2021 年3 月固态电池相关专利总拥有量进行统计数据分析。在地域方面,日本拥有固态电池专利最多,占比达到 28%;其次是中国,占比达到 22%;美国和韩国的占比分别为 14%和 5%。其中中国自 2018 年起,固态电池相关专利在数量和增速上都有大幅提升,到 2019 年专利总拥有量已超越美国,位于全球第 2。
在专利主体方面,日本丰田公司固态电池相关专利拥有数遥遥领先于其他国家的企业,目前全球排名前 5 的企业均集中在日韩企业德国的博世、美国的 QuantumScape、中国的锋新能源和清陶新能源均进入前10,但 4 家企业总专利数不及丰田的 1/4。
问题二:固态电池领域的全球德韩争霸战,谁或将成为电池界的固态领先者?
固态电池的竞争呈现出全球角力的态势,日韩、欧美、中国等均在积极布局以期望抢占先机。目前来看,固态电池领域市场参与者众多,电池企业、整车企业、科研院所、投资机构等产业链上下游企业,均在进行研发和布局,固态电池产业化进程不断加速。
其中,日韩企业以丰田、三星 SDI、日立等为代表,主要走硫化物路线,技术积累深厚,具有明显的先发优势,且联合研发趋势明显,如丰田和松下、三星 SDI 和 SKI 以及 LG 化学,欧美科研机构和固态电池初创企业是主力军,各大车企纷纷投资,包括 Solid Power、Ouantum Scape、 lonicMaterials 等,研发以氧化物和聚合物路线为主,基础材料科研能力强。
我国部分固态电池企业如卫蓝新能源、清陶能源等,主要依托高校及研究机构科技成果转化而来,研发以氧化物路线为主,与车企合作紧密,如 2019 年北汽投资清陶能源,辉能与蔚来达成战略合作,共同打造采用辉能 MAB 固态电池包的样车等,另外如宁德时代等传统电池企业在硫化物路线方面也有所布局。
问题三:固态电池产业发展面临哪些瓶颈?
1、电导率低、固固界面、金属负极等是目前固态电池行业发展的普遍技术难点,日韩在硫化物的技术垄断地位可能会在一定程度上限制我国的发展。
2、全固态锂电池与正极材料体系兼容度高,对负极、隔膜、电解液会造成一定影响。
3、固态电池成本高于当前商用化液态电池。电解质材料变化、少部分工艺改变、量产质量控制经验不足等因素,导致目前混合固液电池成本仍较高。根据产业调研和测算,以 NCM811 液态电芯和NCM811 混合固液电芯为例,混合固液电芯成本相比液态电芯成本增加约 80%,其中固态电解质成本是主要新增成本,也是混合固液电池中的主要成本中心,占比约达 50%;少部分工艺改动、量产质量控制经验不足、尚未进入大规模量产等因素也导致混合固液电池成本增高。而全固态电池成本相比混合固液电池会进一步增加,一方面,由于固态电解质用量的增加,另一方面,由于全固态电池工艺与液态电池相比变化较大,新增设备折旧摊销、产品质量控制能力缺乏、工程验证周期长等因素也会加大成本。
4、固态电池技术标准体系亟须建立。固态电池命名、尺寸、性能测试、安全测试等标准需建立和完善。目前固态电池的命名、尺寸等缺少明确定义和规范,一方面,需要对固态电池的分类、命名等准则进行规范,如明确混合固态电池、全固态电池等固态电池的定义,减少投资和研发的无效浪费。
另一方面,基于现行国家标准 GB/T 34013-2017,结合刀片电池、固态电解质特点等行业多年发展经验,制定更精简的动力电池尺寸规格标准 (现行国标中规定的电池尺寸型号多达 145 种),助力行业规模化发展。在电池性能测试和安全测试方面,固态电池不太适用直接沿用现有的液态鲤电池标准,需要加强测试规范,促进行业向更高质量方向发展,如增加高温大倍率充电测试、增加超低温放电测试、对针刺和挤压等安全测试标准的试验条件要求更加严苛等。
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