成果分享 || 全固态电池技术路线研判及专利分析

为推动电动汽车关键共性技术发展，服务于成员单位技术研发需求，自成立以来，联盟一直持续开展整车及关键零部件前沿、共性技术研究工作，形成了大批研究成果，推动了电动汽车产业技术创新和进步。2023联盟共立项共性技术课题22项，为推动课题交流和成果共享，联盟将持续发布在研课题研究进展和成果，最大化发挥课题研究价值。

全固态电池技术路线研判及专利分析

01、研究目的

全固态电池技术路线研判及专利分析课题由中科固能和国汽（北京）汽车科技研究院有限公司共同申报承担，课题的主要内容包括梳理全球主要国家关于全固态电池的战略规划、组织模式、技术路线及研发体系，了解企业、科研机构技术进展情况，产品开发应用情况，分析相关专利布局，研究对比不同全固态电池的技术路线及优缺点，总结不同技术路线下的实现难点，提出适用于我国目前研究基础的未来发展路线。

02、研究进展与阶段性成果

1.全固态电池定义和特点

图2 四种主流固态电解质优缺点对比

2.全固态电池的优势和挑战

对比液态锂离子电池，全固态锂电池主要具有高安全性、高能量密度、高功率性能、宽工作温度以及材料选型范围广五大优势性能潜力（表1）。

表1.全固态电池主要优势性能和详细说明

3.全固态电池市场展望

得益于全固态电池高能量密度和本质安全等优势，其应用前景非常广阔。除开军事用途，全固态电池在航空航天，无人设备，消费电子，装配制造中具有很高的应用潜力。在汽车领域，可能会优先应用于混动车型，后期用于纯电车型（图3）。目前全固态电池市场蓄势待发，据中商产业研究院预测，2030年国内半固态+全固态电池出货量251.1GWh，对应2022—2030年将增长近86倍，预计2030年中国固态电池市场空间将达200亿元。中研普华产业研究院报告则预测，2030年全球半固态+全固态电池出货量将超500GWh。据全球调查机构SNE research预测，2022年全球固态电池市场规模约达到约2750万美元，2030年将形成400亿美元的市场规模。EVTank预计到2030年全球固态电池的出货量将达到614.1GWh，在整体锂电池中的渗透率预计在10%左右，其市场规模将超过2500亿元。

图3 全固态电池优先应用场景

（二）全球全固态电池政策规划

课题组将证书体系应用于即插即充业务中，通过数据证书完成车桩通信的身份认证，数据加解密和业务数字签名等功能，并结合应用场景、协议以及问题，形成了至少4种场景模式。

图4 世界主要国家和地区关于固态电池的政策规划

1.中国

中国目前对于全固态电池技术发展非常支持，通过政策方针（《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》、《节能与新能源汽车技术路线图2.0》）、行业组织（固态电池产业创新联合体、中国全固态电池产学研协同创新平台）和专项支持（2024年5月，由政府相关部委牵头计划投入60亿元用于固态电池研发）三位一体推动全固态电池技术迅速发展。

2.日本

 在2010年代早期，日本就开始举全国之力发展全固态锂电池，由日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)牵头。日本对全固态电池的发展支持总体呈现两大特点：一是组织模式创新，多个单位合作成立产学研协同创新联盟；二是持续的有计划的巨额资金支持。

（三）全球全固态电池技术进展

1. 文献计量分析

图5 各年度\国家全固态电池领域发表文献数量

根据图5，全固态电池相关的科学研究进展在过去的二十年中大致可以分为三个阶段。第一阶段，2000 - 2010年，整体年发文量很低，此时日本开始研究全固态电池，中国国内尚未有研究，此为全固态电池技术萌芽阶段。第二阶段，2011 - 2015年，文献数量整体稳步增长，年发文量突破百篇表明该领域逐步发展，中国国内相关研究仍然匮乏。第三阶段，2015年之后，全固态电池文献出现了爆发式增长， 中国国内的相关研究更是呈现井喷式增长，从2015年整年仅21篇到2023年一年562篇，翻了25倍。目前论文发表量前 10 位的国家分别为中国、日本、美国、韩国、德国、加拿大、法国、印度、英国和澳大利亚。

图6 全固态电池领域文献关键词强度分析

如图6所示，通过VOSviewer软件对文献关键词进行强度分析。在这张强度分布图中，颜色越亮，说明该关键词出现的频次越高。由图可知，全固态电池领域关注的重点包括：电解质材料，电导率和离子传输，稳定性和界面，以及性能表现。固态电解质材料作为全固态电池最核心的组成部分最受关注。

2. 技术专利分析

图7 全球专利年申请量趋势图

基于智慧芽专利平台，检索到12599篇涉及全固态电池和固态电解质材料主题的相关专利。其中已授权专利6161篇，在审专利5819篇，PCT指定期内专利617篇。如图7所示，2005年以后，在全球范围内，全固态电池相关专利申请进入发展阶段。2005年到2015，只有日本在布局相关专利，总量不大。2015年后，世界各国相关专利年申请量逐年猛增，行业专利布局悄然发力。近三年的年申请量都超过2000件，说明该领域的专利申请保持高速发展，行业研究热度居高不下。

图8 专利申请人所在国家年申请量

图9 专利技术来源国分布（左：已授权专利量，右：总申请专利量）

结合技术来源国年申请量趋势来看，日本在很长时间内（2005-2022年）的申请量都远超世界其他国家和地区，处于绝对领先地位。中国在2015年后年专利量迅速增长，并在2023年的专利申请量首次超过1000，领先日本（661件）。从技术来源国来看，无论是总全固态电池相关技术总申请量还是已授权专利数量，全固态电池专利布局呈现中日独档领先的格局，其中日本占总体的一半，中国占总体的1/3。韩国也在积极布局，但由于本身体量小，总申请量接近1000件。美国和欧洲在全固态电池领域的科研较多，但产业布局少。

图10 世界范围前30企业全固态电池专利（总申请专利量）

图11 世界范围内前10企业全固态电池专利年度申请量

从世界范围内的主要申请机构来看，申请量排名前30的机构中，日本企业占据了17家，中国7家，韩国5家，欧洲有一家。排名前10的都为日韩企业。排名第一的为日本丰田公司。从时间上看，排名前十的日韩公司全固态电池专利申请集中在18年到22年，2023年的申请量下降很多，说明日韩企业对于全固态电池布局已进入稳定阶段。日韩的专利保护意识较强，几乎所有的企业对专利技术进行全球化保护，除在本国申请专利保护之外，还在全球其他主要国家/地区如中国、美国、韩国及世界知识产权组织进行专利保护。

图12 中国前30企业全固态电池专利（已授权专利）

图13 中国前10企业全固态电池专利年度申请量

从国内企业的布局来看，处于领先地位的宁德时代目前的授权量有约80项，这得益于宁德时代在全固态电池领域相对较早的布局。其他公司比如蜂巢能源，苏州清陶，比亚迪，赣锋锂业也拥有数十项专利。除了公司，还有很多高校和科研院所在全固态电池领域也有布局，比如中科院物理所、哈尔滨工业大学、中科院宁波材料所、中南大学和清华大学等等。从申请时间来看，大部分中国企业从2018年开始专利申请爆发增长，2023年的专利申请量再创新高，总体数量反超日韩，正处于上升阶段。

图14 技术主题分类排名

图15 IPC分类排名

从技术主题排名来看，目前全固态电池专利主要布局电池单元、电解质和电极材料。从IPC分类排名来看，固体材料占据最大头，其他电池结构和制造方法也是主要的关注部分。

3. 全固态电池产业化进展

全固态电池产业化研究在世界各个国家和地区呈现不同的特征。日韩由于起步较早，研究基础扎实，目前其小型全固态电池已经开始示范性应用。在中国，半固态电池在2024年已批量上车，全固态电池研发大干快上。在美国，全固态电池研发以创业公司为主，技术路线多样化。

图16 中国全固态电池研发大干快上

图17 日韩——小型全固态电池已经开始示范性应用

图18 美国——创业公司为主、技术路线多样

从电解质路线来看，硫化物固态电解质目前已成为各大企业公认的可行路线。从电极体系来看，目前的软包级全固态电池正级普遍基于高容量三元材料，负极以硅和硅碳为主，极少数企业采用尚不成熟的锂金属负极。整体可优化的空间较大，尤其是全固态电芯的循环性能。整体而言，在近期（2025年），小型的全固态电池可以量产，如日立造船和maxell公司的小型电池产品。QuantumScape、丰田和高能时代的电芯也能够实现小规模生产。其余大部分企业认为一两年内还达不到量产条件，尤其是国内的企业都认为在2026年到2027年才能够实现量产。而最早布局全固态电池的日韩企业相对更加保守，他们普遍认为在2028年到2030年才能够实现大规模量产。

项目下一阶段将进一步梳理不同路线下全固态电池技术发展的关键问题和解决方案，探索全固态电池技术可行的迭代路径。对中国全固态电池行业发展进行SWOT分析，提出适用于我国目前研究基础的未来发展路线。