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一、前言
先進電池技術(shù)是推動設(shè)備智能化、能源清潔化、交通電動化的重要基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)我國“雙碳”戰(zhàn)略目標的關(guān)鍵支撐。目前，我國依托液態(tài)鋰離子電池，已構(gòu)建了全球領(lǐng)先的新能源汽車產(chǎn)業(yè)體系，但現(xiàn)有的鋰離子電池采用了易燃的液態(tài)電解質(zhì)，難以同時滿足電動汽車、儲能、電動航空、智能終端等行業(yè)對高能量密度、高安全性、長壽命和低成本鋰電池的迫切需求。高比能、高安全性和長壽命的固態(tài)電池被全球公認為是取代現(xiàn)有鋰離子電池的顛覆性技術(shù)之一。近年來，固態(tài)電池材料研究熱潮已在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界興起，被視為先進電池材料的未來發(fā)展趨勢，是實現(xiàn)高性能下一代電池的重要途徑。
目前，全球主要國家均在加快布局固態(tài)電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。美國、歐洲、日本、韓國均提出了與固態(tài)電池相關(guān)的發(fā)展規(guī)劃和戰(zhàn)略布局，將其作為強化自身電池技術(shù)、搶占未來國際電池市場的重要突破點。全球各大電池和汽車企業(yè)相繼發(fā)布了固態(tài)電池產(chǎn)品啟用時間，以固態(tài)電池為代表的新型電池正在重構(gòu)國際電池及能源市場競爭格局。我國對固態(tài)電池的基礎(chǔ)研究在世界范圍內(nèi)起步較早，但在關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)、關(guān)鍵原材料、工藝裝備等方面的瓶頸和短板較為突出。
為加快適應(yīng)國際電池材料體系發(fā)展的新趨勢和日益激烈的國際電池市場競爭新格局，本文對國內(nèi)外固態(tài)電池關(guān)鍵材料領(lǐng)域的技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展狀況進行綜合調(diào)研，厘清國內(nèi)外固態(tài)電池關(guān)鍵材料技術(shù)體系、產(chǎn)業(yè)體系和支撐體系的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)我國固態(tài)電池發(fā)展面臨的主要問題及挑戰(zhàn)，并針對性提出我國固態(tài)電池材料體系自立自強發(fā)展戰(zhàn)略及相關(guān)措施建議，以期為推動我國固態(tài)電池關(guān)鍵材料體系構(gòu)建和實現(xiàn)固態(tài)電池技術(shù)不斷發(fā)展提供參考。
二、國內(nèi)外固態(tài)電池關(guān)鍵材料技術(shù)體系
（一） 國際固態(tài)電池關(guān)鍵材料技術(shù)體系發(fā)展歷程
鋰電池根據(jù)電解質(zhì)的不同，可以分成液態(tài)鋰離子電池、混合固液電池（半固態(tài)或準固態(tài)）、全固態(tài)電池3類。其中，混合固液電池使用固態(tài)電解質(zhì)部分取代液態(tài)電解液；而全固態(tài)電池使用固態(tài)電解質(zhì)取代電解液，電池中完全不含液體。通常意義上，固態(tài)電池泛指混合固液電池和全固態(tài)電池，此二類電池均涵蓋在本研究所探討的固態(tài)電池關(guān)鍵材料技術(shù)體系之中。固態(tài)電池關(guān)鍵材料主要包括固態(tài)電解質(zhì)材料、正極材料、負極材料及相關(guān)輔材。
1. 固態(tài)電解質(zhì)材料
固體電解質(zhì)特指具有良好離子傳輸性能的鋰離子導(dǎo)體。固態(tài)電解質(zhì)不揮發(fā)、一般不可燃、具有較寬的工作溫區(qū)和電化學(xué)窗口，因此具備更優(yōu)異的安全特性，可適配更高能量密度的正負極材料體系。固態(tài)電解質(zhì)材料是固態(tài)電池的核心部件，其進展直接影響全固態(tài)電池的發(fā)展進程。依照材料類型，固態(tài)電解質(zhì)主要包括氧化物、硫化物、鹵化物、聚合物和復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)（聚合物+無機物）等。
聚合物固態(tài)電解質(zhì)于20世紀70年代發(fā)現(xiàn)，具有良好的柔順性、成膜性、粘彈性和較輕的質(zhì)量。1973年，研究人員首次揭示了聚環(huán)氧乙烷在摻雜堿金屬鹽后可以形成絡(luò)合物，隨后，發(fā)現(xiàn)了這種絡(luò)合物具有高離子電導(dǎo)率。1979年，此類材料開始應(yīng)用于金屬鋰固態(tài)電池，自此開啟了固態(tài)聚合物鋰電池研究的熱潮。之后，Bollore公司成功將聚合物固態(tài)電池商業(yè)化，其工作溫度為80 ℃，成為電動交通工具中第一個商業(yè)化的固態(tài)電池類型。目前，聚合物電解質(zhì)常用的基體材料包括聚氧化乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯等。開發(fā)高電壓復(fù)合型多層聚合物固體電解質(zhì)、室溫聚合物電解質(zhì)是當(dāng)前的研究熱點和重要目標。
無機固態(tài)電解質(zhì)具有較高的離子電導(dǎo)率和機械強度。目前，按照化學(xué)成分劃分，無機固態(tài)電解質(zhì)主要包括氧化物、硫化物、鹵化物等。按晶體形態(tài)劃分，又可分為晶態(tài)電解質(zhì)和非晶態(tài)電解質(zhì)。其中，晶態(tài)電解質(zhì)主要包括鈣鈦礦型、反鈣鈦礦型、鈉快離子導(dǎo)體（NASICON）型、榴石型等；非晶態(tài)電解質(zhì)主要包括非晶氧化物和非晶態(tài)硫化物等。Li3N是最早研究的無機固態(tài)電解質(zhì)，但由于電導(dǎo)率存在各向異性，分解電壓較低，限制了其在固態(tài)電池中的應(yīng)用。1976年，研究人員發(fā)現(xiàn)了NASICON型電解質(zhì)，隨后發(fā)現(xiàn)了對應(yīng)的鋰快離子導(dǎo)體（LISICON）型電解質(zhì)，兩者均具有較高的離子電導(dǎo)率。目前，磷酸鈦鋁鋰（LATP）和磷酸鍺鋁鋰（LAGP）[(Li1+xAlxM2-x(PO4)3(M=Ti, Ge)]兩種固態(tài)電解質(zhì)材料已獲得廣泛研究，具有較好的應(yīng)用前景。1993年，通過磁控濺射制備了LiPON（LixPOyNz）薄膜，與金屬鋰和氧化物正極有良好的兼容性；同年，Li0.34La0.5TiO3鈣鈦礦型電解質(zhì)被發(fā)現(xiàn)，其室溫體離子電導(dǎo)率高達1.5×10-3 S/cm。2004年，研究人員發(fā)現(xiàn)了Gernet結(jié)構(gòu)固態(tài)電解質(zhì)Li7La3Zr2O12，其具有較高的離子電導(dǎo)率和較寬的電化學(xué)窗口。
綜合而言，氧化物電解質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性較好，但兼具高離子電導(dǎo)率、寬電化學(xué)窗口、低成本特性的材料仍在開發(fā)之中。硫化物電解質(zhì)具有極高的離子電導(dǎo)率，如2011年發(fā)現(xiàn)的硫化物L(fēng)i10GeP2S12具備與液態(tài)電解質(zhì)同等水平的室溫離子電導(dǎo)率；然而，硫化物電解質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性和空氣穩(wěn)定性較差，較難規(guī)?；a(chǎn)且與電極材料間存在較大的界面阻抗，限制了廣泛應(yīng)用。鹵化物電解質(zhì)的室溫離子電導(dǎo)率較高，與氧化物正極界面穩(wěn)定性好，但存在與金屬鋰負極界面穩(wěn)定性差或電化學(xué)窗口較窄等短板。目前，固態(tài)電解質(zhì)材料普遍面臨的挑戰(zhàn)是內(nèi)阻和與電極界面接觸的電阻都較高，因此，開發(fā)具有高電導(dǎo)率、低界面電阻的固態(tài)電解質(zhì)材料，推動電極 / 電解質(zhì)界面修飾和改性研究是提高固態(tài)電池整體性能的關(guān)鍵。
2. 正極材料
正極材料是制約電池能量密度提升的重要因素。目前開發(fā)的鋰電池主要以正極材料作為鋰源，成本約占電池材料總成本的30%以上。普遍用于固態(tài)電池研究的正極材料除LiCoO2、三元材料、LiFePO4等以外，高鎳層狀氧化物、富鋰錳基、高電壓鎳錳尖晶石等材料也在不斷研發(fā)之中。
1981年，層狀LiCoO2被發(fā)現(xiàn)可以用作鋰電池正極材料，成為第一代商業(yè)化的鋰電池正極材料。隨后，研究人員通過摻雜、包覆等改性方法，推動耐高電壓的LiCoO2材料取得長足發(fā)展。目前，基于LiCoO2正極材料的鋰電池已廣泛應(yīng)用在電子產(chǎn)品中。
1983年，LiMn2O4正極材料被發(fā)現(xiàn)，具有導(dǎo)電和導(dǎo)鋰性能穩(wěn)定優(yōu)良、倍率性能良好、錳元素?zé)o毒無害、價格低廉等特點，但該類正極材料的理論容量較低，目前主要應(yīng)用于電動自行車等小型電動設(shè)備領(lǐng)域。
1997年，LiFePO4正極材料被發(fā)現(xiàn)，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全性好、高溫性能好、循環(huán)壽命長和原材料來源廣泛等優(yōu)勢，是目前動力電池和儲能電池領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的正極材料。
2001年，Li-Ni-Co-Mn-O三元正極材料首次引入到鋰電池中。相較于LiCoO2，三元材料成本更低，常見的三元材料中Ni-Co-Mn三者比例為4∶2∶3、3∶3∶3、5∶2∶3、6∶2∶2、8∶1∶1等。隨著新能源電動汽車的快速發(fā)展，三元材料逐漸成為動力電池的重要正極材料。
3. 負極材料
負極材料是決定鋰電池性能的關(guān)鍵因素之一，不同的負極材料可以通過嵌入、合金化或轉(zhuǎn)換反應(yīng)實現(xiàn)儲鋰。目前已廣泛應(yīng)用的負極材料包括石墨類、Li4Ti5O12、無定形碳（硬碳、軟碳）、硅基材料、鋰合金等。固態(tài)電池的負極材料主要有碳族負極、硅基負極和金屬鋰負極3類。
1970年，研究人員采用金屬鋰成功制造了首個鋰電池，并于1976年提出了最早的可充電鋰電池的雛形。然而，金屬鋰在充放電過程中因體積變化較大，導(dǎo)致電池循環(huán)性能顯著降低；金屬鋰作為高活性物質(zhì)，存在明顯的安全隱患，使得此類電池未能實現(xiàn)商業(yè)化。盡管如此，由于金屬鋰負極具有高比容量、低電位、低密度等優(yōu)點，固態(tài)鋰金屬電池開發(fā)仍是當(dāng)前電池領(lǐng)域的研究熱點。
1983年，法國格勒諾布爾實驗室第一次在電池中實現(xiàn)了Li+在石墨中的可逆嵌入 / 脫嵌。1989年，日本索尼公司成功將石油焦用作負極材料，實現(xiàn)了鋰離子電池的商業(yè)化。目前，性能穩(wěn)定的人造石墨是鋰離子電池最重要的負極材料，其綜合性能優(yōu)異，占據(jù)了超過95%的負極材料市場份額。
總體而言，依托先發(fā)優(yōu)勢和早期鋰離子電池方面的技術(shù)積累，美國、歐洲、日本等國家和地區(qū)主導(dǎo)了絕大多數(shù)商業(yè)化的電解質(zhì)材料、正極材料、負極材料的原始創(chuàng)新和技術(shù)體系。未來，固態(tài)電池技術(shù)的發(fā)展將重塑全球電池技術(shù)體系新格局，因此，各國都在加緊研發(fā)和布局下一代固態(tài)電池關(guān)鍵材料體系。
（二） 我國固態(tài)電池關(guān)鍵材料技術(shù)體系研究進展
我國關(guān)于固態(tài)電池的基礎(chǔ)研究在世界范圍內(nèi)起步較早，在20世紀70年代就開始了固體電解質(zhì)和固態(tài)電池的研究。1978年，首次報道了固態(tài)離子學(xué)研究工作；1979年，我國第一個以固態(tài)離子學(xué)命名的物理所固態(tài)離子學(xué)實驗室創(chuàng)立，且于1980年在《物理學(xué)報》發(fā)表第一篇LISICON文章，并成功制備出鍺酸鋅鋰等快離子導(dǎo)體材料。1980年，我國第一屆固體離子學(xué)討論會召開。
1987年，科學(xué)技術(shù)部將固態(tài)電池列為首批“國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃”（863計劃）重大專題之一，項目匯聚了國內(nèi)11家優(yōu)勢單位進行集體攻關(guān)，為我國鋰電池產(chǎn)業(yè)提供了關(guān)鍵的知識、技術(shù)、設(shè)備和人才儲備。在863計劃項目的支持下，1988年率先研制出我國第一塊由LiV3O8正極和金屬鋰負極構(gòu)成的全固態(tài)鋰電池。然而，由于當(dāng)時的電池材料和技術(shù)體系尚不成熟，實現(xiàn)固態(tài)電池的商業(yè)化存在較大挑戰(zhàn)。1990年之后，鋰離子電池產(chǎn)業(yè)進入快速發(fā)展階段，而固態(tài)電池的研究進展則較為緩慢。2014年，通過持續(xù)研發(fā)積累，我國研究人員在國際上率先提出原位固態(tài)化技術(shù)，通過在電池中構(gòu)筑多級、多層、多位點連續(xù)的固體電解質(zhì)相，綜合解決了固態(tài)電池中的固固界面問題。2022年，基于原位固態(tài)化技術(shù)的高能量密度固態(tài)電池在全球率先實現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)。
在固態(tài)電池關(guān)鍵材料和基礎(chǔ)研究方面，我國先后取得了一系列突破。中國科學(xué)院物理研究所早在1997年就首次采用“納米硅”作為鋰電池負極材料，并率先實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，這是我國為數(shù)不多具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的電池關(guān)鍵材料；并于2014—2023年相繼開發(fā)了納米固態(tài)電解質(zhì)包覆正極材料、界面預(yù)鋰化技術(shù)、低膨脹納米硅碳負極材料、界面熱復(fù)合等材料和技術(shù)，并通過創(chuàng)新材料體系和先進工藝技術(shù)，創(chuàng)造了能量密度高達711 W·h·kg-1的電芯世界紀錄。在固態(tài)電解質(zhì)材料方面，我國相關(guān)研究取得了一系列顯著進展，開發(fā)了用于有機固態(tài)電池的PMA/PEG-LiClO4-SiO2復(fù)合聚合物電解質(zhì)，開發(fā)了可液相合成的Li2ZrCl6電解，具有高離子電導(dǎo)率、寬化學(xué)窗口的Li3Zr2Si2PO12氧化物電解質(zhì)，可用于固態(tài)鋰空氣電池的鋰離子交換沸石膜電解質(zhì)，可通過光聚合制備得出的聚醚 ? 丙烯酸酯互穿網(wǎng)絡(luò)電解質(zhì)以及利用聚碳酸丙酯基固態(tài)聚合物電解質(zhì)制備的可高溫下應(yīng)用的LiFePO4/Li電池。
總體而言，我國在固態(tài)電池關(guān)鍵材料及技術(shù)研究方面保持著良好發(fā)展態(tài)勢，但仍需要不斷研發(fā)固態(tài)電池的關(guān)鍵材料以滿足性能需求。如圖1所示，正極材料將由目前的三元材料向高鎳三元材料、富鋰正極材料過渡，直至滿足固態(tài)電池需求的高比容量新型正極材料；負極材料將從石墨負極過渡到硅碳負極，最后到金屬鋰負極；固態(tài)電解質(zhì)將由固液混合電解質(zhì)、準固態(tài)電解質(zhì)向全固態(tài)電解質(zhì)逐步發(fā)展，其中兼具聚合物電解質(zhì)和無機物電解質(zhì)優(yōu)勢及綜合性能的復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)可能是未來最能滿足實際應(yīng)用需求的固態(tài)電解質(zhì)材料。
圖1 固態(tài)電池關(guān)鍵材料體系發(fā)展進程
注：NCM表示鎳鈷錳正極。
為保障我國在電池領(lǐng)域的國際持續(xù)領(lǐng)先優(yōu)勢，當(dāng)前諸多科研團隊正積極開展固態(tài)電池基礎(chǔ)科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，包括固態(tài)電池電極和電解質(zhì)關(guān)鍵材料體系，固態(tài)電池中的熱力學(xué)、動力學(xué)、界面構(gòu)筑和穩(wěn)定性，固態(tài)電池電芯設(shè)計和工程化制備技術(shù)，固態(tài)電池失效機制、安全性評測方法和標準等研究。
三、國內(nèi)外固態(tài)電池關(guān)鍵材料產(chǎn)業(yè)體系
（一） 國際固態(tài)電池關(guān)鍵材料產(chǎn)業(yè)體系
全球固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)主要分布在中國、日本、韓國、歐洲、美國等國家和地區(qū)。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2023年，全球約有53家規(guī)模以上企業(yè)布局和研發(fā)固態(tài)電池。表1和表2列舉了國內(nèi)外部分主要企業(yè)的固態(tài)電池技術(shù)路線。
表1 國外典型企業(yè)的固態(tài)電池技術(shù)路線
表2 我國典型企業(yè)的固態(tài)電池技術(shù)路線
日本的固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展起步最早，如日本東芝公司于1983年就成功開發(fā)出了可實用的Li/TiS2薄膜固態(tài)電池。目前，日本電池企業(yè)采取的固態(tài)電池主流技術(shù)路線是硫化物固態(tài)電解質(zhì)。日本擁有多家電池關(guān)鍵材料龍頭企業(yè)，如正極材料領(lǐng)域的日亞化學(xué)工業(yè)股份有限公司和住友金屬工業(yè)股份有限公司，負極材料領(lǐng)域的三菱化學(xué)集團和Resonac集團，隔膜領(lǐng)域的旭化成集團和東麗集團，以及電芯制造領(lǐng)域的松下電器公司等。在產(chǎn)業(yè)鏈下游應(yīng)用領(lǐng)域，豐田汽車公司、本田技研工業(yè)股份有限公司、日產(chǎn)汽車公司等企業(yè)也積極參與固態(tài)電池的生產(chǎn)研發(fā)。2021年，日本成立了電池供應(yīng)鏈協(xié)會，涉及的企業(yè)可以覆蓋整個電池產(chǎn)業(yè)鏈，其目標是實現(xiàn)日本電池供應(yīng)鏈的可持續(xù)發(fā)展和提升其電池產(chǎn)業(yè)競爭力。未來，松下電器公司將于2025年將固態(tài)電池進行市場化應(yīng)用，豐田汽車公司、本田技研工業(yè)股份有限公司等汽車企業(yè)計劃2028—2030年實現(xiàn)固態(tài)電池的規(guī)?；蜕虡I(yè)化應(yīng)用。
韓國固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展思路是研發(fā)重量輕的硫化物全固態(tài)電池以及高安全性的氧化物全固態(tài)電池，其產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)的企業(yè)主要是三星SDI公司、SK On公司以及LG新能源公司。這些企業(yè)也是目前位于全球前列的液態(tài)鋰離子電池生產(chǎn)企業(yè)。近年來，韓國發(fā)布“2030二次電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略”（2021年）、“充電電池產(chǎn)業(yè)革新戰(zhàn)略”（2022年），引導(dǎo)企業(yè)合力研發(fā)固態(tài)電池，并著力建設(shè)本土電池產(chǎn)業(yè)鏈體系。韓國電池企業(yè)初步規(guī)劃在2027年前實現(xiàn)全固態(tài)電池的商業(yè)化應(yīng)用；韓國的主要汽車企業(yè)還通過投資歐洲、美國等國家和地區(qū)的固態(tài)電池初創(chuàng)公司以推動固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
歐洲、美國的固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)較多選擇聚合物和氧化物固態(tài)電解質(zhì)的技術(shù)路線，重視固態(tài)金屬鋰電池體系的研發(fā)。其中，美國的電池企業(yè)在早期以自主研發(fā)為主，但關(guān)鍵材料大多依賴進口。2021年，美國能源部發(fā)布《2021—2030年國家鋰電池藍圖》，首次由政府主導(dǎo)制定了未來的鋰電池發(fā)展路線，并構(gòu)建本土鋰電池完整產(chǎn)業(yè)鏈，建設(shè)滿足其國內(nèi)需求的電池生產(chǎn)基地。美國Quantum Scape公司、Solid Power公司等固態(tài)電池主要企業(yè)均計劃在2025年前后實現(xiàn)固態(tài)電池的裝車示范應(yīng)用。目前，美國固態(tài)電池在航空領(lǐng)域的應(yīng)用處于世界前列。
2011年，法國博洛雷集團研發(fā)的金屬鋰聚合物電池是全球首個實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的固態(tài)電池，已成功搭載于BlueCar電動汽車，但歐洲后續(xù)的固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化進展較為緩慢。2017—2019年，歐洲各國陸續(xù)建立了歐洲電池產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、“電池歐洲”、歐洲能源研究聯(lián)盟以及發(fā)布“電池2030+”等聯(lián)合研究計劃，推動包括固態(tài)電池在內(nèi)的先進電池技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，但尚未建立完善的電池產(chǎn)業(yè)體系。目前，寶馬集團、大眾集團等大型汽車企業(yè)通過技術(shù)投資方式來推動歐洲固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
總體而言，全球主要國家和地區(qū)尚未形成完整的固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈，固態(tài)電池的關(guān)鍵材料體系尚未完全明確，且依然存在固固界面接觸不良、成本較高等問題；在電池回收和關(guān)鍵材料循環(huán)利用環(huán)節(jié)仍存在較大缺口，尚未形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)。
（二） 我國固態(tài)電池關(guān)鍵材料產(chǎn)業(yè)體系
目前，我國是全球最大的鋰電池生產(chǎn)國和使用國。我國鋰電池產(chǎn)業(yè)于20世紀90年代末開始發(fā)展，并在1998年建立了國內(nèi)第一條鋰離子電池中試生產(chǎn)線，解決了鋰離子電池生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)和材料制備問題。之后，我國逐步建立起鋰離子電池上下游產(chǎn)業(yè)體系，經(jīng)過多年的快速發(fā)展，涌現(xiàn)了諸如星恒電源股份有限公司、寧德新能源科技有限公司、寧德時代新能源科技股份有限公司等一批電池龍頭企業(yè)。
依托鋰離子電池發(fā)展優(yōu)勢，我國已建成了全球規(guī)模最大、最齊全的鋰電池產(chǎn)業(yè)體系。在關(guān)鍵材料方面，我國鋰電池的正極、負極、電解液和隔膜四大類原材料基本擺脫進口依賴，形成了上下游完整的供應(yīng)鏈；在生產(chǎn)制造方面，鋰電池相關(guān)設(shè)備的國產(chǎn)化率達90%以上，龍頭企業(yè)的產(chǎn)品性能基本達到國際領(lǐng)先水平，并在智能制造、自動化和無人化生產(chǎn)等方面取得了迅速發(fā)展；在電池回收方面，我國鋰電池梯次利用和材料再生等技術(shù)逐步完善。當(dāng)前全球的鋰電池生產(chǎn)高度依賴我國的電池產(chǎn)業(yè)體系。
我國原位固態(tài)化電池產(chǎn)業(yè)體系建立在現(xiàn)有鋰離子電池產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)之上，循序漸進地推動固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先式發(fā)展。我國固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)發(fā)展從液態(tài)鋰離子電池開始，經(jīng)過混合固液電池，預(yù)計在2030年左右實現(xiàn)全固態(tài)電池的商業(yè)化應(yīng)用。目前，我國已經(jīng)實現(xiàn)介于鋰離子電池與全固態(tài)鋰電池之間的原位固態(tài)化電池規(guī)?；a(chǎn)。隨著循環(huán)性、安全性以及其他綜合技術(shù)指標的逐漸提升，此類電池的能量密度已經(jīng)達到300~400 W·h·kg-1。在原位固態(tài)化電池基礎(chǔ)上，我國將逐步過渡到全固態(tài)電池。
據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國有超過19家從事固態(tài)電池研發(fā)和生產(chǎn)的企業(yè)，相關(guān)企業(yè)通過與高校、科研院所聯(lián)合研發(fā)，不斷升級和改進材料體系以積累相關(guān)技術(shù)，持續(xù)推進固態(tài)電池發(fā)展。例如，由中國科學(xué)院物理研究所技術(shù)孵化的北京衛(wèi)藍新能源科技股份有限公司已在全球率先實現(xiàn)了原位固態(tài)化電池的規(guī)模量產(chǎn)，建設(shè)了累計產(chǎn)能達5.6 GW·h的固態(tài)電池生產(chǎn)線，產(chǎn)品已成功應(yīng)用于新能源汽車、規(guī)模儲能、安全設(shè)備等領(lǐng)域。在固態(tài)電池關(guān)鍵材料產(chǎn)業(yè)化方面，中國科學(xué)院物理研究所依托納米硅碳負極材料技術(shù)孵化成立了溧陽天目先導(dǎo)電池材料科技有限公司；該材料是由中國學(xué)者原創(chuàng)提出并研發(fā)的電池核心材料，并形成了完整的知識產(chǎn)權(quán)群。目前，寧德時代新能源科技股份有限公司、比亞迪股份有限公司、華為技術(shù)有限公司等龍頭企業(yè)均開始布局固態(tài)電池研發(fā)，蔚來汽車科技有限公司于2023年實現(xiàn)了續(xù)航里程超過1000 km的固態(tài)電池裝車及路試，東風(fēng)汽車股份有限公司將于2024年實現(xiàn)新一代高比能固態(tài)電池的整車搭載。我國已初步形成了較為完整的固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈。
我國固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目標總體可以分為3個階段。近期目標（2027年）是發(fā)展原位固態(tài)化電池，提高能量密度和循環(huán)次數(shù)，全面實現(xiàn)其在新能源汽車動力系統(tǒng)、儲能、智能裝備等領(lǐng)域的應(yīng)用，推進固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈布局；中期目標（2035年）是進一步提高原位固態(tài)化電池的綜合性能，實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)和工業(yè)化成熟應(yīng)用，形成較為完善的固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化布局；遠期目標（2050年）是研制高比能和超高比能全固態(tài)電池，大幅提高電池能量密度和循環(huán)壽命，除在新能源汽車和儲能領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用以外，還要在電動航空、電動船舶及其他特殊領(lǐng)域得到應(yīng)用。圖2展示了下一代固態(tài)電池關(guān)鍵材料及產(chǎn)業(yè)體系的發(fā)展布局。依照從原位固態(tài)化到全固態(tài)電池的發(fā)展路線，構(gòu)建從前軀體、核心材料、輔助材料、單一裝備、整體裝備、電芯、模組、系統(tǒng)產(chǎn)線、系統(tǒng)集成、傳感、消防、標準化測試，到梯次利用及回收的全產(chǎn)業(yè)鏈；同時，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)體系發(fā)展還將結(jié)合數(shù)字研發(fā)、數(shù)字制造、數(shù)字檢測、數(shù)字運維等先進手段，向極致制造、極簡制造、極致性能、更大規(guī)模方向發(fā)展。
圖2 下一代固態(tài)電池關(guān)鍵材料及產(chǎn)業(yè)體系發(fā)展布局
四、國內(nèi)外固態(tài)電池關(guān)鍵材料支撐體系
（一） 國際固態(tài)電池關(guān)鍵材料政策支撐體系
1. 美國電池政策支撐體系
美國固態(tài)電池關(guān)鍵材料的研發(fā)支撐主要由美國能源部主導(dǎo)。為協(xié)調(diào)政府資源并加速電池技術(shù)的發(fā)展，美國能源部、國防部、商務(wù)部等共同組建了聯(lián)邦先進電池聯(lián)盟，指導(dǎo)在電池技術(shù)方面的公共投入，推動電池技術(shù)的發(fā)展。美國能源部還依托西北太平洋國家實驗室成立了國家級儲能技術(shù)研發(fā)中心。基于2021年發(fā)布的《基礎(chǔ)設(shè)施投資和就業(yè)法案》，美國能源部發(fā)布了“電池材料加工和電池制造”“電動汽車電池回收和再利用”兩項計劃，以推動先進電池的制造，建立美國本土電池供應(yīng)鏈。2022年，美國多部門聯(lián)合發(fā)布了《國家創(chuàng)新路徑》，要求所有通過《通脹削減法案》資助的電動汽車充電設(shè)備必須在美國本土生產(chǎn)，并發(fā)布新能源汽車電池稅收抵免激勵法，鼓勵商業(yè)化基礎(chǔ)研究；開發(fā)替代材料以減少對鈷、鎳等關(guān)鍵材料的外部依賴，推動新型鋰電池電極和電解質(zhì)關(guān)鍵材料研發(fā)，推動固態(tài)電池技術(shù)、新型制造工藝以及電池回收技術(shù)的發(fā)展。
2. 歐洲電池政策支撐體系
歐洲地區(qū)的關(guān)鍵電池材料和先進電池技術(shù)發(fā)展主要受兩方面驅(qū)動：一是由歐盟頒布相關(guān)政策，推動其加盟國相關(guān)技術(shù)的開發(fā)和市場推廣，二是由各國政府根據(jù)自身發(fā)展情況，推動電池技術(shù)研發(fā)及推廣。歐盟重視先進電池技術(shù)的研發(fā)，自2017年以來，陸續(xù)建立了歐洲電池產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、歐洲技術(shù)與創(chuàng)新平臺以及歐洲能源研究聯(lián)盟，發(fā)布了《歐洲儲能技術(shù)發(fā)展路線圖》《電池戰(zhàn)略行動計劃》《地平線2021—2027計劃》《歐洲共同利益重要計劃》《歐洲電池研發(fā)創(chuàng)新路線圖》以及第三版《電池2030+路線圖》等多項聯(lián)合研究計劃，引導(dǎo)歐洲電池研究的優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域，規(guī)劃戰(zhàn)略研究議程與發(fā)展方向，促進歐洲電池制造產(chǎn)量增長和持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展。
2023年，歐盟通過《歐洲關(guān)鍵原材料法案》，要求到2030年在歐洲本土生產(chǎn)至少10%的鋰、鈷、鎳、硅等電池關(guān)鍵原材料，加工至少40%的關(guān)鍵原材料以及回收至少15%的關(guān)鍵原材料，確保歐盟獲得安全和可持續(xù)的關(guān)鍵原材料供應(yīng)。同年，歐洲議會頒布了《歐盟電池與廢電池法規(guī)》，提出建立對電池全生命周期碳排放的管控措施，加強廢棄電池的收集和回收效率，明確了電池廢棄物的管理要求。
3. 日本電池政策支撐體系
自20世紀80年代開始，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）就對固態(tài)電池研發(fā)給予了長期穩(wěn)定的支持。2018年，NEDO啟動了全固態(tài)鋰電池項目第二階段，目標是突破固態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)鋰電池生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸，制造高能量密度固態(tài)電池。日本政府在2022年發(fā)布《電池產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略》，計劃于2030年前建成年產(chǎn)能達150 GW·h的國內(nèi)電池制造基地和年產(chǎn)能達600 GW·h的全球電池制造基地。2023年，NEDO宣布下一代全固態(tài)電池材料基礎(chǔ)技術(shù)評估和開發(fā)計劃，擬在2023—2027年全面提高全固態(tài)鋰電池性能，促進電池及材料開發(fā)，加快商業(yè)化進程。
為了強化資源保障能力，日本政府已將鋰、鈷等關(guān)鍵礦產(chǎn)納入高風(fēng)險范疇，并推出了一系列政策以擴大對相關(guān)企業(yè)的支持；將增強與澳大利亞、南美等鋰資源豐富國家和地區(qū)間的合作關(guān)系，確保供應(yīng)鏈上游穩(wěn)定。為提高電池領(lǐng)域的人才保障能力，日本在高校和科研院所中廣泛開設(shè)了電池類相關(guān)專業(yè)課程，并成立了由政府、產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界組成的“關(guān)西電池人才培養(yǎng)聯(lián)盟”，計劃于2030年前培養(yǎng)30 000名電池產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈專業(yè)人才，包括電池制造人才、電池產(chǎn)品開發(fā)和評價人才等。
4. 韓國電池政策支撐體系
目前，韓國的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模居全球第二位。韓國政府明確將電池技術(shù)作為推動其經(jīng)濟發(fā)展的核心動力，制定了“2030二次電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略”“二次電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略”等一系列戰(zhàn)略措施，規(guī)劃了先進電池技術(shù)研發(fā)路線和全固態(tài)電池商業(yè)化方向，明確了產(chǎn)業(yè)投資、稅收優(yōu)惠以及人才培養(yǎng)目標，期望通過建立技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢在2030年成為全球電池領(lǐng)軍國家。
近年來，韓國持續(xù)加大固態(tài)電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)的投入。韓國政府與龍頭電池企業(yè)計劃于2030年前共同投資20萬億韓元，開發(fā)包括固態(tài)電池在內(nèi)的先進電池技術(shù)，設(shè)立研發(fā)創(chuàng)新基金以培育中小型初創(chuàng)企業(yè)發(fā)展原始創(chuàng)新技術(shù)，并提供高額減稅政策以支持相關(guān)材料研發(fā)，鞏固提升其全球電池市場份額。為保障電池產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈穩(wěn)定，韓國政府與電池制造商、材料供應(yīng)商、精煉企業(yè)等主要企業(yè)成立了“電池聯(lián)盟”，推動電池生態(tài)系統(tǒng)的本土化發(fā)展。在人才培養(yǎng)方面，韓國政府牽頭成立了“電池學(xué)院”，計劃到2030年培養(yǎng)16 000名電池領(lǐng)域相關(guān)人才。
（二） 我國固態(tài)電池關(guān)鍵材料政策支撐體系
我國高度重視先進電池技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)發(fā)展。早在“六五”時期，就開展了鋰離子導(dǎo)體研究重大項目；1987年，科學(xué)技術(shù)部將全固態(tài)聚合物鋰二次電池納入863計劃重點項目；20世紀90年代初，又將鋰離子電池關(guān)鍵材料與技術(shù)列為863計劃重點支持課題，并在后續(xù)的多個“五年”規(guī)劃和高技術(shù)發(fā)展計劃中持續(xù)支持鋰電池技術(shù)發(fā)展。2002年，我國將“綠色二次電池的基礎(chǔ)研究”列入國家973計劃項目，鼓勵電化學(xué)儲能技術(shù)的原理性創(chuàng)新，后續(xù)又將“新型二次電池及相關(guān)能源材料的基礎(chǔ)研究”列入第二期973計劃項目。
“十四五”時期，我國啟動了新能源汽車重點專項、儲能與智能電網(wǎng)重點專項等重大項目，支持固態(tài)電池技術(shù)開發(fā)，其中，前者重點支持全固態(tài)金屬鋰電池技術(shù)開發(fā)，后者將兆瓦時級本質(zhì)安全固態(tài)鋰離子儲能電池技術(shù)列為共性關(guān)鍵技術(shù)。近年來，為推動電池技術(shù)的發(fā)展，我國注重頂層規(guī)劃的引導(dǎo)作用，發(fā)布了一系列與固態(tài)電池相關(guān)的規(guī)劃和方案?！丁笆奈濉笨稍偕茉窗l(fā)展規(guī)劃》（2022年）明確提出，加強可再生能源前沿技術(shù)和核心技術(shù)裝備攻關(guān)，加強前瞻性研究，加快研發(fā)固態(tài)鋰離子電池等高能量密度儲能技術(shù)?！丁笆奈濉毙滦蛢δ馨l(fā)展實施方案》（2022年）指出，加大關(guān)鍵技術(shù)裝備研發(fā)力度，推動多元化技術(shù)開發(fā)，研發(fā)儲備固態(tài)鋰離子電池等新一代高能量密度儲能技術(shù)?！缎履茉雌嚠a(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》（2020年）在新能源汽車核心技術(shù)攻關(guān)工程專欄中明確提出，加快固態(tài)動力電池技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化?！蛾P(guān)于推動能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》（2023年）在新型儲能方面提出，加快研發(fā)固態(tài)電池等新型電池?！犊萍贾翁歼_峰碳中和實施方案（2022—2030年）》（2022年）中再次明確指出，研究固態(tài)鋰離子、鈉離子電池等更低成本、更安全、更長壽命、更高能量效率、不受資源約束的前沿儲能技術(shù)。此外，國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院、中國工程院等長期以來非常重視電池關(guān)鍵材料及固態(tài)電池技術(shù)的發(fā)展，持續(xù)設(shè)立若干重點項目資助并支持相關(guān)科學(xué)研究和人才培養(yǎng)。
（三） 國際固態(tài)電池專利支撐體系
本文在IncoPat商業(yè)數(shù)據(jù)庫中以“固態(tài)電池”為關(guān)鍵詞，運用“專利名稱”“說明書摘要”“權(quán)利要求書”3個字段進行專利檢索，查詢到全球范圍內(nèi)的相關(guān)專利申請數(shù)量共計39 805項。由于1990年之前的固態(tài)電池專利申請數(shù)量相對較少，年申請量在200項以下，故檢索時間范圍設(shè)定為1990年至2024年4月。
全球固態(tài)電池專利申請數(shù)量情況如圖3所示。1990—1996年，全球固態(tài)電池的專利申請量相對穩(wěn)定，年申請量在200~400項，專利申請量雖出現(xiàn)增長，但增長幅度不大。自1997年開始，全球固態(tài)電池的專利申請量首次超過500項，隨后申請量緩慢上升；但在2002年之后出現(xiàn)緩慢下降，直至2010年，全球固態(tài)電池的專利申請量逐漸進入快速增長的階段；2016年之后，專利申請量更是呈現(xiàn)階梯式上升，如2017年的專利申請量與2016年相比增加了接近500項；2021年，全球固態(tài)電池專利申請量超過3000項且仍在持續(xù)增長。現(xiàn)階段，全球固態(tài)電池的專利申請量迅速增長，固態(tài)電池已成為電池領(lǐng)域的熱點研究方向。由于液態(tài)鋰離子電池的安全問題以及電池容量提升遇到瓶頸，高能量密度和本質(zhì)安全的固態(tài)電池成為電池領(lǐng)域的重要突破口，受到眾多創(chuàng)新主體的青睞，研發(fā)熱情不斷高漲。
圖3 全球固態(tài)電池專利申請量的歷年分布情況
全球固態(tài)電池專利申請量排名前5的國家和地區(qū)依次為：日本、中國、美國、韓國、歐洲。① 日本的專利申請量排名世界第一。這是由于日本在電池領(lǐng)域的研究起步早、積累豐富，其本土具有眾多較強研發(fā)實力的企業(yè)，在電池研發(fā)和生產(chǎn)領(lǐng)域占據(jù)優(yōu)勢，同時日本政府也大力支持固態(tài)電池研發(fā)投入。② 我國的專利申請量排名世界第二。為實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標，我國大力推動清潔能源技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)新，新能源汽車行業(yè)快速發(fā)展，已經(jīng)處于世界前列。未來，為滿足航空、航天、高端消費電子、安全裝備等對更高能量密度、更高安全性電池技術(shù)的需求以及基于我國在鋰離子電池方面絕對領(lǐng)先的發(fā)展現(xiàn)狀，進一步在固態(tài)電池關(guān)鍵材料和技術(shù)上保持優(yōu)勢是國內(nèi)創(chuàng)新主體關(guān)注的重點。目前，我國的固態(tài)電池專利申請量逐年上升且近年來保持高速增長態(tài)勢。自2016年以來，我國年專利申請量躍居世界首位，成為固態(tài)電池領(lǐng)域?qū)＠季值闹攸c國家。按照目前的發(fā)展趨勢，我國在固態(tài)電池領(lǐng)域累積的專利申請量有望超過日本。③ 美國的固態(tài)電池專利申請量排名世界第三。除美國創(chuàng)新主體對固態(tài)電池的應(yīng)用前景樂觀外，美國政府對關(guān)鍵電池材料和先進電池技術(shù)等方面的研發(fā)給予了大力支持。雖然固態(tài)電池在美國的技術(shù)活躍度低于中國，但仍需重點關(guān)注美國相關(guān)專利的申請情況，關(guān)注固態(tài)電池的關(guān)鍵和核心技術(shù)發(fā)展動態(tài)。總體而言，近年來，來自中國、美國、日本和韓國的固態(tài)電池專利申請量較多，屬于固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新最為密集的國家，但各國的固態(tài)電池技術(shù)路線側(cè)重點不同，如我國是以氧化物電解質(zhì)和聚合物電解質(zhì)復(fù)合為主，日本和韓國是以硫化物電解質(zhì)為主。雖然固態(tài)電池技術(shù)路線不同，但各國都非常重視固態(tài)電池關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，推動固態(tài)電池的大規(guī)模應(yīng)用。
全球固態(tài)電池專利申請量排名前10位的企業(yè)依次為：豐田汽車公司、三星集團、松下電器公司、日立公司、LG集團、三菱化學(xué)集團、湯淺股份有限公司、索尼集團公司、日本礙子公司和日產(chǎn)汽車公司。豐田汽車公司具有雄厚的資金實力以及豐富的研發(fā)經(jīng)驗，其提出2030年前投資2萬億日元用于鋰電池及固態(tài)電池研發(fā)和生產(chǎn)，2025年實現(xiàn)小批量生產(chǎn)并率先用于混合動力車型，2030年實現(xiàn)批量生產(chǎn)和全面商業(yè)化。目前，豐田汽車公司宣布，已克服固體電解質(zhì)隨著電池充放電反復(fù)膨脹和收縮引發(fā)的龜裂問題，有利于推動固態(tài)電池商業(yè)化進程。我國在新能源汽車行業(yè)處于世界前列，且自2016年至今固態(tài)電池的專利申請量全球排名第一，但專利申請量排名總累計前10的申請企業(yè)中卻并沒有我國企業(yè)。這也從側(cè)面反映出我國需進一步對固態(tài)電池展開技術(shù)創(chuàng)新和難題攻關(guān)，在專利技術(shù)內(nèi)容上全方位鋪展開來，逐步掌握固態(tài)電池的核心技術(shù)，對專利進行合理布局，使專利申請數(shù)量和質(zhì)量均得到提升。此外，我國高校、科研院所在固態(tài)電池關(guān)鍵材料和技術(shù)上具有更強的研發(fā)實力和創(chuàng)新能力，國內(nèi)企業(yè)可考慮與其進行合作研發(fā)，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，力爭在固態(tài)電池領(lǐng)域取得更大的突破。
（四） 我國固態(tài)電池專利支撐體系
與國際固態(tài)電池專利申請況相比，我國固態(tài)電池專利申請起步較晚。如圖4所示，1996年之前我國固態(tài)電池的專利申請量很少，1996—2000年的固態(tài)電池專利申請量開始逐漸增多，但年申請量在50項以下。這表明固態(tài)電池技術(shù)僅受到部分研究人員的關(guān)注。2000—2009年，固態(tài)電池領(lǐng)域每年的專利申請量均在100項左右，2010年后專利申請量明顯穩(wěn)步增長，2016年開始專利申請量快速增長，2021年的專利申請量是2016年的3倍多。固態(tài)電池專利申請量的迅猛增加表明，眾多創(chuàng)新主體將固態(tài)電池作為電池領(lǐng)域未來的重要發(fā)展方向。我國固態(tài)電池專利申請的快速發(fā)展態(tài)勢與實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標緊密相關(guān)，但更多的是為了滿足對本質(zhì)安全和高能量密度電池體系的需求。未來，我國固態(tài)電池關(guān)鍵材料和技術(shù)的突破有望推動固態(tài)電池成功應(yīng)用于電動航空、安全裝備等領(lǐng)域。
圖4 我國固態(tài)電池歷年專利申請情況
我國固態(tài)電池專利申請量排名前3位的省份是廣東省、江蘇省和北京市，遠超其他省份，位于專利申請量第一梯隊。專利申請量與各省份的創(chuàng)新主體數(shù)量是密切相關(guān)的，也與創(chuàng)新主體的研發(fā)方向、研發(fā)實力、技術(shù)儲備和地方政策存在相關(guān)性。我國擁有完整的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈，這也有助于固態(tài)電池全產(chǎn)業(yè)鏈的形成。
固態(tài)電池已成為各個國家重點突破的重點方向，積極搶占未來固態(tài)電池發(fā)展的制高點，對引領(lǐng)下一輪新能源汽車市場的變革至關(guān)重要。因此，國內(nèi)相關(guān)創(chuàng)新主體需要引起足夠的重視，加大研發(fā)投入力度、攻克技術(shù)難題和提升技術(shù)創(chuàng)新高度，同時也需要對固態(tài)電池專利進行全方位布局，規(guī)避風(fēng)險以突破專利技術(shù)壁壘。此外，需要加強高校、科研院所、企業(yè)之間的合作研發(fā)，充分利用各自研究優(yōu)勢，力爭在固態(tài)電池格局尚未完全形成的情況下占據(jù)有利位置。
國內(nèi)創(chuàng)新主體應(yīng)當(dāng)及時開展固態(tài)電池關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)和制造，提前進行專利布局。要對國內(nèi)外重要創(chuàng)新主體的專利進行分析，合理規(guī)避專利侵權(quán)風(fēng)險，而對于國內(nèi)外創(chuàng)新主體的失效專利可以合理使用、挖掘。同時，相關(guān)專利布局要以市場為導(dǎo)向，結(jié)合自身優(yōu)勢，穩(wěn)固推進。因此，建議國內(nèi)企業(yè)力爭在若干技術(shù)點中擁有自身的核心技術(shù)，從初期的核心技術(shù)和重點專利布局，逐漸轉(zhuǎn)向構(gòu)建完整的技術(shù)架構(gòu)，形成全面的專利“保護網(wǎng)”。
五、我國固態(tài)電池發(fā)展存在的主要問題
我國高校和科研院所對固態(tài)電池的基礎(chǔ)研究起步較早，經(jīng)過多年發(fā)展已在固態(tài)電池研發(fā)技術(shù)儲備方面取得積極進展。然而，固態(tài)電池發(fā)展仍然受到關(guān)鍵材料、裝備制造、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等方面的制約，系列重大基礎(chǔ)科學(xué)問題尚未完全解決，關(guān)鍵材料和工藝裝備等核心技術(shù)未實現(xiàn)突破，產(chǎn)業(yè)化制備技術(shù)成熟度較低、形成規(guī)模產(chǎn)能的企業(yè)有限，相關(guān)行業(yè) / 團體標準暫時缺失，生產(chǎn)成本較高等問題突出。綜合來看，我國固態(tài)電池發(fā)展面臨的問題與挑戰(zhàn)主要有以下幾個方面。
（一） 固態(tài)電池發(fā)展關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題和核心技術(shù)瓶頸亟待突破
不同于傳統(tǒng)液態(tài)電池體系，固態(tài)電池體系面臨的科學(xué)、技術(shù)問題挑戰(zhàn)更大，需要重點研究全壽命周期電芯中固固界面、熱電耦合、離子輸運、材料穩(wěn)定性、電池失效機制等問題，并形成有效的創(chuàng)新解決方案。其中，電極 / 電解質(zhì)材料之間的固固界面問題是世界級科學(xué)難題，多相界面間離子輸運路徑拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間電荷層結(jié)構(gòu)與效應(yīng)不明，缺乏定量描述，微觀機制不清晰，需進行深入系統(tǒng)研究。
（二） 固態(tài)電池關(guān)鍵材料和工藝裝備亟需突破
目前，我國雖然在固態(tài)電池領(lǐng)域采用的原位固態(tài)化技術(shù)路線率先實現(xiàn)了全球最高能量密度電芯的小規(guī)模量產(chǎn)和應(yīng)用，但核心關(guān)鍵材料和輔助材料尚未全面開發(fā)，固態(tài)電池產(chǎn)能、性能穩(wěn)定性等仍待考驗。其中，高離子電導(dǎo)率、高穩(wěn)定性、低成本的無機固態(tài)電解質(zhì)材料和聚合物電解質(zhì)材料，以及適用于全固態(tài)電池的高能量密度正負極材料等有待進一步開發(fā)和規(guī)?；慨a(chǎn)。全固態(tài)電池工藝裝備和成套工藝技術(shù)研究基本處于空白狀態(tài)，如電解質(zhì)批量生產(chǎn)制備、大面積固態(tài)電解質(zhì)薄膜連續(xù)制備、全固態(tài)電池一體化制備等技術(shù)，若要滿足我國乃至全球?qū)虘B(tài)電池的大規(guī)模應(yīng)用還面臨很大挑戰(zhàn)。
我國固態(tài)電池發(fā)展缺少國家級“產(chǎn)學(xué)研”協(xié)同創(chuàng)新合作平臺。固態(tài)電池的開發(fā)是一項系統(tǒng)工程，需要高校、科研院所和上下游企業(yè)密切合作與高效聯(lián)動。目前，我國尚未有國家級固態(tài)電池重點實驗室、技術(shù)創(chuàng)新中心或工程中心，導(dǎo)致固態(tài)電池領(lǐng)域的集群研究較少，資源分散；同時，我國大部分企業(yè)的整體技術(shù)集成度較低，實驗室科研成果的產(chǎn)業(yè)化推進過程不暢，需要進一步加速推動“產(chǎn)學(xué)研”融合。
（三） 固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨一定的市場阻力
我國目前電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀可以歸納為：中低端產(chǎn)能亟需升級，高端產(chǎn)能不足，產(chǎn)品良莠不齊，總體平均價格較低。盡管我國鋰電池總體產(chǎn)能位居世界第一，但面向高端市場、特殊應(yīng)用場景，如超長續(xù)航電動汽車、電動飛機等，現(xiàn)有中低端產(chǎn)能無法滿足未來日益增長的高比能、高安全的電池需求。此外，冗余的中低端產(chǎn)能占有大量固定資產(chǎn)，利潤率偏低，存在去產(chǎn)能和去庫存的壓力，延緩了從液態(tài)電池到固態(tài)電池的過渡；同時，大部分企業(yè)不愿意承擔(dān)決策風(fēng)險，國內(nèi)電池產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型缺乏動力。
（四） 固態(tài)電池發(fā)展亟需擺脫原材料掣肘
鋰資源作為電池生產(chǎn)的最重要原材料，其供應(yīng)穩(wěn)定性直接影響著整個電池產(chǎn)業(yè)鏈的安全和可持續(xù)發(fā)展。當(dāng)前，我國鋰資源的對外依存度較高，使得全球鋰礦供給的不穩(wěn)定性給我國電池行業(yè)的發(fā)展帶來了一定挑戰(zhàn)。雖然我國鋰資源總儲量較為豐富，且鋰礦床分布相對集中，尤其是鹽湖鋰資源豐富，但大多數(shù)鋰礦的品位不高，提煉和加工難度較大，實際開發(fā)和利用效率較低。盡管我國一些企業(yè)已經(jīng)在南美洲、澳大利亞等鋰資源儲量豐富地區(qū)進行了礦產(chǎn)資源的布局，試圖通過全球化戰(zhàn)略減少對單一市場的依賴，但鋰、鈷等關(guān)鍵電池材料的供應(yīng)依然面臨“卡脖子”的隱患。相關(guān)風(fēng)險不僅源自于資源本身的稀缺性，還受到國際市場變化、地緣政治因素以及技術(shù)壁壘的影響，特別是在當(dāng)前國際貿(mào)易環(huán)境復(fù)雜多變的背景下，確保關(guān)鍵原材料的穩(wěn)定供應(yīng)是實現(xiàn)我國固態(tài)電池自立發(fā)展的重要前提。
六、 我國固態(tài)電池發(fā)展的對策建議
（一） 堅持分步發(fā)展固態(tài)電池的總體策略
我國固態(tài)電池發(fā)展需政府、高校、科研院所以及電池企業(yè)積極協(xié)同合作，依托液態(tài)鋰離子電池現(xiàn)有優(yōu)勢和原位固態(tài)化技術(shù)，逐步實現(xiàn)全固態(tài)電池開發(fā)，率先建立固態(tài)電池設(shè)計原理和關(guān)鍵材料體系，形成固態(tài)電池自主技術(shù)體系。我國固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展路線如圖5所示。固態(tài)電池關(guān)鍵材料和制造技術(shù)的革新是實現(xiàn)從傳統(tǒng)液態(tài)電池經(jīng)原位固態(tài)化電池直至實現(xiàn)全固態(tài)電池的基礎(chǔ)。
圖5 從液態(tài)到全固態(tài)電池的技術(shù)發(fā)展路線
注：LMO表示錳酸鋰正極；LFP表示磷酸鐵鋰正極；LMFP表示磷酸錳鐵鋰正極；H-Ni表示高鎳正極；Li-rich表示富鋰正極；NaCuFeMnO表示銅鐵錳酸鈉正極；LMNO表示鎳錳酸鋰正極；OLO表示富鋰錳正極；GP表示石墨負極；GP表示石墨烯負極；SiO表示硅氧負極；Li表示金屬鋰負極。另，時間軸僅代表技術(shù)和商業(yè)化預(yù)期時間，不代表市場占有率時間表。
我國固態(tài)電池近中期（2025—2030年）發(fā)展規(guī)劃建議：以目前國內(nèi)已有的固態(tài)電池研發(fā)和量產(chǎn)能力基礎(chǔ)，通過原位固態(tài)化技術(shù)，采用新材料，改造現(xiàn)有產(chǎn)線，優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)體系，實現(xiàn)產(chǎn)品升級，提升電池的能量密度、安全性、一致性和壽命等關(guān)鍵指標，保證5~10年在技術(shù)引領(lǐng)和應(yīng)用方面處于全球領(lǐng)先地位，形成中國標準體系；同步開展全固態(tài)電池及新電池體系的前瞻性研發(fā)，為全固態(tài)電池的規(guī)?；瘧?yīng)用奠定科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)，滿足新能源汽車、電動船舶、電動航空、規(guī)模儲能、國家安全等戰(zhàn)略需求。
我國固態(tài)電池遠期（2030—2035年）發(fā)展規(guī)劃建議：在原位固態(tài)化電池技術(shù)基礎(chǔ)之上，加速全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化，進一步提升全固態(tài)電池技術(shù)成熟度和應(yīng)用領(lǐng)域，提升技術(shù)水平，降低電池全生命周期成本等要素，擴大產(chǎn)業(yè)規(guī)模和市場占有率，形成自主可控、可持續(xù)發(fā)展、綠色零碳的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，拓展更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，并擴展到極地、高寒地帶、平流層、深空等國家戰(zhàn)略特殊應(yīng)用場景，建立由我國主導(dǎo)的國際標準體系。
（二） 設(shè)立國家級固態(tài)電池發(fā)展規(guī)劃和重大科技專項
將固態(tài)電池持續(xù)納入國家重點科技發(fā)展規(guī)劃，設(shè)立固態(tài)電池研發(fā)專項，用于支撐固態(tài)電池研發(fā)機構(gòu)的技術(shù)攻關(guān)及全國科研力量的科研方向引導(dǎo)；以發(fā)展?jié)M足長續(xù)航電動汽車、電動航空、電動船舶、航空、航天、國家安全等重大戰(zhàn)略需求的先進固態(tài)電池為目標，研究制定固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展路線圖；加強基礎(chǔ)科研布局，促進前沿技術(shù)攻關(guān)，凝聚全國優(yōu)勢科研力量加快固態(tài)電池關(guān)鍵材料體系、界面構(gòu)筑、電芯設(shè)計、系統(tǒng)集成以及工程化裝備制備等共性關(guān)鍵技術(shù)和重大科學(xué)問題的突破，提高我國固態(tài)電池核心競爭力。
（三） 推動固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)機構(gòu)建設(shè)
發(fā)揮我國現(xiàn)有的固態(tài)電池研發(fā)硬件和人才基礎(chǔ)，由具備優(yōu)勢研發(fā)能力的科研院所、高校牽頭，聯(lián)合企業(yè)成立固態(tài)電池全國重點實驗室、國家工程中心、創(chuàng)新聯(lián)合體等，建設(shè)集電池技術(shù)開發(fā)、技術(shù)驗證、工程放大等于一體的研發(fā)平臺，并選擇具有豐富固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)經(jīng)驗、對我國固態(tài)電池領(lǐng)域有深刻理解的科學(xué)家來統(tǒng)籌規(guī)劃相關(guān)技術(shù)發(fā)展，力爭實現(xiàn)快速突破。同時，鼓勵引進海內(nèi)外高層次人才和研發(fā)團隊，在關(guān)鍵材料、工藝攻關(guān)、裝備制造等環(huán)節(jié)協(xié)同聯(lián)動，打通從基礎(chǔ)研究到技術(shù)放大之間的壁壘。設(shè)立重大攻堅專項用于支持聯(lián)合開發(fā)機構(gòu)的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用攻關(guān)，及時評估并提升科研成果的先進性及實用性，加速先進固態(tài)電池技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，完善固態(tài)電池知識產(chǎn)權(quán)體系建設(shè)。
（四） 促進固態(tài)電池市場化應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型
建議行業(yè)管理部門積極制定從半固態(tài)電池到全固態(tài)鋰電池的分階段產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略，加強對現(xiàn)有電池產(chǎn)業(yè)的引導(dǎo)，建設(shè)更加有序、規(guī)范的產(chǎn)業(yè)環(huán)境，在有限資源和人才的前提下，促進固態(tài)電池快速發(fā)展，搶占發(fā)展先機。通過財政補貼政策，鼓勵固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化能力建設(shè)及產(chǎn)品推廣應(yīng)用，組織固態(tài)電池在交通電氣化、設(shè)備智能化、能源低碳化等領(lǐng)域的應(yīng)用示范；加速建立固態(tài)電池全鏈條產(chǎn)品標準化體系，并在國際標準體系中形成一定的影響力，及時完善有關(guān)產(chǎn)品的目錄，提高行業(yè)準入條件，推動行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展；對初期進入市場的固態(tài)電池產(chǎn)品或企業(yè)給予認定和扶持，加快固態(tài)電池科技成果的產(chǎn)業(yè)化和市場化。
支持重點地區(qū)打造特色固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈，建立大、中、小型企業(yè)密切合作的生態(tài)系統(tǒng)，降低固態(tài)電池生產(chǎn)成本，推進企業(yè)早日實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。鼓勵和引導(dǎo)社會資本積極參與電池產(chǎn)業(yè)改革，通過稅收、信貸等手段支持推動電池企業(yè)實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級，有效解決當(dāng)前中低端產(chǎn)能問題，去除現(xiàn)有鋰離子電池庫存；重點扶持“專精特新”固態(tài)電池企業(yè)發(fā)展，培育固態(tài)電池龍頭企業(yè)。
（五） 優(yōu)化固態(tài)電池生態(tài)環(huán)境建設(shè)
針對關(guān)鍵資源豐度不足的問題，建議注重國內(nèi)鋰礦開發(fā)、鹽湖提鋰技術(shù)、退役電池關(guān)鍵材料處理和回收技術(shù)等方面的發(fā)展，形成產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)，提高鋰資源的自我供給能力。同時，在鋰資源豐富的國家和地區(qū)開展針對性的資源開發(fā)與布局，確保我國未來電池市場的平穩(wěn)發(fā)展。
加快固態(tài)電池領(lǐng)域相關(guān)標準體系建設(shè)，為產(chǎn)品質(zhì)量和市場監(jiān)管提供依據(jù)。加強固態(tài)電池領(lǐng)域知識產(chǎn)權(quán)建設(shè)和保護，鼓勵原創(chuàng)性研究和技術(shù)創(chuàng)新。相關(guān)創(chuàng)新主體要加大研發(fā)投入，對核心技術(shù)進行深入挖掘，逐漸形成基礎(chǔ)專利和多項外圍專利；進一步提高專利保護的意識和能力，對核心專利及時進行國內(nèi)外布局。此外，支持和鼓勵高校、科研院所開設(shè)固態(tài)電池相關(guān)高等教育課程及教學(xué)項目，建立產(chǎn)業(yè)學(xué)術(shù)合作項目，加強基礎(chǔ)化、實用化教育以及專業(yè)人才培養(yǎng)儲備。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。
