【前瞻技術】豐田在全固態電池專利領域具有壓倒性優勢（四）

引言：本篇通過專利信息調查了汽車關聯企業的2次電池開發趨勢。日經雜誌邀請具有高科技領域專利研究優勢的smart works公司進行了分析，從結論來看豐田公司在全固態電池專利申請領域佔據絕對優勢。

本文審查了1997年至2017年發布的「環保汽車電池」相關專利的日本國內備案情況。豐田汽車公司共有2434篇專利（包括豐田中央研究院和豐田工業公司，豐田單獨有2094件），較其他公司，豐田汽車具有壓倒性優勢（圖1（a））。

注1）環保車電池主要指用於電動車，燃料電池車，混合動力車的電池。原則上，專利申請後1年零六個月才會公布，因此本文所討論趨勢是基於截至2015年所申請的專利為基礎。本文中「全固態電池」的定義是「使用以無機物為主要成分的固體電解質電池」。

從豐田申請專利的詳情來看，2006年開始面向環保汽車電池的相關申請中，全固態電池的比例逐漸升高，特別是2010年以後達到了半數以上（圖1（b））。從2012年開始整體縮小了環保汽車電池的申請範圍，開發資源集中在全固態電池上。

圖1豐田在環保汽車電池的專利申請數量上絕對領先（a）汽車製造商針對環保汽車電池的相關專利數量。（b）自2010年以來，豐田限制了申請數量。（圖片來源於Smart Works，下同）。

進一步確認2015年申請專利發明人人數的話，環保汽車整體共有115人，而固態電池相關有111人，而兩個主題中重複的發明人僅有1人。根據發明人的數量可以推斷，全固態電池至少引進了100多名開發人員，且開發部門與開發主題明確分類。

豐田公司對全固態電池的開發姿態不僅限於國內的專利申請，在歐美以及亞洲的申請趨勢來看專利數量同樣領先（表1）。可以推斷，豐田公司的目標是在全球形成專利權。

表1 2007?2017年日本國內及海外所有固體電池相關專利的申請公司與申請數量，海外數據基於「WIPO Patents cope」。

首先是地道的材料開發

豐田公司在全固態電池相關專利申請中最為常見的技術要素關鍵詞是「固體電解質」，「正極活性材料」，「負極活性材料」（圖2（a））。可以推斷，豐田穩步開展了一系列與電池基本性能（如容量密度和輸入/輸出特性等）相關的材料開發工作，注2）。在固體電解質方面，硫化物系固體電解質的專利數量最多，目前來看很有可能豐田認為這是正解。

圖2豐田全固態電池專利特徵以及共同備案的合作公司。（a）豐田專註於提高電池基本性能的專利申請。（B）公司的共同備案申請機構，包括產業技術綜合研究所，靜岡大學，東京大學，名古屋工業大學，滋賀縣立大學，大阪大學等等。共同擁有專利時期將根據專利申請情況來進行確認。

注2）豐田公司還申請了其他電池結構，批量生產，電池控制等的相關專利。與量產等有關的專利申請隨著今後開發的進展可能呈現增加的趨勢。或者也有可能不會親自開發。

專利聯合申請情況也顯示了豐田公司一直在摸索材料開發的狀態。聯合申請機構多為高校或者國家的科研院所，合作開發固體電解質，負極，正極等等材料（圖2（b））。

基於硫化物的全固態電池，由於會產生硫化氫（H2S）氣體面臨著安全性方面的問題。描述氣體對策方法的專利截至2017年12月目前確認了約有10份申請，相對申請案件的專利總數來看佔比很少。由此來看針對安全對策的全面開發預計今後才能展開，但從目前的申報狀態來看至少有三個對策方向。注3）

注3）3個方向如下：1）抑制硫化氫氣體的生成本身。例如可以減少氣體產生的硫化物固體電解質材料，以及用於抑制氣體產生的鹽基性添加劑材料等；2）不讓氣體逸出的相關結構，例如賦予在電解質層之間捕獲硫化氫功能的方法等；3）控制氣體產生量。例如氣體產生監測結構，溫升與產氣量的關係，溫度控制等。

除了豐田，從專利申請趨勢來看松下集中在2次電池，日產寄望於2次電池及電極技術開發，而本田重視燃料電池（圖3（a））。此外，NGK，精工愛普生，TDK，富士膠片等近年來也都在積極拓展全固態電池的專利。

（圖3（b））推測了包含全固態電池專利數第2位的出光興產（Idemitsu Kosan）在內的各家公司的預期用途。

圖3：豐田在燃料電池的相關專利依然領先，超過了重視燃料電池的本田。（a）松下包含了三洋電機。（b）出光興產的專利關於硫化物固體電解質方面特別多。

豐田的目標是引領全固體電池開發，使之成為電動汽車的「基礎設備」

「關於全固態電池，魅力就在於其高能量密度與高安全性。對於後者，為了安全性而安裝的各種裝置例如冷卻單元和電池監視單元，在固態電池上都有可能實現比現有的液態鋰離子二次電池更精益（更簡化），我們預期固態電池在這些方面潛力巨大，正在推動開發。當然包含生產在內的課題也有很多，所以對全固態電池的「規劃」是非常積極的，但目前我們還處在朝著規劃努力的階段「，」2022年推出搭載全固態電池的量產車，這不是我們說的，而是為了提高包含電池在內的所有關聯企業的積極性而設置的1個目標。從現在開始計算至2022年還有4~5年的時間，要實現量產的相關技術可以說是一個非常高的跨欄。」豐田汽車動力總成開發統括部長安部靜生先生表示（圖C-1）。

像豐田這樣，對全固態電池研發投入壓倒性多的開發資源，並在擁有2012年推出小型電動汽車（EV）「EQ」的經驗，但是即使對於這樣的豐田來說，實現搭載全固態電池的EV量產化依然存在堆積如山的課題。

圖c-1 將在HEV汽車上過去20年的開發/量產的經驗積累用在EV上。

豐田公司最初將搭載的全固態電池，就是容易產生硫化氫氣體的硫化物系全固態電池。「車輛事故中，如何抑制硫化氫氣體產生的技術尚未確立的時候，豐田竟然就宣布在量產車上搭載硫化物系全固態電池，簡直無法置信。」競爭對手汽車公司的某電池技術人員指出。

電池以外也有安全對策

豐田在現有混合動力車（HV）中的安全措施是解決上述難題的線索。豐田不僅是考慮電池，而是考慮了結合各種外圍技術的多重安全對策。例如，普瑞斯」從第1代（1997年上市）到最新款（2015年上市），就可以通過監測電壓，電流和溫度，控制汽車不落入危險模式中。在第2代汽車搭載的鎳氫電池組Pack上，還導入了在電池Pack的樹脂框體上粘貼金屬（Al）箔的技術，使得充電即使產生氫氣，氣體也無法泄露到Pack外。豐田公司可能會以類似的想法處理硫化物的問題。

豐田在2017年11月底，面向新聞媒體宣布關於EV，HEV，PHEV，燃料電池汽車（FCV）的「汽車電動技術」時，強調了在電池之外的核心技術上超過20年的技術積累。例如使用功率半導體的功率控制單元或者電機等的核心技術在EV汽車上同樣適用。這些HV經驗的活用使得全固態電池可以在安全操作模式下發揮機能。

瞄準全固態電池早期的低成本化

豐田似乎旨在加速超越行業界限的全固態電池的開發。「電池是典型的設備（重資產）行業，相當多的汽車製造商也認為有必要共同瞄準全球大量使用同一型號電池。因此針對電池，豐田無法瞄準豐田1家自製生產或是豐田集團內部單獨使用，需要更廣泛一些的行業合作。實際上，目前我們已經使用了松下的電池，今後可能還需要更進一步的擴展合作「（安倍先生）。

為了推廣新型的全固態電池進入市場，豐田堅持「即使價格很高，也先推出去再說。」一代代走來，普瑞斯所採用的電池逐步實現了小型化與高性能化（圖C-1（d）（e））。低成本化也在推進當中，長期來看，「各地（製造商）都能夠逐步製造出（全固態電池）」（安倍先生）。換句話說，「（豐田）希望使以全固態電池為首的電動汽車用電池變成類似」窗玻璃「一樣的「材料」（上述汽車製造商技術人員）。如果真的變成那樣，則豐田獲得的全固態電池相關專利將被更廣泛地應用於行業。

圖c-2 豐田地發表大受關注

豐田的全固體電池學術演講中觀眾爆棚。圖為在福岡市召開的學術會議「電池討論會」（2017年11月14日?16日）上，豐田發表氧化物系全固態電池時的盛況（圖C-2）。

松下也加強了全固態電池的開發

向豐田提供HV蓄電池的松下公司，在2017年11月底的新聞和證券分析師簡報會上，宣布了將投入開發包括全固態電池在內的新型電池的想法圖C-3）。 以前松下就有開發替代現有液態鋰離子電池的「創新型儲能電池」，但是這次，松下將全固態電池與其他電池進行了分開說明。松下將其他電池稱為「新原理電池」。具體而言，包含多價離子電池，Li空氣電池、陰離子移動型電池等等。同時多價離子電池可以例舉（鎂）電池，陰離子移動型電池可以列舉氟離子電池等。無論哪一種，理論體積能量密度均大於液態鋰離子電池。

圖c-3 松下投入下一代電池研發，2017年11月29日，松下公司高級常務執行官CTO宮部義幸先生等針對松下公司的主力投入技術進行了解說。

「松下將專註於鋰離子電池的高性能化，在前沿技術研發上繼續發展相當於現有電池2倍（密度）電池的材料開發。同時，在代表將來方向的全固態電池研發上也會投入大量的開發資源「。但是，他表示，松下目前還沒有將事業方向完全限定在提前商業化「下一代電池」上。

不管開發哪一款新型電池，松下看起來都在材料開發上面掌握獨門秘籍，而松下也計劃繼續發揮其在材料開發方面的獨特優勢。其中優勢之一就是通過材料技術人員與AI（人工智慧）技術人員合作開發新材料的「材料信息學「開發方法的活用。通過人工智慧分析二次電池研究和開發中超過50年積累的材料數據（實驗結果，學術論文，模擬結果等），探索新材料。它旨在將開發有效材料所需的時間減半。此外，還進一步列舉了松下針對電池的分析和評估技術（圖C-3（c）），可以實時顯示正電極上Li離子的行為。松下有可能在短時間內發現提高容量密度，輸出功率，安全性的材料和製造條件。

本文系日經電子期刊2018年1月刊登的關於全固態電池開發的專題報道，由NE研究院編譯完成，因為文章太長NE研究院略有刪減。

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