丰田在全固态电池专利领域具有压倒性优势

本文审查了1997年至2017年发布的环保汽车电池相关专利的日本国内备案情况。丰田汽车公司共有2434篇专利（包括丰田中央研究院和丰田工业公司，丰田单独有2094件），较其他公司，丰田汽车具有压倒性优势（图1（a））。

注1）环保车电池主要指用于电动车，燃料电池车，混合动力车的电池。原则上，专利申请后1年零六个月才会公布，因此本文所讨论趋势是基于截至2015年所申请的专利为基础。本文中全固态电池的定义是使用以无机物为主要成分的固体电解质电池。

从丰田申请专利的详情来看，2006年开始面向环保汽车电池的相关申请中，全固态电池的比例逐渐升高，特别是2010年以后达到了半数以上（图1（b））。从2012年开始整体缩小了环保汽车电池的申请范围，开发资源集中在全固态电池上。

图1丰田在环保汽车电池的专利申请数量上绝对领先（a）汽车制造商针对环保汽车电池的相关专利数量。（b）自2010年以来，丰田限制了申请数量。（图片来源于Smart Works，下同）。

进一步确认2015年申请专利发明人人数的话，环保汽车整体共有115人，而固态电池相关有111人，而两个主题中重复的发明人仅有1人。根据发明人的数量可以推断，全固态电池至少引进了100多名开发人员，且开发部门与开发主题明确分类。

丰田公司对全固态电池的开发姿态不仅限于国内的专利申请，在欧美以及亚洲的申请趋势来看专利数量同样领先（表1）。可以推断，丰田公司的目标是在全球形成专利权。

表1 2007〜2017年日本国内及海外所有固体电池相关专利的申请公司与申请数量，海外数据基于WIPO Patents cope。

首先是地道的材料开发

丰田公司在全固态电池相关专利申请中最为常见的技术要素关键词是固体电解质，正极活性材料，负极活性材料（图2（a））。可以推断，丰田稳步开展了一系列与电池基本性能（如容量密度和输入/输出特性等）相关的材料开发工作，注2）。在固体电解质方面，硫化物系固体电解质的专利数量最多，目前来看很有可能丰田认为这是正解。

图2丰田全固态电池专利特征以及共同备案的合作公司。（a）丰田专注于提高电池基本性能的专利申请。（B）公司的共同备案申请机构，包括产业技术综合研究所，静冈大学，东京大学，名古屋工业大学，滋贺县立大学，大阪大学等等。共同拥有专利时期将根据专利申请情况来进行确认。

注2）丰田公司还申请了其他电池结构，批量生产，电池控制等的相关专利。与量产等有关的专利申请随着今后开发的进展可能呈现增加的趋势。或者也有可能不会亲自开发。

专利联合申请情况也显示了丰田公司一直在摸索材料开发的状态。联合申请机构多为高校或者国家的科研院所，合作开发固体电解质，负极，正极等等材料（图2（b））。

基于硫化物的全固态电池，由于会产生硫化氢（H2S）气体面临着安全性方面的问题。描述气体对策方法的专利截至2017年12月目前确认了约有10份申请，相对申请案件的专利总数来看占比很少。由此来看针对安全对策的全面开发预计今后才能展开，但从目前的申报状态来看至少有三个对策方向。注3）

注3）3个方向如下：1）抑制硫化氢气体的生成本身。例如可以减少气体产生的硫化物固体电解质材料，以及用于抑制气体产生的盐基性添加剂材料等；2）不让气体逸出的相关结构，例如赋予在电解质层之间捕获硫化氢功能的方法等；3）控制气体产生量。例如气体产生监测结构，温升与产气量的关系，温度控制等。

除了丰田，从专利申请趋势来看松下集中在2次电池，日产寄望于2次电池及电极技术开发，而本田重视燃料电池（图3（a））。此外，NGK，精工爱普生，TDK，富士胶片等近年来也都在积极拓展全固态电池的专利。

（图3（b））推测了包含全固态电池专利数第2位的出光兴产（Idemitsu Kosan）在内的各家公司的预期用途。

图3：丰田在燃料电池的相关专利依然领先，超过了重视燃料电池的本田。（a）松下包含了三洋电机。（b）出光兴产的专利关于硫化物固体电解质方面特别多。

丰田的目标是引领全固体电池开发，使之成为电动汽车的基础设备

关于全固态电池，魅力就在于其高能量密度与高安全性。对于后者，为了安全性而安装的各种装置例如冷却单元和电池监视单元，在固态电池上都有可能实现比现有的液态锂离子二次电池更精益（更简化），我们预期固态电池在这些方面潜力巨大，正在推动开发。当然包含生产在内的课题也有很多，所以对全固态电池的规划是非常积极的，但目前我们还处在朝着规划努力的阶段，2022年推出搭载全固态电池的量产车，这不是我们说的，而是为了提高包含电池在内的所有关联企业的积极性而设置的1个目标。从现在开始计算至2022年还有4~5年的时间，要实现量产的相关技术可以说是一个非常高的跨栏。丰田汽车动力总成开发统括部长安部静生先生表示（图C-1）。

像丰田这样，对全固态电池研发投入压倒性多的开发资源，并在拥有2012年推出小型电动汽车（EV）EQ的经验，但是即使对于这样的丰田来说，实现搭载全固态电池的EV量产化依然存在堆积如山的课题。

图c-1 将在HEV汽车上过去20年的开发/量产的经验积累用在EV上。

丰田公司最初将搭载的全固态电池，就是容易产生硫化氢气体的硫化物系全固态电池。车辆事故中，如何抑制硫化氢气体产生的技术尚未确立的时候，丰田竟然就宣布在量产车上搭载硫化物系全固态电池，简直无法置信。竞争对手汽车公司的某电池技术人员指出。

电池以外也有安全对策

丰田在现有混合动力车（HV）中的安全措施是解决上述难题的线索。丰田不仅是考虑电池，而是考虑了结合各种外围技术的多重安全对策。例如，普瑞斯从第1代（1997年上市）到最新款（2015年上市），就可以通过监测电压，电流和温度，控制汽车不落入危险模式中。在第2代汽车搭载的镍氢电池组Pack上，还导入了在电池Pack的树脂框体上粘贴金属（Al）箔的技术，使得充电即使产生氢气，气体也无法泄露到Pack外。丰田公司可能会以类似的想法处理硫化物的问题。

丰田在2017年11月底，面向新闻媒体宣布关于EV，HEV，PHEV，燃料电池汽车（FCV）的汽车电动技术时，强调了在电池之外的核心技术上超过20年的技术积累。例如使用功率半导体的功率控制单元或者电机等的核心技术在EV汽车上同样适用。这些HV经验的活用使得全固态电池可以在安全操作模式下发挥机能。

瞄准全固态电池早期的低成本化

丰田似乎旨在加速超越行业界限的全固态电池的开发。电池是典型的设备（重资产）行业，相当多的汽车制造商也认为有必要共同瞄准全球大量使用同一型号电池。因此针对电池，丰田无法瞄准丰田1家自制生产或是丰田集团内部单独使用，需要更广泛一些的行业合作。实际上，目前我们已经使用了松下的电池，今后可能还需要更进一步的扩展合作（安倍先生）。

为了推广新型的全固态电池进入市场，丰田坚持即使价格很高，也先推出去再说。一代代走来，普瑞斯所采用的电池逐步实现了小型化与高性能化（图C-1（d）（e））。低成本化也在推进当中，长期来看，各地（制造商）都能够逐步制造出（全固态电池）（安倍先生）。换句话说，（丰田）希望使以全固态电池为首的电动汽车用电池变成类似窗玻璃一样的材料（上述汽车制造商技术人员）。如果真的变成那样，则丰田获得的全固态电池相关专利将被更广泛地应用于行业。

松下也加强了全固态电池的开发

向丰田提供HV蓄电池的松下公司，在2017年11月底的新闻和证券分析师简报会上，宣布了将投入开发包括全固态电池在内的新型电池的想法图C-3）。 以前松下就有开发替代现有液态锂离子电池的创新型储能电池，但是这次，松下将全固态电池与其他电池进行了分开说明。松下将其他电池称为新原理电池。具体而言，包含多价离子电池，Li空气电池、阴离子移动型电池等等。同时多价离子电池可以例举（镁）电池，阴离子移动型电池可以列举氟离子电池等。无论哪一种，理论体积能量密度均大于液态锂离子电池。

图c-3 松下投入下一代电池研发，2017年11月29日，松下公司高级常务执行官CTO宫部义幸先生等针对松下公司的主力投入技术进行了解说。

松下将专注于锂离子电池的高性能化，在前沿技术研发上继续发展相当于现有电池2倍（密度）电池的材料开发。同时，在代表将来方向的全固态电池研发上也会投入大量的开发资源。但是，他表示，松下目前还没有将事业方向完全限定在提前商业化下一代电池上。

不管开发哪一款新型电池，松下看起来都在材料开发上面掌握独门秘籍，而松下也计划继续发挥其在材料开发方面的独特优势。其中优势之一就是通过材料技术人员与AI（人工智能）技术人员合作开发新材料的材料信息学开发方法的活用。通过人工智能分析二次电池研究和开发中超过50年积累的材料数据（实验结果，学术论文，模拟结果等），探索新材料。它旨在将开发有效材料所需的时间减半。此外，还进一步列举了松下针对电池的分析和评估技术（图C-3（c）），可以实时显示正电极上Li离子的行为。松下有可能在短时间内发现提高容量密度，输出功率，安全性的材料和制造条件。