基于專利視角的我國新能源汽車電池技術(shù)發(fā)展研究

魏致遠(yuǎn)

（南京理工大學(xué) 知識(shí)產(chǎn)權(quán)學(xué)院，江蘇 南京 210094）

一、新能源汽車電池的發(fā)展現(xiàn)狀

（一）新能源汽車電池發(fā)展概況

中國動(dòng)力鋰電池產(chǎn)業(yè)與新能源汽車高度相關(guān)，2014年以來受國內(nèi)新能源汽車蓬勃發(fā)展的影響，動(dòng)力鋰電池裝機(jī)量出現(xiàn)爆發(fā)式增長，截至2018年，國內(nèi)動(dòng)力鋰電池裝機(jī)量高達(dá)56.89GWh，全球占比超過60%。但2019年受國內(nèi)新能源汽車負(fù)增長的不利影響，動(dòng)力鋰電池裝機(jī)量增速出現(xiàn)明顯回落，全年裝機(jī)量為62.2GWh，同比增長僅為9.3%。

從動(dòng)力鋰電池的裝機(jī)結(jié)構(gòu)來看，當(dāng)前主流的動(dòng)力鋰電池有三元鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰等技術(shù)類型。2021年上半年，三元電池裝機(jī)量為4.27GWh，占64.5%；磷酸鐵鋰電池裝機(jī)量為1.7GWh，占25.68%；錳酸鋰電池裝機(jī)量為0.07GWh，占1.06%；其他類型電池裝機(jī)量為0.58GWh，占8.76%。

從生產(chǎn)廠家來看，我國新能源汽車動(dòng)力鋰電池生產(chǎn)廠家主要集中在廣東省，在黑龍江、北京、天津、河北、河南、江蘇、福建等省市也都有分布。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國動(dòng)力鋰電池的生產(chǎn)廠家數(shù)量呈逐年下降的趨勢，一些產(chǎn)能落后的企業(yè)逐漸被市場淘汰。

（二）新能源汽車電池存在的問題

當(dāng)前新能源汽車電池主要存在以下三個(gè)方面的問題。

（1）安全性能不穩(wěn)定。由于新能源汽車采用電池作為動(dòng)力源，會(huì)不可避免地出現(xiàn)電池安全問題，如電池過熱、充電不合理而導(dǎo)致的電池壽命縮減等問題，其中比較嚴(yán)重的是電池過熱。近年來，新能源汽車自燃現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，究其原因就是其電池過熱導(dǎo)致。從原理層面而言，電池經(jīng)長時(shí)間使用，內(nèi)阻增高發(fā)熱，當(dāng)達(dá)到90℃-120℃時(shí)，電池隔膜會(huì)逐漸分解釋放熱量，溫度再次升高，隔膜熔化關(guān)閉；超過150℃時(shí)，內(nèi)部電解質(zhì)分解，繼續(xù)釋放出熱量；超過200℃時(shí)，正極材料分解，不僅會(huì)釋放熱量，還會(huì)釋放氣體，并呈現(xiàn)持續(xù)升溫狀態(tài)；超過300℃時(shí)，嵌鋰態(tài)負(fù)極和電解液之間出現(xiàn)一定的化學(xué)反應(yīng)，尤其是氧氣劇烈反應(yīng)，極易引發(fā)熱失控現(xiàn)象［1］。

（2）續(xù)航能力較弱。新能源汽車的續(xù)航能力是制約其發(fā)展的一大問題。相較于燃油車，新能源汽車的運(yùn)行里程往往較短。但隨著電池技術(shù)的發(fā)展，新能源汽車的續(xù)航能力不斷提升。例如，當(dāng)前寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司的一款鋰電池可實(shí)現(xiàn)2000公里續(xù)航，該電池通過抑制鋰電池充放電環(huán)節(jié)的負(fù)反應(yīng)，延長了電池的使用壽命，并且可與其他的三元鋰電池及磷酸鐵鋰電池通用［2］。

（3）充電速度較慢。與燃油車相比，目前新能源汽車充電速度明顯慢于燃油車的加油速度。新能源汽車在行駛一段時(shí)間后，往往需要花費(fèi)幾小時(shí)充電，與燃油車加滿燃油僅需幾分鐘相比，新能源汽車的劣勢較為明顯［3］。解決這個(gè)問題的方法有兩種，一是提高充電樁的數(shù)量；二是提高充電效率。

（三）新能源汽車電池技術(shù)概述

新能源汽車電池主要由四種材料組成，分別是正極、負(fù)極、隔膜、電解液［4］。隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的變革，部分企業(yè)的產(chǎn)業(yè)布局已從整車生產(chǎn)向上游電池及電芯材料方向延伸，位于動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)上游的材料廠商也迎來了發(fā)展機(jī)遇。

得益于國內(nèi)新能源汽車的高速發(fā)展，我國正極材料產(chǎn)量快速增長，已成為全球正極材料的第一大供應(yīng)國。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國正極材料出貨量占全球正極材料出貨量的40%以上，復(fù)合增長率在30%左右，保持良好的增長勢頭。

從專利的角度對(duì)鋰離子電池進(jìn)行研究，可以更直觀地了解當(dāng)前全球新能源汽車電池的發(fā)展?fàn)顩r。通過對(duì)全球鋰離子電池三元材料專利進(jìn)行檢索，共檢索到11630件鋰離子電池三元材料專利，專利數(shù)據(jù)檢索日期從1980年1月1日始，截至2020年8月30日。其中，中國專利7216件，美國專利1334件，韓國專利1027件，日本專利640件，歐洲專利局專利389件，世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利565件。從數(shù)量上來看，我國鋰電池專利數(shù)量位居全球第一，但從研發(fā)時(shí)間和技術(shù)新穎性的角度看，我國僅有如寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司等少數(shù)幾家企業(yè)的科技水平較為領(lǐng)先。

二、專利視角下鋰電池材料技術(shù)研究

（一）正極材料

正極材料是鋰離子電池的核心，占鋰電池總成本的35%-55%。正極材料在鋰離子電池充放電中提供大量自由脫嵌的鋰離子，其性能直接影響著鋰離子電池的工作電壓、比能量和循環(huán)壽命等電化學(xué)性能，正極材料也直接決定了電池的成本。

正極材料主要有鈷酸鋰、鎳酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料等，其中磷酸鐵鋰和三元材料逐漸成為市場的主流。

鋰離子電池三元層狀正極材料相對(duì)于單一組分層狀材料如鈷酸鋰、鎳酸鋰和錳酸鋰，具有放電容量大、循環(huán)性能好等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有良好應(yīng)用前景的正極材料。廣義上，三元材料還包括鎳鈷鋁系三元材料、多元層狀材料等［5］。相較于二元鋰電池，三元鋰電池的續(xù)航能力較強(qiáng)，充電速度較快，因此三元鋰電池占據(jù)的市場份額越來越大［6］。

正極材料的專利申請(qǐng)目前呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢，并且正極材料的開發(fā)較早，在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)有了相應(yīng)的專利產(chǎn)出。

研究數(shù)據(jù)顯示，正極材料的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：一是2000年之前的萌芽期。正極材料處于技術(shù)摸索階段，并且技術(shù)專利主要集中在日本和美國。最早的正極材料主要涉及制備方法及材料改性手段，如日本電池株式會(huì)社于1997年9月9日申請(qǐng)的專利JPH9237631A，主要采用共沉淀法制備［7］；日本中央電氣工業(yè)株式會(huì)社于1999年11月5日申請(qǐng)了專利JPH11307094A，采用共沉淀法制備陽離子摻雜的NiCoMn三元材料［8］。2001年美國IIion Technology公司申請(qǐng)了專利EP1189296A2且優(yōu)先權(quán)日為2000年9月14日，該專利采用固相法制備NiCoMn三元材料，從而使三元材料的制備方法從共沉淀法擴(kuò)展到固相法［9］。隨后，開始出現(xiàn)原子摻雜改性三元材料的申請(qǐng)，如2000年12月11日申請(qǐng)的專利JP2002184402AF，采用原子摻雜改性的技術(shù)手段，成為改性三元材料的重要手段［10］。二是2000—2010年專利申請(qǐng)量的平穩(wěn)增長期。日本、韓國和美國的專利申請(qǐng)量在此階段增長迅速，專利申請(qǐng)量主要來源于三元材料的改性技術(shù)領(lǐng)域。三是2010年之后，鋰電池三元材料專利進(jìn)入快速增長期，材料的制備與改性技術(shù)已經(jīng)基本完善，大量的公司進(jìn)入該領(lǐng)域，三元材料及多元材料的研究方法不斷推陳出新，如溶膠-凝膠法、溶液相法、磁場信號(hào)發(fā)生法、微波法、水熱法、模板法、高壓合成法、靜電紡絲法等，將三元材料及多元材料的制備工藝推向了一個(gè)新的發(fā)展階段［11］。

國內(nèi)鋰電池正極材料專利中，湖南妙盛汽車電源有限公司以196件的申請(qǐng)量位居榜首，同時(shí)在所有企業(yè)中關(guān)于鋰電池正極材料的專利申請(qǐng)量排名第一；合肥國軒高科動(dòng)力能源有限公司位居第二，擁有154件鋰電池正極材料相關(guān)專利。國內(nèi)排名前10位的專利申請(qǐng)人中，從申請(qǐng)人類型來看，僅有中南大學(xué)1家高?？蒲性核溆?家均為企業(yè)，并且企業(yè)申請(qǐng)人也以能源公司為主。由此可以得出結(jié)論，國內(nèi)正極材料申請(qǐng)比較分散，行業(yè)集中度較低。

（二）負(fù)極材料

負(fù)極材料是電池在充電過程中鋰離子和電子的載體，起著能量儲(chǔ)存與釋放的作用。在電池成本中，負(fù)極材料約占5%-15%，是鋰離子電池的重要原材料之一［12］。

通過對(duì)全球鋰離子電池負(fù)極材料專利進(jìn)行檢索，共檢索到13210件鋰離子電池負(fù)極材料專利，專利數(shù)據(jù)檢索日期從1980年1月1日始，截至2020年8月30日。其中，中國專利4520件，日本專利2912件，美國專利1897件，韓國專利1729件，歐洲專利局專利1055件，世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利498件。

對(duì)國外負(fù)極材料專利申請(qǐng)趨勢分析發(fā)現(xiàn)，國外鋰電池負(fù)極材料研究較早，于20世紀(jì)80年代起就有相關(guān)專利產(chǎn)出，但數(shù)量較少，此時(shí)處于技術(shù)萌芽期。鋰離子電池1992年經(jīng)日本Sony公司商業(yè)化后便開始迅速發(fā)展，鋰電池負(fù)極材料的關(guān)鍵技術(shù)得到突破，出現(xiàn)了一批較高質(zhì)量的專利申請(qǐng)，1992—2000年，鋰離子電池的專利申請(qǐng)基本上都出自日本，獨(dú)占整個(gè)鋰離子電池市場，此時(shí)鋰電池負(fù)極材料處于平穩(wěn)增長期。2000年以后，中國對(duì)新能源汽車的發(fā)展給予了極大的政策支持，負(fù)極材料專利申請(qǐng)量不斷增長。隨著我國對(duì)負(fù)極材料科研投入的加大，負(fù)極材料專利申請(qǐng)數(shù)量大幅增長，鋰電池負(fù)極材料領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量進(jìn)入快速增長階段。我國在鋰離子電池負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)化方面具有一定的優(yōu)勢，電池產(chǎn)業(yè)鏈從原料開采、電極材料生產(chǎn)、電池制造和回收等環(huán)節(jié)比較完整［13］。

在國內(nèi)負(fù)極材料的申請(qǐng)人方面，主要以高校為主，說明負(fù)極材料已經(jīng)得到廣泛研究。

（三）電解液

目前商業(yè)化使用的電解質(zhì)主要為有機(jī)液體電解質(zhì)，包括溶劑、溶質(zhì)及添加劑。有機(jī)液體電解質(zhì)性能的改進(jìn)主要是針對(duì)溶劑、溶質(zhì)及添加劑三個(gè)組分各自性能的改進(jìn)［14］。

從電解液專利數(shù)量來看，中國的專利申請(qǐng)量最多，有6952件，占全球?qū)＠暾?qǐng)量的38.81%，在全球有著絕對(duì)的領(lǐng)先地位。重點(diǎn)申請(qǐng)人比亞迪股份有限公司、寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司、張家港市國泰華榮化工新材料有限公司、深圳新宙邦科技股份有限公司等鋰電池研究技術(shù)領(lǐng)先的機(jī)構(gòu)的專利申請(qǐng)量在中國鋰電池電解液材料的專利申請(qǐng)中有著明顯的優(yōu)勢。通過對(duì)全球?qū)＠暾?qǐng)量趨勢分析及鋰電池電解液材料發(fā)展歷史可以看出，中國的鋰電池電解液材料專利申請(qǐng)主要集中在2009年之后，隨著鋰電池在電力驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的快速發(fā)展，國內(nèi)如廣東、江蘇、浙江等省份的鋰電池電極液材料專利申請(qǐng)進(jìn)入了快速增長階段，鋰電池電解質(zhì)材料專利申請(qǐng)也隨之大幅增長。其中，美國專利申請(qǐng)共有3553件，占全球?qū)＠暾?qǐng)量的19.83%；韓國專利申請(qǐng)共有2638件，占全球?qū)＠暾?qǐng)量的14.73%；日本共有1923件專利，占全球?qū)＠暾?qǐng)量的10.73%。

從電解液專利質(zhì)量來看，國內(nèi)專利申請(qǐng)量排名前10名的申請(qǐng)人分別為比亞迪股份有限公司、寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司、中南大學(xué)、張家港市國泰華榮化工新材料有限公司、深圳新宙邦科技股份有限公司、華南師范大學(xué)、合肥國軒高科動(dòng)力能源有限公司、東莞市杉杉電池材料有限公司、東莞新能源科技有限公司、海洋王照明科技股份有限公司。除中南大學(xué)和華南師范大學(xué)外，其余申請(qǐng)人類型均為企業(yè)。可以看出，我國高校對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)的理論研究不深，成果轉(zhuǎn)化率不高。

（四）隔膜

鋰電池的結(jié)構(gòu)中，隔膜是關(guān)鍵的內(nèi)層組件之一，占鋰電池總成本的5%-15%。隔膜的性能決定了電池的界面結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等，直接影響電池的容量、循環(huán)及安全性能等，性能優(yōu)異的隔膜對(duì)提高電池的綜合性能具有重要的作用［15］。由于隔膜具備較高的技術(shù)壁壘，目前國產(chǎn)隔膜與進(jìn)口隔膜在性能上還存在較大的差距，導(dǎo)致國內(nèi)隔膜市場大部分需要進(jìn)口，尤其是高端隔膜基本上依靠進(jìn)口。

目前，商品化鋰離子動(dòng)力電池中使用的隔膜材料主要是微孔的聚烯烴類薄膜，如聚乙烯、聚丙烯的單層或多層復(fù)合膜。其中，聚烯烴多層鋰電池隔膜由于其可靠性和一致性更優(yōu)，主要用于動(dòng)力鋰電池等高端領(lǐng)域。

對(duì)全球鋰電池隔膜專利數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索分析，共檢索到專利9799件，其中國內(nèi)5648件，國外4151件。

從隔膜專利申請(qǐng)的數(shù)量來看，中國大陸地區(qū)專利申請(qǐng)量最多，共有5648件，申請(qǐng)量占57.64%，位于全球申請(qǐng)量第1位；韓國位居第二，共有1217件相關(guān)專利，占12.42%；日本相關(guān)專利977件，占9.97%；美國相關(guān)專利949件，占9.68%。由此可以看出，中韓日美占全球申請(qǐng)量的89.71%，是該領(lǐng)域的創(chuàng)新主體。

從隔膜專利申請(qǐng)人的數(shù)量來看，比亞迪公司擁有的隔膜專利最多，在該領(lǐng)域的專利布局也較為完善。此外，在這些專利申請(qǐng)人中，有三所高校異軍突起。清華大學(xué)、中南大學(xué)和浙江大學(xué)在鋰電池隔膜專利中有較深入的研究。此外，國軒高科，星源材質(zhì)公司在該領(lǐng)域也有相關(guān)的專利布局。

三、我國新能源汽車電池技術(shù)發(fā)展分析

（一）優(yōu)勢

隨著經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程的加快，越來越多的國家選擇將其制造業(yè)外移，這對(duì)我國是一個(gè)巨大商機(jī)。我國在一些重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域，如動(dòng)力鋰電池原材料（電解液、隔膜）分支上具有較強(qiáng)的競爭優(yōu)勢。

由于動(dòng)力鋰電池技術(shù)分支較為明確，專利申請(qǐng)較為集中，我國在高性能電池材料、高性能鋰離子動(dòng)力電池、高性能電池包、電池管理系統(tǒng)、熱管理、電池標(biāo)準(zhǔn)體系、下一代鋰離子動(dòng)力電池、鋰金屬電池、電池梯級(jí)利用及回收技術(shù)、電池生產(chǎn)制造技術(shù)及裝備等方面具有一定的基礎(chǔ)發(fā)展前景較好。

（二）劣勢

1.國外企業(yè)掌握較多基礎(chǔ)專利和核心專利技術(shù)

在動(dòng)力鋰電池領(lǐng)域，日本、韓國、美國、德國、歐洲專利局和世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織起步較早，掌握大量的基礎(chǔ)專利和核心專利技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)；在核心專利這塊，國內(nèi)的專利申請(qǐng)?jiān)跀?shù)量和質(zhì)量上均處于劣勢。對(duì)于新的類別助劑的開發(fā)存在較大的技術(shù)難度。

2.專利文本質(zhì)量有待提高

隨機(jī)選取2021年授權(quán)的12件發(fā)明專利，對(duì)比公開文本和授權(quán)文本之間的差別（見表1），可以看到，大部分公開文本要求兩項(xiàng)以下獨(dú)立權(quán)利要求，在授權(quán)時(shí)減少為一項(xiàng)，由產(chǎn)品和方法的權(quán)利要求減為方法權(quán)利要求，一方面說明用此方法生產(chǎn)的產(chǎn)品并無較大創(chuàng)新；另一方面，由于方法的權(quán)利要求通常維權(quán)較為困難，對(duì)于創(chuàng)新的保護(hù)較弱。部分獨(dú)權(quán)中的技術(shù)特征增加，進(jìn)行了縮限性修改，保護(hù)范圍縮小，從實(shí)質(zhì)上對(duì)市場壟斷作用減小。

表1 2021年我國新能源汽車電池專利技術(shù)樣本

我國新能源企業(yè)也涉及一部分出口，在我國“一帶一路”倡議下，部分企業(yè)的產(chǎn)品出口具有一定規(guī)模，但對(duì)于出口國的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)還需進(jìn)一步完善，目前整體的市場布局作用仍然較弱，知識(shí)產(chǎn)權(quán)對(duì)于產(chǎn)品創(chuàng)新和企業(yè)發(fā)展的支撐作用還未呈現(xiàn)。

通過對(duì)幾個(gè)有競爭實(shí)力的公司的研究發(fā)現(xiàn)，每個(gè)公司的發(fā)展都有其過硬的核心技術(shù)做后盾，而這些核心技術(shù)解決了市場上的技術(shù)難題。各個(gè)公司依靠其核心技術(shù)，如動(dòng)力鋰電池的熱管理系統(tǒng)、動(dòng)力鋰電池的BMS管理系統(tǒng)及電池組的生產(chǎn)工藝與設(shè)備等，不斷推陳出新，占據(jù)更多的市場份額，引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展方向。通過研究全球領(lǐng)域國內(nèi)外動(dòng)力鋰電池專利申請(qǐng)情況，分析當(dāng)前動(dòng)力鋰電池的專利布局，為國內(nèi)動(dòng)力鋰電池的研發(fā)提供思路。