基于专利视角的我国新能源汽车电池技术发展研究

魏致远

（南京理工大学 知识产权学院，江苏 南京 210094）

一、新能源汽车电池的发展现状

（一）新能源汽车电池发展概况

中国动力锂电池产业与新能源汽车高度相关，2014年以来受国内新能源汽车蓬勃发展的影响，动力锂电池装机量出现爆发式增长，截至2018年，国内动力锂电池装机量高达56.89GWh，全球占比超过60%。但2019年受国内新能源汽车负增长的不利影响，动力锂电池装机量增速出现明显回落，全年装机量为62.2GWh，同比增长仅为9.3%。

从动力锂电池的装机结构来看，当前主流的动力锂电池有三元锂、磷酸铁锂、锰酸锂等技术类型。2021年上半年，三元电池装机量为4.27GWh，占64.5%；磷酸铁锂电池装机量为1.7GWh，占25.68%；锰酸锂电池装机量为0.07GWh，占1.06%；其他类型电池装机量为0.58GWh，占8.76%。

从生产厂家来看，我国新能源汽车动力锂电池生产厂家主要集中在广东省，在黑龙江、北京、天津、河北、河南、江苏、福建等省市也都有分布。统计数据显示，我国动力锂电池的生产厂家数量呈逐年下降的趋势，一些产能落后的企业逐渐被市场淘汰。

（二）新能源汽车电池存在的问题

当前新能源汽车电池主要存在以下三个方面的问题。

（1）安全性能不稳定。由于新能源汽车采用电池作为动力源，会不可避免地出现电池安全问题，如电池过热、充电不合理而导致的电池寿命缩减等问题，其中比较严重的是电池过热。近年来，新能源汽车自燃现象时有发生，究其原因就是其电池过热导致。从原理层面而言，电池经长时间使用，内阻增高发热，当达到90℃-120℃时，电池隔膜会逐渐分解释放热量，温度再次升高，隔膜熔化关闭；超过150℃时，内部电解质分解，继续释放出热量；超过200℃时，正极材料分解，不仅会释放热量，还会释放气体，并呈现持续升温状态；超过300℃时，嵌锂态负极和电解液之间出现一定的化学反应，尤其是氧气剧烈反应，极易引发热失控现象［1］。

（2）续航能力较弱。新能源汽车的续航能力是制约其发展的一大问题。相较于燃油车，新能源汽车的运行里程往往较短。但随着电池技术的发展，新能源汽车的续航能力不断提升。例如，当前宁德时代新能源科技股份有限公司的一款锂电池可实现2000公里续航，该电池通过抑制锂电池充放电环节的负反应，延长了电池的使用寿命，并且可与其他的三元锂电池及磷酸铁锂电池通用［2］。

（3）充电速度较慢。与燃油车相比，目前新能源汽车充电速度明显慢于燃油车的加油速度。新能源汽车在行驶一段时间后，往往需要花费几小时充电，与燃油车加满燃油仅需几分钟相比，新能源汽车的劣势较为明显［3］。解决这个问题的方法有两种，一是提高充电桩的数量；二是提高充电效率。

（三）新能源汽车电池技术概述

新能源汽车电池主要由四种材料组成，分别是正极、负极、隔膜、电解液［4］。随着新能源汽车产业的变革，部分企业的产业布局已从整车生产向上游电池及电芯材料方向延伸，位于动力电池产业上游的材料厂商也迎来了发展机遇。

得益于国内新能源汽车的高速发展，我国正极材料产量快速增长，已成为全球正极材料的第一大供应国。据统计，我国正极材料出货量占全球正极材料出货量的40%以上，复合增长率在30%左右，保持良好的增长势头。

从专利的角度对锂离子电池进行研究，可以更直观地了解当前全球新能源汽车电池的发展状况。通过对全球锂离子电池三元材料专利进行检索，共检索到11630件锂离子电池三元材料专利，专利数据检索日期从1980年1月1日始，截至2020年8月30日。其中，中国专利7216件，美国专利1334件，韩国专利1027件，日本专利640件，欧洲专利局专利389件，世界知识产权局专利565件。从数量上来看，我国锂电池专利数量位居全球第一，但从研发时间和技术新颖性的角度看，我国仅有如宁德时代新能源科技股份有限公司等少数几家企业的科技水平较为领先。

二、专利视角下锂电池材料技术研究

（一）正极材料

正极材料是锂离子电池的核心，占锂电池总成本的35%-55%。正极材料在锂离子电池充放电中提供大量自由脱嵌的锂离子，其性能直接影响着锂离子电池的工作电压、比能量和循环寿命等电化学性能，正极材料也直接决定了电池的成本。

正极材料主要有钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料等，其中磷酸铁锂和三元材料逐渐成为市场的主流。

锂离子电池三元层状正极材料相对于单一组分层状材料如钴酸锂、镍酸锂和锰酸锂，具有放电容量大、循环性能好等优点，是一种具有良好应用前景的正极材料。广义上，三元材料还包括镍钴铝系三元材料、多元层状材料等［5］。相较于二元锂电池，三元锂电池的续航能力较强，充电速度较快，因此三元锂电池占据的市场份额越来越大［6］。

正极材料的专利申请目前呈现持续上升趋势，并且正极材料的开发较早，在20世纪80年代就已经有了相应的专利产出。

研究数据显示，正极材料的发展主要经历了以下三个阶段：一是2000年之前的萌芽期。正极材料处于技术摸索阶段，并且技术专利主要集中在日本和美国。最早的正极材料主要涉及制备方法及材料改性手段，如日本电池株式会社于1997年9月9日申请的专利JPH9237631A，主要采用共沉淀法制备［7］；日本中央电气工业株式会社于1999年11月5日申请了专利JPH11307094A，采用共沉淀法制备阳离子掺杂的NiCoMn三元材料［8］。2001年美国IIion Technology公司申请了专利EP1189296A2且优先权日为2000年9月14日，该专利采用固相法制备NiCoMn三元材料，从而使三元材料的制备方法从共沉淀法扩展到固相法［9］。随后，开始出现原子掺杂改性三元材料的申请，如2000年12月11日申请的专利JP2002184402AF，采用原子掺杂改性的技术手段，成为改性三元材料的重要手段［10］。二是2000—2010年专利申请量的平稳增长期。日本、韩国和美国的专利申请量在此阶段增长迅速，专利申请量主要来源于三元材料的改性技术领域。三是2010年之后，锂电池三元材料专利进入快速增长期，材料的制备与改性技术已经基本完善，大量的公司进入该领域，三元材料及多元材料的研究方法不断推陈出新，如溶胶-凝胶法、溶液相法、磁场信号发生法、微波法、水热法、模板法、高压合成法、静电纺丝法等，将三元材料及多元材料的制备工艺推向了一个新的发展阶段［11］。

国内锂电池正极材料专利中，湖南妙盛汽车电源有限公司以196件的申请量位居榜首，同时在所有企业中关于锂电池正极材料的专利申请量排名第一；合肥国轩高科动力能源有限公司位居第二，拥有154件锂电池正极材料相关专利。国内排名前10位的专利申请人中，从申请人类型来看，仅有中南大学1家高校科研院所，其余9家均为企业，并且企业申请人也以能源公司为主。由此可以得出结论，国内正极材料申请比较分散，行业集中度较低。

（二）负极材料

负极材料是电池在充电过程中锂离子和电子的载体，起着能量储存与释放的作用。在电池成本中，负极材料约占5%-15%，是锂离子电池的重要原材料之一［12］。

通过对全球锂离子电池负极材料专利进行检索，共检索到13210件锂离子电池负极材料专利，专利数据检索日期从1980年1月1日始，截至2020年8月30日。其中，中国专利4520件，日本专利2912件，美国专利1897件，韩国专利1729件，欧洲专利局专利1055件，世界知识产权局专利498件。

对国外负极材料专利申请趋势分析发现，国外锂电池负极材料研究较早，于20世纪80年代起就有相关专利产出，但数量较少，此时处于技术萌芽期。锂离子电池1992年经日本Sony公司商业化后便开始迅速发展，锂电池负极材料的关键技术得到突破，出现了一批较高质量的专利申请，1992—2000年，锂离子电池的专利申请基本上都出自日本，独占整个锂离子电池市场，此时锂电池负极材料处于平稳增长期。2000年以后，中国对新能源汽车的发展给予了极大的政策支持，负极材料专利申请量不断增长。随着我国对负极材料科研投入的加大，负极材料专利申请数量大幅增长，锂电池负极材料领域专利申请量进入快速增长阶段。我国在锂离子电池负极材料产业化方面具有一定的优势，电池产业链从原料开采、电极材料生产、电池制造和回收等环节比较完整［13］。

在国内负极材料的申请人方面，主要以高校为主，说明负极材料已经得到广泛研究。

（三）电解液

目前商业化使用的电解质主要为有机液体电解质，包括溶剂、溶质及添加剂。有机液体电解质性能的改进主要是针对溶剂、溶质及添加剂三个组分各自性能的改进［14］。

从电解液专利数量来看，中国的专利申请量最多，有6952件，占全球专利申请量的38.81%，在全球有着绝对的领先地位。重点申请人比亚迪股份有限公司、宁德时代新能源科技股份有限公司、张家港市国泰华荣化工新材料有限公司、深圳新宙邦科技股份有限公司等锂电池研究技术领先的机构的专利申请量在中国锂电池电解液材料的专利申请中有着明显的优势。通过对全球专利申请量趋势分析及锂电池电解液材料发展历史可以看出，中国的锂电池电解液材料专利申请主要集中在2009年之后，随着锂电池在电力驱动应用中的快速发展，国内如广东、江苏、浙江等省份的锂电池电极液材料专利申请进入了快速增长阶段，锂电池电解质材料专利申请也随之大幅增长。其中，美国专利申请共有3553件，占全球专利申请量的19.83%；韩国专利申请共有2638件，占全球专利申请量的14.73%；日本共有1923件专利，占全球专利申请量的10.73%。

从电解液专利质量来看，国内专利申请量排名前10名的申请人分别为比亚迪股份有限公司、宁德时代新能源科技股份有限公司、中南大学、张家港市国泰华荣化工新材料有限公司、深圳新宙邦科技股份有限公司、华南师范大学、合肥国轩高科动力能源有限公司、东莞市杉杉电池材料有限公司、东莞新能源科技有限公司、海洋王照明科技股份有限公司。除中南大学和华南师范大学外，其余申请人类型均为企业。可以看出，我国高校对于该项技术的理论研究不深，成果转化率不高。

（四）隔膜

锂电池的结构中，隔膜是关键的内层组件之一，占锂电池总成本的5%-15%。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环及安全性能等，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用［15］。由于隔膜具备较高的技术壁垒，目前国产隔膜与进口隔膜在性能上还存在较大的差距，导致国内隔膜市场大部分需要进口，尤其是高端隔膜基本上依靠进口。

目前，商品化锂离子动力电池中使用的隔膜材料主要是微孔的聚烯烃类薄膜，如聚乙烯、聚丙烯的单层或多层复合膜。其中，聚烯烃多层锂电池隔膜由于其可靠性和一致性更优，主要用于动力锂电池等高端领域。

对全球锂电池隔膜专利数据进行检索分析，共检索到专利9799件，其中国内5648件，国外4151件。

从隔膜专利申请的数量来看，中国大陆地区专利申请量最多，共有5648件，申请量占57.64%，位于全球申请量第1位；韩国位居第二，共有1217件相关专利，占12.42%；日本相关专利977件，占9.97%；美国相关专利949件，占9.68%。由此可以看出，中韩日美占全球申请量的89.71%，是该领域的创新主体。

从隔膜专利申请人的数量来看，比亚迪公司拥有的隔膜专利最多，在该领域的专利布局也较为完善。此外，在这些专利申请人中，有三所高校异军突起。清华大学、中南大学和浙江大学在锂电池隔膜专利中有较深入的研究。此外，国轩高科，星源材质公司在该领域也有相关的专利布局。

三、我国新能源汽车电池技术发展分析

（一）优势

随着经济全球化进程的加快，越来越多的国家选择将其制造业外移，这对我国是一个巨大商机。我国在一些重点技术领域，如动力锂电池原材料（电解液、隔膜）分支上具有较强的竞争优势。

由于动力锂电池技术分支较为明确，专利申请较为集中，我国在高性能电池材料、高性能锂离子动力电池、高性能电池包、电池管理系统、热管理、电池标准体系、下一代锂离子动力电池、锂金属电池、电池梯级利用及回收技术、电池生产制造技术及装备等方面具有一定的基础发展前景较好。

（二）劣势

1.国外企业掌握较多基础专利和核心专利技术

在动力锂电池领域，日本、韩国、美国、德国、欧洲专利局和世界知识产权组织起步较早，掌握大量的基础专利和核心专利技术，并在此基础上进行了相应的改进；在核心专利这块，国内的专利申请在数量和质量上均处于劣势。对于新的类别助剂的开发存在较大的技术难度。

2.专利文本质量有待提高

随机选取2021年授权的12件发明专利，对比公开文本和授权文本之间的差别（见表1），可以看到，大部分公开文本要求两项以下独立权利要求，在授权时减少为一项，由产品和方法的权利要求减为方法权利要求，一方面说明用此方法生产的产品并无较大创新；另一方面，由于方法的权利要求通常维权较为困难，对于创新的保护较弱。部分独权中的技术特征增加，进行了缩限性修改，保护范围缩小，从实质上对市场垄断作用减小。

表1 2021年我国新能源汽车电池专利技术样本

我国新能源企业也涉及一部分出口，在我国“一带一路”倡议下，部分企业的产品出口具有一定规模，但对于出口国的知识产权保护还需进一步完善，目前整体的市场布局作用仍然较弱，知识产权对于产品创新和企业发展的支撑作用还未呈现。

通过对几个有竞争实力的公司的研究发现，每个公司的发展都有其过硬的核心技术做后盾，而这些核心技术解决了市场上的技术难题。各个公司依靠其核心技术，如动力锂电池的热管理系统、动力锂电池的BMS管理系统及电池组的生产工艺与设备等，不断推陈出新，占据更多的市场份额，引领行业发展方向。通过研究全球领域国内外动力锂电池专利申请情况，分析当前动力锂电池的专利布局，为国内动力锂电池的研发提供思路。