纯电动车辆用锂离子电池专利现状及发展态势分析

施颖佳　卢世晴　方红

摘  要：为掌握纯电动车辆用锂离子电池的发展现状，文章基于DI专利数据库、INCOPAT专利数据库对车辆锂离子电池的专利情况进行了深入的分析，多维度揭示国内外发展趋势，总结国家分布，梳理研究热点，指出當前我国纯电动车辆锂离子电池技术产业存在技术发展时间短、领先优势不足、专利国际布局不合理、技术保护有待加强等问题，需要深化企业以及研究机构之间的合作，紧跟国家政策并进行专利预警。

关键词：纯电动车辆；锂离子电池；专利分析；电池技术

中图分类号：TP39；G306；C18 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）19-0063-06

Patent Status and Development Trend Analysis of Lithium-ion Batteries for Pure Electric Vehicles

SHI Yingjia， LU Shiqing， FANG Hong

（Institute of Scientific and Technological Information of Zhejiang Province， Hangzhou  310006， China）

Abstract： In order to master the development status of lithium-ion batteries for pure electric vehicles， this paper conducts an in-depth analysis of the patent situation of lithium-ion batteries for vehicles based on DI patent database and INCOPAT patent database， reveals the development trend at home and abroad in a multi-dimensional way， summarizes the national distribution， combs out research hotspots， and points out that the current pure electric vehicle lithium-ion battery technology industry in China has such problems as short technology development time， insufficient leading advantages， unreasonable international distribution of patents， and technology protection needs to be strengthened， require deepening cooperation between enterprises and research institutions， closely following national policies， and conducting patent early warnings.

Keywords： pure electric vehicle; lithium-ion battery; patent analysis; battery technology

0  引  言

随着对零排放、无污染、环境友好型新能源需求的增长，各国投入了大量资源开发新能源技术，新能源汽车产业进入快速发展阶段，我国的新能源汽车保有量已经达到全球55%[1]，而锂离子电池作为新能源电动汽车产业中最关键的一环，直接影响新能源汽车的使用。锂离子电池具有容量大、循环寿命长、自放电率小和无环境污染等优点[2]，有望取代氢镍电池，成为新能源电动汽车的主要动力电池[3]，发展前景广阔。我国作为锂离子电池的产出大国，动力电池技术水平不断提升，但是在快速发展的过程中也面临不少难题，比如电池安全性以及寿命有待提升，环保性有待加强，高能量与高功率的兼容性难以平衡等[4]。

专利信息是反映领域发展的重要指标之一，通过专利分析能从宏观上掌握发展趋势与潜在市场，微观上能掌握技术热点与瓶颈。当前对锂离子电池专利分析的研究集中在产业现状、电池主材以及电池性能等方面，如兰凤崇等人利用专利信息分析了全球锂离子电池产业的现状，认为政府应加快企业资源整合，促进产学研发展，开展国际合作[5]；张谦等人对三元正极材料进行分析，详细研究其技术路线与工艺制备，认为需要完善技术分支布局，形成专利联盟[6]；靳文婷等人基于专利搜索引擎，研究了锂离子电池能量密度的发展态势，认为应进一步加大产学研合作，改进电池电芯的主要材料以及制造工艺[7]。当前的研究成果十分丰富，然而，锂离子动力电池的应用范围广泛，除电动汽车领域，还有能应用于电动自行车、电动三轮车等，本文集中于纯电动车辆领域研究，研究结果更具有针对性，能够为国家和企业制定发展规划提供决策参考。

1  专利数据库选择与分析维度

纯电动车辆锂离子电池专利数据来源于Derwent Innovation专利数据库，检索了1991年至2021年的纯电动车辆锂离子电池领域的所有专利，得到20 361件专利（由于专利从申请至公开以及被数据库收录会存在一定滞后期，故2021年的专利数量仅供参考[8]），将其作为分析的基础数据，分析工具综合应用了DDA、DI专利地图以及Incopat等软件，从专利申请趋势、主要申请国家/地区、主要申请人、技术功效等多维度展开分析研究。

2  全球发展趋势研究

2.1  整体态势分析

由图1可知纯电动车辆锂离子电池领域的发展经过了3个阶段。2000年前处于萌芽期，能源危机不显著，研究处于较低水平，尽管专利申请量为个位数，但是研究成果具有建设性，Padhi等人发现的磷酸盐已成为当前主流的正极材料，日本和美国的专利几乎占领整个市场[9]。2000年至2007年进入缓慢发展期，电动汽车相关行业技术发展还未成熟，相关专利数量不多，日本和美国依然技术领先。2008年后进入快速发展期，各国对能源危机关注增加，对产业发展的扶持力度增强，特别是在各国宣布禁售燃油车时间后，专利量大幅增长，除日本与美国以外，中国实力突出，为整个产业的发展贡献了巨大力量。2019年后专利申请量略有下降，可能是专利申请存在时间滞后。与此同时，专利趋势线趋向平缓，电池产业的发展迎来了最佳时期，增长量趋于稳定，专利从量向质转变。

2.2  专利优先权国家分布分析

由于技术水平与战略布局不同，对纯电动车辆锂离子电池的研发集中于部分国家，由图2可知，日本、德国、中国、美国和韩国为主要市场。日本处于领先地位，申请量占比为60.01%；德国和中国的专利申请量占比接近，均为2 000件左右，占比分别为10.53%和10.79%；美国和韩国占比接近，均为1 000件左右，占比分别为6.71%和5.75%。

日本是研发最早、实力最强、专利最多的国家，于20世紀就已经产出较多专利，在进行本国专利保护的同时还布局于美国、德国、韩国等国际市场，以松下、丰田等车企为代表，既有纯电动车辆研发优势，又能够直接向市场供应锂离子电池[6]；德国在2007年前关注蓄电池、摇椅式电池等方面的研究，2007年至2012年期间进入技术储备期，投入科研精力较大，但是2012年之后的研发不够活跃，出现申请量下降的趋势；中国专利申请总量高，但是起步晚，直到2013年才突破100件，电动汽车市场规模的扩大带动了纯电动车辆锂离子电池的发展，近年来产业发展环境优化，技术创新能力持续提升[10]，既有实力雄厚的动力电池企业，也有纯电动汽车研发企业，优势企业有宁德时代、比亚迪、国轩高科等公司；美国投入研发也较早，以磷酸铁锂电池为主，以研发锂硫电池、锂空气电池等体系为未来发展方向[11]，以特斯拉、通用汽车、福特公司等企业为代表，研究方向较为前沿，并在德国布局了14%的专利，在世界知识产权组织布局了24%的专利，国际市场份额占比较高。韩国则以三星、LG为代表，主要以锂离子动力电池企业为主，但是纯电动车辆研发优势稍显不足。

2.3  主要专利申请人分析

由图3可知纯电动车辆锂离子电池专利前10位申请人中有7个来自日本，日本表现突出，其中丰田汽车有限公司申请专利最多，共有2 817件，远高于其他公司，且专利布局于6个国家，注重国际市场扩展，在全固态锂离子电池方面科研水平突出；日产汽车有限公司为日本跨国汽车制造商，是最早将锂离子电池用作动力电池的企业。韩国的优势企业主要在锂离子电池独立供应方面，三星集团和LG化学均为电池生产商。博世有限公司从事汽车与智能交通技术、工业技术和能源技术等产业，专利申请量为1 090件，位列第二，领域涉及动力电池管理系统技术与系统集成方面。虽然中国的专利总量较大，但是由于起步晚，产业集中优势未凸显，专利较为分散。

2.4  技术趋势分析

通过对图4专利地图的分析，发现纯电动车辆锂离子电池领域研究内容涉及动力电池产业链的上、中、下游。

基材层、活性物质、电极活性材料层等为锂离子电池原材料、电芯材料的研究重点，可细分为正极材料、负极材料、电解质材料和隔膜材料。正极材料中，复合氧化物关注度较高，特别是锂钴氧化物、锂镍氧化物和锂锰氧化物等，而三元材料作为镍钴锰酸锂和镍钴铝酸锂为代表的多元金属复合氧化物，具有三种金属的优势的能力[12]，是各企业研究的重点。此外，磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂同样受到关注，尤其是磷酸铁锂，由于原材料低廉[13]，循环性和安全性好，能量密度较低的优势，深受客车以及部分物流车厂商的青睐。负极材料中石墨相关专利较多，此外硅、纳米硅等非碳材质关注度也在不断提升。电解质材料集中在非水有机溶剂、有机电解质等方面，其他非活性材料成分，如黏合剂成分、热熔等也受到关注。隔膜材料研究集中在微孔薄膜、活性物质颗粒等方面。

此外，电池外壳、锂离子电池模块、装配、电极组件等整合制造也受到持续关注，检测电路、电压、充电、电力等与电池性能有关的专利数量也较多，由于当前锂离子动力电池还存在工作电压不稳定、变化大、充电慢、充电难等问题，对性能研究是未来研究重点。

3  中国发展趋势研究

3.1  整体态势分析

由图5可知，中国的纯电动车辆锂离子电池专利产出同样经历了三个阶段。第一阶段为萌芽期（2003年前），几乎没有相关专利产出，部分专利产自外国企业，处于技术储备阶段，主要对锂离子电池的活性材料方面进行研究。第二阶段为缓慢发展阶段（2003—2009年），专利产量与申请人数量逐年递增，但每个申请人的专利量不多，产业集中优势尚不明显，专利集中于摇椅式电池、蓄电池等方面。第三阶段为快速发展阶段（2010—2021年），新能源汽车基本具备产业化发展实力，纯电动汽车和混合动力汽车开始小规模投放市场，锂离子电池相关专利申请量激增。《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》中提到，2025年新能源汽车销量将达到新车总销量的20%左右，到2035年，纯电动汽车将成为新销售车辆主流，可见国内市场发展空间将不断壮大，锂离子动力电池技术突破将是今后发展重点。

3.2  专利布局情况分析

图6展示了纯电动汽车锂离子电池中国企业专利布局情况，专利申请总量为2 226件，主要布局于本国，国内电动车市场需求量大、政策扶持力度大，发展环境良好，对于在该领域发展了仅10年左右的中小企业而言，国内成为专利布局的首要选择，但在其他国家布局的专利数量不多，总和占比不到6%。

国内专利申请量靠前的省份集中于长三角、京津冀和珠三角城市圈范围内，排名第一的为广东省，作为珠三角核心城市，锂离子动力电池产业链完整，多家龙头企业坐落于此，如比亚迪集团和比克电池等。江苏、浙江、上海、安徽、湖北为长三角经济带中下游城市，聚集了合肥国轩高科动力能源有限公司、蜂巢能源和上海航天电源等优势企业，浙江大学、同济大学和南京大学等实力院校。北京和天津作为京津冀城市圈代表，高校的科研实力强于其他地区，清华大学、北京理工大学和北京工业大学等产出大量专利。

3.3  主要申请人分析

中国纯电动车辆锂离子电池领域专利申请人情况如图7所示，位列前10的申请人有宁德时代新能源科技股份有限公司、合肥国轩高科股份有限公司、中国电子科技集团有限公司等机构，其中宁德新能源科技有限公司为日本TDK集团属下全资独立运作公司，其余9家为中国机构，国内市场以本体企业为研究主力。

宁德时代新能源科技有限公司在新能源汽车动力电池系统、储能系统的研发、生产等方面有较强实力，专利申请量为47件，位列首位。公司近几年关注电池的循环性、稳定性、密度等方面，研发动向与市场需求紧密结合；合肥国轩高科股份有限公司的专利申请量为46件，专利全部布局在国内，主要布局在公司本部所在地—安徽省，近十年关注锂离子电池降低结构复杂性、提高安全性、提高操作便利性等方面的内容；中国电子科技集团有限公司控股多家锂离子电池企业，如天津力神电池股份有限公司、天津清源电动车辆有限公司等，专利申请量为44件，遍布多个省份，如天津、湖北和江苏等地，近几年的关注点集中在提高安全性、降低生产成本、降低结构复杂性等方面；比亚迪公司为主要申请人中唯一的一家汽车制造商，综合实力较强，专利被引频次高于其他企业，专利的质量较高，关注电池稳定性、循环性和兼容性等方面的内容。中国科学院和清华大学均为国内高水平院校，大部分专利集中于电池材料方面的探索，并且注重专利转化。

3.4  技术趋势分析

由图8可知中国纯电动车辆锂离子电池专利研究热点与全球近似，但细化领域略有不同。在四大主材中，中国最关注电池的负极材料，共有相关专利492件，以钛酸锂、石墨等为研究热点，近几年硅负极材料、预锂化技术的相关专利增多。正极材料相关专利共有488件，磷酸铁锂（LiFePO4）、复合正极材料、聚合物等为研究热点。电解液的相关专利为229件，非水电解质、非水溶剂、有机溶剂、碳酸酯类等为研究热点。隔膜相关专利有168件，聚合物、无纺布、聚烯烃等为热点研究内容。

电池整合制造方面集中于电芯组件、极耳、核/芯、控制机制、组装等方面。其中，控制机制等作为电池管理系统（BMS）的核心，是国内研究的热点，关注度高于国外。此外，电池性能研究热点集中在驱动电路、电压、温度、参数等内容，主要涉及电压稳定性、充放电稳定性、电池容量、电池充电温度、电池续航里程等方面。

从图9的技术功效分类来看，提高电池安全性能，降低生产成本和结构复杂性，提高稳定性等为近几年专利布局的重点，最受关注的是安全性，电池安全为应用的基础，国内申请人已经布局了较多专利，自2013年起一直为热点。其次为降低成本，成本过高为制约电池广泛应用的重要因素，会导致无法形成规模效应。环境改善相关研究在2014年至2016年间热度较高，近几年略有降低。目前高效安全的电池回收处理方法不够完善，没有市场化机制，存在巨大发展潜能，值得各大厂商关注。

4  结  论

通过对纯电动车辆锂离子电池领域专利的研究，本文得出以下结论：

1）产业发展进入最佳时期，专利申请量增长较快，国际市场以日、中、德、美、韩企业为主。日本绝对优势突出，发展稳定，以汽车厂商为研发主力军，产业整合能力强；美、韩和德国企业进入市场较早，但近几年发展略有疲软；中国由于技术发展时间短，单个企业的申请量难以和国际领先企业比肩，但发展潜力巨大，且当前专利申请总量较高，国内市场本地企业优势明显，电池厂家优势突出。

2）专利布局方面，日本、美国、韩国等国家均在国际市场谋划布局，但是中国企业专利大部分布局集中在国内，主要集中于经济发达城市群，国际专利布局战略有待优化，究其原因，一方面中小企业缺乏专利保护意识，未及时申请国际专利，未将知识产权保护与企业整体发展结合在一起，导致被国外企业占领先机。另一方面，专利研发实力不足，价值水平不高，未达到国际专利水平。

3）技术热点与功效方面，国内外均在动力电池全产业链布局大量专利，特别是上游原材料以及中游电芯材料方面，专利量较大，下游整合制造方面也受到持续关注，国内研究热点紧跟全球热点，此外，成本和安全问题一直为国内企业关注点，因为成本较高和安全性有待提高导致产业规模不大，难以突破规模壁垒，因此突破这两大难点有助于我國企业的长远发展。

随着中国市场的重要性凸显，越来越多的国外企业会更加关注中国市场，为了应对发展过程中的薄弱点，保持国内企业发展优势，稳定专利申请量增长态势，本文提出以下几点建议：

1）深化企业、高校以及科研机构间交流合作，提升专利质量，促进技术向市场的转化。高校及研究机构在开发新产品、跟踪最新技术、掌握前沿研究方面存在突出优势，企业则在规模化生产、生产工艺的研发以及产业化经营等方面具有优势，因此深化产学研合作，采取联合开发、技术转让等形式，形成利益共同体，发挥各自的优势，加快专利成果落地，让核心专利研发和市场抢占两不误。

2）国家助力企业发展，企业紧跟政策步伐。新能源汽车及相关产业兴起初期，国家出台了极大力度的补贴和支持政策，激励大量企业进入市场，近年来，资质审核更加严格，技术门槛不断提高，倒逼了企业提高产品质量，有助于产业向着高质量方向发展。

3）企业加强专利信息预警，提升全球战略意识。探索专利信息预警长效机制，把握竞争对手研发的技术方向，借鉴先进技术，避免低水平重复研究，从而提高自身技术创新效率。另外，企业需要提升专利全球布局意识，积极申请国际专利，利用专利技术壁垒垄断优势，拓展国际市场份额。

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作者简介：施颖佳（1993—），女，汉族，浙江嘉兴

人，馆员，硕士，主要研究方向：科学计量学、文献计量学；卢世晴（1992—），女，汉族，湖北武汉人，馆员，硕士，主要研究方向：图书情报学；通讯作者：方红（1976—），女，汉族，浙江杭州人，副馆长/副研究员，硕士，主要研究方向：文献计量、产业研究、专利分析。

收稿日期：2022-12-12

基金项目：浙江省科技信息研究院基本科研项目（2023jbky08）