为什么锂电池原材料资源如此紧俏？动力电池的技术发展前景如何？

今年以来，新能源汽车和锂电池市场持续火爆，锂电池上游原材料价格快速攀升。其中，正极材料是锂电池最为关键的原材料，包括碳酸锂、氢氧化锂等。目前碳酸锂、氢氧化锂、电解液等都出现不同程度的上涨，有的原材料相比今年年初涨幅已经超过了200％。“一货难求”已经成为了当前锂电池企业原材料采购的现状，更有甚者很多原材料生产企业的订单排到了明年。

为什么今年的锂电池原材料资源如此紧俏？首先从全球范围来看，中国作为全球最大的锂消费国，2019年锂需求占到全球的57％。而这其中有60％的需求来自于锂离子动力电池。作为我国的战略性新兴产业，锂电池作为新能源汽车的“心脏”，其重要性不言而喻。

所以了解中国锂离子动力电池的产业发展小到对帮助读者甄别真假新能源汽车，大到对我国新能源汽车乃至可持续发展战略都具有十分重要的意义。笔者基于智慧芽全球专利数据库，分析锂电池的基本原理和优劣势，从专利角度对锂离子动力电池的技术发展前景进行预测，从而一起持续关注未来产业发展。

三元和磷酸铁锂已成为电动汽车主流正极材料

简单一句话概况锂离子电池的定义：“利用锂离子的浓度差进行储能和放电。”其次，从锂离子电池的基本构成来看，主要由正极、负极、电解液和隔膜四大原材料组成。

而对于当前技术条件下，正极材料不仅是决定电池性能的关键因素，也是锂电池中成本最高的部分，其对电池包的能量密度、使用寿命和安全性有着直接的影响。但是，不同锂电池正极材料差距明显，适用领域也不一样，可以说不是所有的锂电池正极材料都适用新能源汽车。

图1 电池正极材料比对（来源：智慧芽英策专利分析系统）

基于上表的比对，我们来理一理不同类型锂电池在市场上的应用情况。

先说说钴酸锂，作为动力锂电池的鼻祖，最先被用在特斯拉Roadster上，但由于其循环寿命和安全性都较低，事实证明其并不适用作为动力电池。为了弥补这个缺点，特斯拉运用了号称世界上最顶尖的电池管理系统来保证电池的稳定性。但实际上，后来也未得到市场的认可。现在钴酸锂则在3C领域占据很大的市场份额。

第二是锰酸锂电池，最先由电池企业AESC提出，这个AESC的后台是日产和日本电气股份有限公司（NEC）的合资。锰酸锂代表车型是为日产聆风，由于其价格低，能量密度较低，安全性也一般，具有所谓的较好综合性能。但由于新能源汽车处于普及阶段，用户对于续航里程和安全性的重视程度极高，故其逐步被新的锂电技术所替代。

第三是磷酸铁锂，作为比亚迪的主打材料，其稳定好，寿命长，且具有成本优势，特别适用于需要经常充放电的插电式混合动力汽车，但其缺点是能量密度一般。不过瑕不掩瑜，由于其稳定不易自燃的特性以及当前三元锂电池仍未解决频繁自燃的问题，磷酸铁锂电池有望进一步扩大其市场规模。

最后是三元锂电池，作为冉冉升起的新星，能量密度最高。对于续航里程有要求的纯电动汽车，其前景更广，是目前动力电池的主流方向。但其安全性较差，大部分的电动汽车自燃事故基本都是源自于安装了三元锂电池。不过近期国内广汽发布的“弹匣电池”和比亚迪发布的“刀片电池”都在电池安全方面做出了重大提升，降低了安装三元锂电池的电动汽车自燃的风险。

国内锂离子动力电池的专利申请处于稳步增长趋势

锂离子动力电池的萌芽阶段是从1972年开始，斯坦利．威廷汉进入埃克森公司，他的团队制造出世界上第一款可充电的锂电池（正极二硫化钛，负极锂金属），埃克森在1976年申请了专利。他原创性的设计为现代锂离子电池提供了基础。

在基础性技术不断突破的发展阶段，吉野彰在1983年研发出世界第一个可充电锂离子电池的原型。1985年开创性用碳（聚乙炔）代替除金属锂作为负极材料，确立了可充电含锂碱性锂电池的基本概念，并取得日本注册专利，1991年，锂离子电池由Sony首次商业化。（如图2）

图2锂电池产业重要节点和发展阶段（来源：锂电池行业白皮书）

此后从1997年开始就进入了锂电池的大规模商用化阶段，图3显示了2002－2021年新能源汽车锂电池专利申请量和授权比的年度变化趋势。从总体上看，锂离子动力电池专利申请数量呈现上升发展的态势，这与全球能源危机、环境不断恶化、政府政策引导与扶持、汽车产业的发展以及知识产权保护意识的逐渐提高关系密切。

1、锂离子动力电池相关专利的两个增长时期：

1）第一增长阶段（2002－2011年）

从2002年开始，锂电池的专利申请量呈现快速增长的态势，其年均专利申请增长率达到40．15％；整个专利申请量处于高速增长的态势。其主要源于2007年以前中国处于新能源战略布局与探索阶段，专利申请少，这一阶段是国内锂离子动力电池技术的研发初期；2008年后，在国家和地方政府的大力支持下，为追求更高的能量密度的锂离子动力电池，正负极材料、隔膜和电解液等关键技术领域相继取得突破，一批高价值的专利被申请，申请数量增加很快。

2）第二增长阶段（2012－至今）

2012到2013年锂离子动力电池发展趋势不明朗，下游市场产业仍处于开发阶段，国内各企业在动力电池领域刚刚开始投资和布局，导致专利申请量申请放缓。随着国家导向、企业的投入和渐渐明朗的市场发展态势，2014年开始迎来了申请小高峰，2016年达到1．94万件，2017年开始锂电池产业已经进入成熟的市场化运作阶段，基本技术难点被解决，因而年均专利申请增长率降低到20．9％。

根据国家经济研究局建立的阶段平均趋势法预测，2021年锂电池专利申请量将达到3．18万件；2022年和2023年的专利申请量分别达到4．24和4．6万件；2022年申请锂电池的专利将会迎来5年来的首个高峰。

图3锂电池全球专利申请趋势（来源：智慧芽英策专利分析系统）

2、锂电池技术中美日韩虽四足鼎立

从IPC分类号（小类）中不难发现，在锂电池技术领域中，H01M电池组是最具有创新热度的分支，占到了所有相关专利比重的58．06％；其次是H02J供电或配电系统，该分支主要体现在与锂电池强相关的充电和放电领域；第三是G01R测量分支，该分支主要是测量锂电池的各种温度、散热等状态的信号系统。H01M、H02J、G01R三者的专利量总和超过总专利量的3／4。（如图4）

图4锂电池技术构成分析（来源：智慧芽英策专利分析系统）

笔者从申请人排名中发现，与锂电池相关的专利申请量最多的前10个申请人都是中国的公司和高校，侧面反映出中国企业对锂电池技术的重视程度。

实际上，在全球锂电池的技术研发和产业化进程中，中、美、日、韩虽然形成四足鼎立的局面。但不可否认的是日本在技术研发方面依旧领先，韩国的锂电池产品市场份额全球第一，中国的锂电池产品仍旧在产品力上存在一定的差距。所以，申请人排名前10位都是中国企业主要源于我国针对性的新能源产业补贴保护政策，国轩高科、天津力神、比亚迪、宁德时代、冠宇电池、东莞新能源这些企业的锂电池产品才得以立足国内市场。（如图5）

根据公开资料显示，在国家大力支持下，锂离子电池的技术路线开始变为负极材料以人造石墨和复合硅碳材料为主，正极材料朝着高镍低钴方向发展。随着国家补贴政策调整和双积分政策的实施，汽车和电池企业面临严峻的考验，这迫使企业加大对电池技术研发的投入，企业需要通过创新探索新技术、新产品、新业态、新商业模式， 这将对建立电池技术新体系起到积极推动作用。在中国制造2025里面提出动力电池能量密度需要突破400Wh／kg， 要达到这样一个目标， 对生产企业和研发机构都提出了新的挑战。

图5锂电池申请人排名分析（来源：智慧芽英策专利分析系统）

参考文献

［1］兰凤崇，李诗成，陈吉清 ＆ 李伟健．（2019）．基于专利分析的锂离子动力电池产业发展趋势． 科技管理研究（12），144－150．
doi：CNKI：SUN：KJGL．0．2019－12－021．

［2］余志敏，周述虹，阎澄 ＆ 张健．（2017）．锂离子电池三元材料专利技术分析． 储能科学与技术（03），596－604．doi：

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