新能源汽車鋰離子電池材料專利分析

摘要：近年來，國家多項(xiàng)政策推進(jìn)鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展。發(fā)展至今，新能源汽車政策導(dǎo)向由支持?jǐn)U大規(guī)模逐步向支持高質(zhì)量發(fā)展：鋰電池標(biāo)準(zhǔn)與回收利用管理規(guī)范逐步建立，中國鋰電池及上游關(guān)鍵材料在全球市場占比進(jìn)一步擴(kuò)大；2020 年刀片電池面世，中國鋰電企業(yè)引領(lǐng)全球電池創(chuàng)新。在此背景下，聚焦鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)，將產(chǎn)業(yè)發(fā)展信息與專利技術(shù)信息相結(jié)合，研究鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，明確鋰電材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展定位，提出產(chǎn)業(yè)發(fā)展導(dǎo)航路徑。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池材料；專利；技術(shù)發(fā)展

0 前言

鋰電池，又稱鋰離子電池，是一種依靠鋰離子（Li+）在正極與負(fù)級之間移動來達(dá)到充放電目的的一種二次電池。與其他主要的二次電池對比，鋰電池具有能量密度高、放電功率高、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)和綠色環(huán)保等明顯優(yōu)勢。近年來，鋰電池不僅廣泛應(yīng)用于新能源汽車、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、儲能領(lǐng)域，而且受工業(yè)智能化、軍事信息化、民用便利化以及互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市快速發(fā)展帶動，應(yīng)用場景日趨豐富、產(chǎn)品質(zhì)量持續(xù)提升［1］。

通過對鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)進(jìn)行技術(shù)調(diào)研，并在國內(nèi)外范圍內(nèi)對該領(lǐng)域進(jìn)行了初步文獻(xiàn)調(diào)研，在上述準(zhǔn)備工作的基礎(chǔ)上，初步了解了該領(lǐng)域的各技術(shù)分支，結(jié)合鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展方向及企業(yè)需求，技術(shù)分解表見表1。

專利申請情況可反應(yīng)技術(shù)發(fā)展趨勢，因此通過對專利申請數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析來研究過濾技術(shù)的發(fā)展趨勢。本文通過在HimmPat 商業(yè)數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行檢索，截至2023 年11 月8 日，共檢索到全球鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)專利申請總量77 830 項(xiàng)，并以此作為數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1 產(chǎn)業(yè)總體申請趨勢

鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)自2003 年全球?qū)＠暾堏厔萸闆r如圖1 所示。全球?qū)＠暾埩坑?003 年的709 項(xiàng)上升至2022 年的7 678 項(xiàng)（2023 年為預(yù)估值），專利申請平均增長率達(dá)到13%，21 世紀(jì)早期，隨著智能手機(jī)、MP3、平板電腦等消費(fèi)電子產(chǎn)品的普及與鋰電池生產(chǎn)工藝技術(shù)的提升，鋰電池出貨量快速增長，全球鋰電池產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展期。近年來，受新能源汽車、電動輕型車、電動工具、新型儲能等領(lǐng)域拉動，全球鋰電池的市場空間保持了快速增長的態(tài)勢?？梢钥闯鲈跍p碳目標(biāo)、電動化轉(zhuǎn)型、地緣政策及政策法規(guī)的驅(qū)動下，新材料在鋰電池行業(yè)的應(yīng)用面臨前所未有的機(jī)遇［2］。

2 全球產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)申請趨勢

鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈上游主要包括正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜等，縱覽圖 2 所展示的近20 年的產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展趨勢，全球鋰離子電池材料發(fā)展經(jīng)歷了兩個時期，2010 年以前，專利申請發(fā)展均較為平緩，2010 年開始，專利申請量呈現(xiàn)了上升趨勢，并在2018 年分別達(dá)到了1 500 項(xiàng)以上，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)發(fā)展小高峰，生產(chǎn)有了質(zhì)的突破。另外從圖2 中可看出，目前全球電解液、正極材料領(lǐng)域在近兩年成為了主要的申請方向。

3 主要技術(shù)來源

技術(shù)來源國/地區(qū)，是指某項(xiàng)專利技術(shù)是由哪個國/地區(qū)的申請人所提出的，技術(shù)來源國/地區(qū)專利申請量越多代表這個國家的技術(shù)積累越雄厚。本部分重點(diǎn)對鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)主要技術(shù)來源國、主要技術(shù)來源國專利類型、專利申請占比、發(fā)明及有效發(fā)明申請趨勢、維持10 年以上發(fā)明專利情況做深入分析，以了解主要技術(shù)來源國的技術(shù)實(shí)力。

圖3 為鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)主要技術(shù)來源國，從圖可以看出，中國、日本、韓國、美國、德國的專利技術(shù)創(chuàng)新能力較高，其專利申請量約占全球?qū)＠暾埩康?8%，其中中國（含中國臺灣地區(qū)）以44179項(xiàng)專利申請量位列第一，占全球?qū)＠暾埩?7%，日本的專利申請量共18402 項(xiàng)，位列第二，占比24%，而韓國共申請10260 項(xiàng)，占比13%，美國共申請3099 項(xiàng)，占比4%，德國共申請605 項(xiàng)，占比1%，進(jìn)一步反映出，我國的在鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力及專利申請量已經(jīng)位列世界前列，從專利申請數(shù)量方面已再全球范圍內(nèi)形成主導(dǎo)優(yōu)勢。

四個主要技術(shù)來源國在產(chǎn)業(yè)鏈分支各有側(cè)重，中國呈現(xiàn)較為重視正極材料的情況，日、韓主要以電解液為產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，而美國是注重隔膜、電解液研發(fā)的國家，如圖4 所示。

4 全球創(chuàng)新主體排名

表2 展示了全球鋰離子電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新主體專利申請總量排名。在專利申請總量方面，中國有5 位、韓國3 位、日本2 位，見表3。申請量1 000 項(xiàng)以上的只有3 家，分別是LG 化學(xué)、三星SDI 和株式會社豐田自動織機(jī)；在專利有效量方面，來自韓國的LG 化學(xué)和三星電子，其專利有效率均接近70%，說明其專利質(zhì)量整體較高，特別是LG 化學(xué)其不但總量最高，有效量也遙遙領(lǐng)先，說明其技術(shù)儲備實(shí)力較為雄厚，國內(nèi)龍頭企業(yè)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

5 產(chǎn)業(yè)專利發(fā)展方向

圖5 展示了鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)全球產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方向，如圖5 所示，2015 年前年鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)全球?qū)＠夹g(shù)重點(diǎn)來自電解液領(lǐng)域，占比達(dá)到30% 以上，2015 年后全球?qū)＠夹g(shù)轉(zhuǎn)向正極材料；從近20 年左右的發(fā)展趨勢來看，各技術(shù)領(lǐng)域占比呈現(xiàn)出上升趨勢的技術(shù)領(lǐng)域有正極材料領(lǐng)域、負(fù)極材料領(lǐng)域，占比呈現(xiàn)出下降趨勢的技術(shù)領(lǐng)域有隔膜領(lǐng)域、電解液領(lǐng)域。

表4 所示為鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)各個技術(shù)細(xì)分領(lǐng)域中國和全球申請總量、近5 年專利申請量和近5 年技術(shù)活躍度情況。從表中可以看出，全球?qū)＠暾埣敖? 年專利申請主要集中在正極材料、電解液，而中國申請及近5 年專利申請主要集中在正極材料和負(fù)極材料，中國各領(lǐng)域?qū)＠暾埧偭颗c全球相比差距相對較大，但近五年專利申請量與全球相比差距在縮小，并且中國鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)各個技術(shù)細(xì)分領(lǐng)域近五年活躍度均高于全球，正極材料、負(fù)極材料、隔膜和電解液領(lǐng)域，活躍度超過50%。且電解液中國近五年活躍度遠(yuǎn)超其他技術(shù)細(xì)分領(lǐng)域。

表5 顯示了鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新主體細(xì)分領(lǐng)域?qū)＠季种攸c(diǎn)及熱點(diǎn)方向，如圖所示，中國的申請人專利主要布局在正極材料和負(fù)極材料，日本的兩位申請人主要在電解液和隔膜，而韓國的3 位申請人在4 個二級分支均有較多專利布局，說明韓國在鋰離子電池行業(yè)技術(shù)儲備相對全面。

6 結(jié)語

從技術(shù)發(fā)展趨勢來看，2010 年以前，全球鋰離子電池產(chǎn)業(yè)專利申請趨勢較為平緩，2010 年開始產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢，專利申請量實(shí)現(xiàn)大幅增長。全球鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)以電解液、正極材料產(chǎn)業(yè)鏈為主，其中電解液占比最大。

從技術(shù)分布來看，中國、日本、韓國、美國是鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)主要技術(shù)來源國，其中中國位列第一。中國、日本、韓國、美國在鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)的專利類型均以發(fā)明為主，中國存在一些實(shí)用新型專利。2003—2010 年，日本是全球鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)專利申請占比最高的國家，2011 年后，中國成為在鋰離子電池材料領(lǐng)域?qū)＠暾堈急茸罡叩膰?。?0 年來，中國在鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新水平在不斷提升，發(fā)明和有效發(fā)明專利申請呈現(xiàn)快速增長趨勢，而日韓美的申請趨于平緩，且有輕微下降的態(tài)勢。日本是全球鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)維持10 年以上有效發(fā)明專利量最大的國家，其次是韓國、中國，中日韓三國掌握著該產(chǎn)業(yè)的重要核心技術(shù)，占比超整體的90%。4 個主要技術(shù)來源國在產(chǎn)業(yè)鏈分支各有側(cè)重，中國呈現(xiàn)較為重視正極材料的情況，日、韓主要以電解液為產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，而美國是注重隔膜、電解液研發(fā)的國家。

從創(chuàng)新主體排名情況來看，全球鋰離子電池產(chǎn)業(yè)專利申請量排名前十的創(chuàng)新主體主要來自韓國、中國和日本；其中申請總量排名中，中國占一半，日本2 家，韓國3 家，且韓國的LG 化學(xué)和三星SDI 專利申請總量遠(yuǎn)超其他企業(yè)；而在有效量排名中，韓國企業(yè)仍然占據(jù)優(yōu)勢地位，中國有5 家上榜。中國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)專利申請量排名前十的創(chuàng)新主體主要來自沿海地區(qū)和高校，其中申請總量排名中，來自湖南的中南大學(xué)排名第一，廣東有2 家企業(yè)上榜，分別為珠海冠宇和比亞迪；在有效量排名中，排名第一的仍是中南大學(xué)。

從產(chǎn)業(yè)專利發(fā)展方向來看，鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)全球技術(shù)分布中電解液是重點(diǎn)研究的技術(shù)領(lǐng)域。全球鋰離子電池材料領(lǐng)域占比呈現(xiàn)出上升趨勢的包括正極材料、負(fù)極材料，占比呈現(xiàn)出下降趨勢的包括隔膜、電解液。全球正極材料產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)由三元負(fù)極材料轉(zhuǎn)向磷酸鐵鋰負(fù)極材料再回到三元負(fù)極材料。全球負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)由碳正極材料轉(zhuǎn)向硅基正極材料材料。中國專利申請集中在正極材料領(lǐng)域，日本將研究重點(diǎn)放在電解液上面，韓國重點(diǎn)研究領(lǐng)域不明顯，正極材料、電解液專利布局量略高于負(fù)極材料、隔膜。

從研發(fā)熱點(diǎn)方向來看，2017 年前電解液領(lǐng)域?qū)＠暾埩孔罡撸?017 年開始正極材料專利申請開始占據(jù)主導(dǎo)地位，電解液2016 年前負(fù)極材料領(lǐng)域?qū)＠暾埩孔畹停?016 年開始隔膜材料專利申請量最低。全球?qū)＠暾埣敖? 年專利申請主要集中在正極材料、電解液，而中國申請及近5 年專利申請主要集中在正極材料和負(fù)極材料，近五年，中國鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)各細(xì)分領(lǐng)域活躍度均高于全球，尤其是在電解液領(lǐng)域，活躍度超過60%。鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中排名前十的中國申請人僅有寧德時代一家企業(yè)上榜，排在第5 位，各創(chuàng)新主體的專利布局重點(diǎn)主要集中在電解液領(lǐng)域，LG 在正極材料、負(fù)極材料領(lǐng)、隔膜和電解液域均申請了大量專利。中國申請人的專利布局主要分布在正、負(fù)極材料領(lǐng)域。

綜上所述，中國在鋰離子電池材料領(lǐng)域中的專利申請總量世界第一，近十年來年專利申請量也排在第1 位，但其有效專利申請量不及日本。另外中國不僅是鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)全球最大的技術(shù)來源國，同時也是全球最大的目標(biāo)市場國，在以及技術(shù)分支中，中國呈現(xiàn)較為重視正極材料的情況，日、韓主要以電解液為產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，而美國是注重隔膜、電解液研發(fā)的國家。在二級技術(shù)分支中，中國與日、韓相比，差別在于中國在磷酸鐵鋰正極材料技術(shù)領(lǐng)域布局專利量略高于三元正極材料，在全球創(chuàng)新主體排名中，大部分企業(yè)來自日本，其次是中國，韓國上榜的企業(yè)雖然很少，但專利申請量最高。全球?qū)＠暾埣敖迥陮＠暾堉饕性谡龢O材料、電解液，而中國申請及近五年專利申請主要集中在正極材料和負(fù)極材料。

參 考 文 獻(xiàn)

［ 1 ］ 王庭超. 鋰電材料的現(xiàn)狀與發(fā)展初探[J]. 中小企業(yè)管理與科技（下旬刊），2020（2）：129-130.

［ 2 ］ 詹皓博，等. 鋰離子電池磷酸錳鐵鋰正極材料研究進(jìn)展[J]. 稀有金屬， 2023， 47（12）： 1669-1688.