為什么鋰電池原材料資源如此緊俏？動(dòng)力電池的技術(shù)發(fā)展前景如何？

今年以來(lái)，新能源汽車(chē)和鋰電池市場(chǎng)持續(xù)火爆，鋰電池上游原材料價(jià)格快速攀升。其中，正極材料是鋰電池最為關(guān)鍵的原材料，包括碳酸鋰、氫氧化鋰等。目前碳酸鋰、氫氧化鋰、電解液等都出現(xiàn)不同程度的上漲，有的原材料相比今年年初漲幅已經(jīng)超過(guò)了200％?！耙回涬y求”已經(jīng)成為了當(dāng)前鋰電池企業(yè)原材料采購(gòu)的現(xiàn)狀，更有甚者很多原材料生產(chǎn)企業(yè)的訂單排到了明年。

為什么今年的鋰電池原材料資源如此緊俏？首先從全球范圍來(lái)看，中國(guó)作為全球最大的鋰消費(fèi)國(guó)，2019年鋰需求占到全球的57％。而這其中有60％的需求來(lái)自于鋰離子動(dòng)力電池。作為我國(guó)的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，鋰電池作為新能源汽車(chē)的“心臟”，其重要性不言而喻。

所以了解中國(guó)鋰離子動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)發(fā)展小到對(duì)幫助讀者甄別真假新能源汽車(chē)，大到對(duì)我國(guó)新能源汽車(chē)乃至可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略都具有十分重要的意義。筆者基于智慧芽全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫(kù)，分析鋰電池的基本原理和優(yōu)劣勢(shì)，從專(zhuān)利角度對(duì)鋰離子動(dòng)力電池的技術(shù)發(fā)展前景進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而一起持續(xù)關(guān)注未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

三元和磷酸鐵鋰已成為電動(dòng)汽車(chē)主流正極材料

簡(jiǎn)單一句話概況鋰離子電池的定義：“利用鋰離子的濃度差進(jìn)行儲(chǔ)能和放電。”其次，從鋰離子電池的基本構(gòu)成來(lái)看，主要由正極、負(fù)極、電解液和隔膜四大原材料組成。

而對(duì)于當(dāng)前技術(shù)條件下，正極材料不僅是決定電池性能的關(guān)鍵因素，也是鋰電池中成本最高的部分，其對(duì)電池包的能量密度、使用壽命和安全性有著直接的影響。但是，不同鋰電池正極材料差距明顯，適用領(lǐng)域也不一樣，可以說(shuō)不是所有的鋰電池正極材料都適用新能源汽車(chē)。

圖1 電池正極材料比對(duì)（來(lái)源：智慧芽英策專(zhuān)利分析系統(tǒng)）

基于上表的比對(duì)，我們來(lái)理一理不同類(lèi)型鋰電池在市場(chǎng)上的應(yīng)用情況。

先說(shuō)說(shuō)鈷酸鋰，作為動(dòng)力鋰電池的鼻祖，最先被用在特斯拉Roadster上，但由于其循環(huán)壽命和安全性都較低，事實(shí)證明其并不適用作為動(dòng)力電池。為了彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)，特斯拉運(yùn)用了號(hào)稱世界上最頂尖的電池管理系統(tǒng)來(lái)保證電池的穩(wěn)定性。但實(shí)際上，后來(lái)也未得到市場(chǎng)的認(rèn)可?，F(xiàn)在鈷酸鋰則在3C領(lǐng)域占據(jù)很大的市場(chǎng)份額。

第二是錳酸鋰電池，最先由電池企業(yè)AESC提出，這個(gè)AESC的后臺(tái)是日產(chǎn)和日本電氣股份有限公司（NEC）的合資。錳酸鋰代表車(chē)型是為日產(chǎn)聆風(fēng)，由于其價(jià)格低，能量密度較低，安全性也一般，具有所謂的較好綜合性能。但由于新能源汽車(chē)處于普及階段，用戶對(duì)于續(xù)航里程和安全性的重視程度極高，故其逐步被新的鋰電技術(shù)所替代。

第三是磷酸鐵鋰，作為比亞迪的主打材料，其穩(wěn)定好，壽命長(zhǎng)，且具有成本優(yōu)勢(shì)，特別適用于需要經(jīng)常充放電的插電式混合動(dòng)力汽車(chē)，但其缺點(diǎn)是能量密度一般。不過(guò)瑕不掩瑜，由于其穩(wěn)定不易自燃的特性以及當(dāng)前三元鋰電池仍未解決頻繁自燃的問(wèn)題，磷酸鐵鋰電池有望進(jìn)一步擴(kuò)大其市場(chǎng)規(guī)模。

最后是三元鋰電池，作為冉冉升起的新星，能量密度最高。對(duì)于續(xù)航里程有要求的純電動(dòng)汽車(chē)，其前景更廣，是目前動(dòng)力電池的主流方向。但其安全性較差，大部分的電動(dòng)汽車(chē)自燃事故基本都是源自于安裝了三元鋰電池。不過(guò)近期國(guó)內(nèi)廣汽發(fā)布的“彈匣電池”和比亞迪發(fā)布的“刀片電池”都在電池安全方面做出了重大提升，降低了安裝三元鋰電池的電動(dòng)汽車(chē)自燃的風(fēng)險(xiǎn)。

國(guó)內(nèi)鋰離子動(dòng)力電池的專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)幱诜€(wěn)步增長(zhǎng)趨勢(shì)

鋰離子動(dòng)力電池的萌芽階段是從1972年開(kāi)始，斯坦利．威廷漢進(jìn)入?？松?，他的團(tuán)隊(duì)制造出世界上第一款可充電的鋰電池（正極二硫化鈦，負(fù)極鋰金屬），?？松?976年申請(qǐng)了專(zhuān)利。他原創(chuàng)性的設(shè)計(jì)為現(xiàn)代鋰離子電池提供了基礎(chǔ)。

在基礎(chǔ)性技術(shù)不斷突破的發(fā)展階段，吉野彰在1983年研發(fā)出世界第一個(gè)可充電鋰離子電池的原型。1985年開(kāi)創(chuàng)性用碳（聚乙炔）代替除金屬鋰作為負(fù)極材料，確立了可充電含鋰堿性鋰電池的基本概念，并取得日本注冊(cè)專(zhuān)利，1991年，鋰離子電池由Sony首次商業(yè)化。（如圖2）

圖2鋰電池產(chǎn)業(yè)重要節(jié)點(diǎn)和發(fā)展階段（來(lái)源：鋰電池行業(yè)白皮書(shū)）

此后從1997年開(kāi)始就進(jìn)入了鋰電池的大規(guī)模商用化階段，圖3顯示了2002－2021年新能源汽車(chē)鋰電池專(zhuān)利申請(qǐng)量和授權(quán)比的年度變化趨勢(shì)。從總體上看，鋰離子動(dòng)力電池專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量呈現(xiàn)上升發(fā)展的態(tài)勢(shì)，這與全球能源危機(jī)、環(huán)境不斷惡化、政府政策引導(dǎo)與扶持、汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)的逐漸提高關(guān)系密切。

1、鋰離子動(dòng)力電池相關(guān)專(zhuān)利的兩個(gè)增長(zhǎng)時(shí)期：

1）第一增長(zhǎng)階段（2002－2011年）

從2002年開(kāi)始，鋰電池的專(zhuān)利申請(qǐng)量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，其年均專(zhuān)利申請(qǐng)?jiān)鲩L(zhǎng)率達(dá)到40．15％；整個(gè)專(zhuān)利申請(qǐng)量處于高速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。其主要源于2007年以前中國(guó)處于新能源戰(zhàn)略布局與探索階段，專(zhuān)利申請(qǐng)少，這一階段是國(guó)內(nèi)鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)的研發(fā)初期；2008年后，在國(guó)家和地方政府的大力支持下，為追求更高的能量密度的鋰離子動(dòng)力電池，正負(fù)極材料、隔膜和電解液等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域相繼取得突破，一批高價(jià)值的專(zhuān)利被申請(qǐng)，申請(qǐng)數(shù)量增加很快。

2）第二增長(zhǎng)階段（2012－至今）

2012到2013年鋰離子動(dòng)力電池發(fā)展趨勢(shì)不明朗，下游市場(chǎng)產(chǎn)業(yè)仍處于開(kāi)發(fā)階段，國(guó)內(nèi)各企業(yè)在動(dòng)力電池領(lǐng)域剛剛開(kāi)始投資和布局，導(dǎo)致專(zhuān)利申請(qǐng)量申請(qǐng)放緩。隨著國(guó)家導(dǎo)向、企業(yè)的投入和漸漸明朗的市場(chǎng)發(fā)展態(tài)勢(shì)，2014年開(kāi)始迎來(lái)了申請(qǐng)小高峰，2016年達(dá)到1．94萬(wàn)件，2017年開(kāi)始鋰電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入成熟的市場(chǎng)化運(yùn)作階段，基本技術(shù)難點(diǎn)被解決，因而年均專(zhuān)利申請(qǐng)?jiān)鲩L(zhǎng)率降低到20．9％。

根據(jù)國(guó)家經(jīng)濟(jì)研究局建立的階段平均趨勢(shì)法預(yù)測(cè)，2021年鋰電池專(zhuān)利申請(qǐng)量將達(dá)到3．18萬(wàn)件；2022年和2023年的專(zhuān)利申請(qǐng)量分別達(dá)到4．24和4．6萬(wàn)件；2022年申請(qǐng)鋰電池的專(zhuān)利將會(huì)迎來(lái)5年來(lái)的首個(gè)高峰。

圖3鋰電池全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)（來(lái)源：智慧芽英策專(zhuān)利分析系統(tǒng)）

2、鋰電池技術(shù)中美日韓雖四足鼎立

從IPC分類(lèi)號(hào)（小類(lèi)）中不難發(fā)現(xiàn)，在鋰電池技術(shù)領(lǐng)域中，H01M電池組是最具有創(chuàng)新熱度的分支，占到了所有相關(guān)專(zhuān)利比重的58．06％；其次是H02J供電或配電系統(tǒng)，該分支主要體現(xiàn)在與鋰電池強(qiáng)相關(guān)的充電和放電領(lǐng)域；第三是G01R測(cè)量分支，該分支主要是測(cè)量鋰電池的各種溫度、散熱等狀態(tài)的信號(hào)系統(tǒng)。H01M、H02J、G01R三者的專(zhuān)利量總和超過(guò)總專(zhuān)利量的3／4。（如圖4）

圖4鋰電池技術(shù)構(gòu)成分析（來(lái)源：智慧芽英策專(zhuān)利分析系統(tǒng)）

筆者從申請(qǐng)人排名中發(fā)現(xiàn)，與鋰電池相關(guān)的專(zhuān)利申請(qǐng)量最多的前10個(gè)申請(qǐng)人都是中國(guó)的公司和高校，側(cè)面反映出中國(guó)企業(yè)對(duì)鋰電池技術(shù)的重視程度。

實(shí)際上，在全球鋰電池的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，中、美、日、韓雖然形成四足鼎立的局面。但不可否認(rèn)的是日本在技術(shù)研發(fā)方面依舊領(lǐng)先，韓國(guó)的鋰電池產(chǎn)品市場(chǎng)份額全球第一，中國(guó)的鋰電池產(chǎn)品仍舊在產(chǎn)品力上存在一定的差距。所以，申請(qǐng)人排名前10位都是中國(guó)企業(yè)主要源于我國(guó)針對(duì)性的新能源產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼保護(hù)政策，國(guó)軒高科、天津力神、比亞迪、寧德時(shí)代、冠宇電池、東莞新能源這些企業(yè)的鋰電池產(chǎn)品才得以立足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。（如圖5）

根據(jù)公開(kāi)資料顯示，在國(guó)家大力支持下，鋰離子電池的技術(shù)路線開(kāi)始變?yōu)樨?fù)極材料以人造石墨和復(fù)合硅碳材料為主，正極材料朝著高鎳低鈷方向發(fā)展。隨著國(guó)家補(bǔ)貼政策調(diào)整和雙積分政策的實(shí)施，汽車(chē)和電池企業(yè)面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)，這迫使企業(yè)加大對(duì)電池技術(shù)研發(fā)的投入，企業(yè)需要通過(guò)創(chuàng)新探索新技術(shù)、新產(chǎn)品、新業(yè)態(tài)、新商業(yè)模式， 這將對(duì)建立電池技術(shù)新體系起到積極推動(dòng)作用。在中國(guó)制造2025里面提出動(dòng)力電池能量密度需要突破400Wh／kg， 要達(dá)到這樣一個(gè)目標(biāo)， 對(duì)生產(chǎn)企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)都提出了新的挑戰(zhàn)。

圖5鋰電池申請(qǐng)人排名分析（來(lái)源：智慧芽英策專(zhuān)利分析系統(tǒng)）

參考文獻(xiàn)

［1］蘭鳳崇，李詩(shī)成，陳吉清 ＆ 李偉?。?019）．基于專(zhuān)利分析的鋰離子動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)． 科技管理研究（12），144－150．
doi：CNKI：SUN：KJGL．0．2019－12－021．

［2］余志敏，周述虹，閻澄 ＆ 張?。?017）．鋰離子電池三元材料專(zhuān)利技術(shù)分析． 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)（03），596－604．doi：

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