今年以來，新能源汽車和鋰電池市場持續火爆，鋰電池上游原材料價格快速攀升。其中，正極材料是鋰電池最為關鍵的原材料，包括碳酸鋰、氫氧化鋰等。目前碳酸鋰、氫氧化鋰、電解液等都出現不同程度的上漲，有的原材料相比今年年初漲幅已經超過了200%。“一貨難求”已經成為了當前鋰電池企業原材料採購的現狀，更有甚者很多原材料生產企業的訂單排到了明年。
為什麼今年的鋰電池原材料資源如此緊俏？首先從全球範圍來看，中國作為全球最大的鋰消費國，2019年鋰需求佔到全球的57%。而這其中有60%的需求來自於鋰離子動力電池。作為我國的戰略性新興產業，鋰電池作為新能源汽車的“心臟”，其重要性不言而喻。
所以瞭解中國鋰離子動力電池的產業發展小到對幫助讀者甄別真假新能源汽車，大到對我國新能源汽車乃至可持續發展戰略都具有十分重要的意義。筆者基於智慧芽全球專利資料庫，分析鋰電池的基本原理和優劣勢，從專利角度對鋰離子動力電池的技術發展前景進行預測，從而一起持續關注未來產業發展。
三元和磷酸鐵鋰已成為電動汽車主流正極材料
簡單一句話概況鋰離子電池的定義：“利用鋰離子的濃度差進行儲能和放電。”其次，從鋰離子電池的基本構成來看，主要由正極、負極、電解液和隔膜四大原材料組成。
而對於當前技術條件下，正極材料不僅是決定電池效能的關鍵因素，也是鋰電池中成本最高的部分，其對電池包的能量密度、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，適用領域也不一樣，可以說不是所有的鋰電池正極材料都適用新能源汽車。
圖1電池正極材料比對（來源：智慧芽英策專利分析系統）
基於上表的比對，我們來理一理不同型別鋰電池在市場上的應用情況。
先說說鈷酸鋰，作為動力鋰電池的鼻祖，最先被用在特斯拉Roadster上，但由於其迴圈壽命和安全性都較低，事實證明其並不適用作為動力電池。為了彌補這個缺點，特斯拉運用了號稱世界上最頂尖的電池管理系統來保證電池的穩定性。但實際上，後來也未得到市場的認可。現在鈷酸鋰則在3C領域佔據很大的市場份額。
第二是錳酸鋰電池，最先由電池企業AESC提出，這個AESC的後臺是日產和日本電氣股份有限公司（NEC）的合資。錳酸鋰代表車型是為日產聆風，由於其價格低，能量密度較低，安全性也一般，具有所謂的較好綜合性能。但由於新能源汽車處於普及階段，使用者對於續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所替代。
第三是磷酸鐵鋰，作為比亞迪的主打材料，其穩定好，壽命長，且具有成本優勢，特別適用於需要經常充放電的插電式混合動力汽車，但其缺點是能量密度一般。不過瑕不掩瑜，由於其穩定不易自燃的特性以及當前三元鋰電池仍未解決頻繁自燃的問題，磷酸鐵鋰電池有望進一步擴大其市場規模。
最後是三元鋰電池，作為冉冉升起的新星，能量密度最高。對於續航里程有要求的純電動汽車，其前景更廣，是目前動力電池的主流方向。但其安全性較差，大部分的電動汽車自燃事故基本都是源自於安裝了三元鋰電池。不過近期國內廣汽釋出的“彈匣電池”和比亞迪釋出的“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汽車自燃的風險。
國內鋰離子動力電池的專利申請處於穩步增長趨勢
鋰離子動力電池的萌芽階段是從1972年開始，斯坦利。威廷漢進入埃克森公司，他的團隊製造出世界上第一款可充電的鋰電池（正極二硫化鈦，負極鋰金屬），埃克森在1976年申請了專利。他原創性的設計為現代鋰離子電池提供了基礎。
在基礎性技術不斷突破的發展階段，吉野彰在1983年研發出世界第一個可充電鋰離子電池的原型。1985年開創性用碳（聚乙炔）代替除金屬鋰作為負極材料，確立了可充電含鋰鹼性鋰電池的基本概念，並取得日本註冊專利，1991年，鋰離子電池由Sony首次商業化。（如圖2）
圖2鋰電池產業重要節點和發展階段（來源：鋰電池行業白皮書）
此後從1997年開始就進入了鋰電池的大規模商用化階段，圖3顯示了2002-2021年新能源汽車鋰電池專利申請量和授權比的年度變化趨勢。從總體上看，鋰離子動力電池專利申請數量呈現上升發展的態勢，這與全球能源危機、環境不斷惡化、政府政策引導與扶持、汽車產業的發展以及智慧財產權保護意識的逐漸提高關係密切。
1、鋰離子動力電池相關專利的兩個增長時期：
1）第一增長階段（2002-2011年）
從2002年開始，鋰電池的專利申請量呈現快速增長的態勢，其年均專利申請增長率達到40。15%；整個專利申請量處於高速增長的態勢。其主要源於2007年以前中國處於新能源戰略佈局與探索階段，專利申請少，這一階段是國內鋰離子動力電池技術的研發初期；2008年後，在國家和地方政府的大力支援下，為追求更高的能量密度的鋰離子動力電池，正負極材料、隔膜和電解液等關鍵技術領域相繼取得突破，一批高價值的專利被申請，申請數量增加很快。
2）第二增長階段（212-至今）
2012到2013年鋰離子動力電池發展趨勢不明朗，下游市場產業仍處於開發階段，國內各企業在動力電池領域剛剛開始投資和佈局，導致專利申請量申請放緩。隨著國家導向、企業的投入和漸漸明朗的市場發展態勢，2014年開始迎來了申請小高峰，2016年達到1。94萬件，2017年開始鋰電池產業已經進入成熟的市場化運作階段，基本技術難點被解決，因而年均專利申請增長率降低到20。9%。
根據國家經濟研究局建立的階段平均趨勢法預測，2021年鋰電池專利申請量將達到3。18萬件；2022年和2023年的專利申請量分別達到4。24和4。6萬件；2022年申請鋰電池的專利將會迎來5年來的首個高峰。
圖3鋰電池全球專利申請趨勢（來源：智慧芽英策專利分析系統）
2、鋰電池技術中美日韓雖四足鼎立
從IPC分類號（小類）中不難發現，在鋰電池技術領域中，H01M電池組是最具有創新熱度的分支，佔到了所有相關專利比重的58。06%；其次是H02J供電或配電系統，該分支主要體現在與鋰電池強相關的充電和放電領域；第三是G01R測量分支，該分支主要是測量鋰電池的各種溫度、散熱等狀態的訊號系統。H01M、H02J、G01R三者的專利量總和超過總專利量的3/4。（如圖4）
圖4鋰電池技術構成分析（來源：智慧芽英策專利分析系統）
筆者從申請人排名中發現，與鋰電池相關的專利申請量最多的前1個申請人都是中國的公司和高校，側面反映出中國企業對鋰電池技術的重視程度。
實際上，在全球鋰電池的技術研發和產業化程序中，中、美、日、韓雖然形成四足鼎立的局面。但不可否認的是日本在技術研發方面依舊領先，韓國的鋰電池產品市場份額全球第一，中國的鋰電池產品仍舊在產品力上存在一定的差距。所以，申請人排名前1位都是中國企業主要源於我國針對性的新能源產業補貼保護政策，國軒高科、天津力神、比亞迪、寧德時代、冠宇電池、東莞新能源這些企業的鋰電池產品才得以立足國內市場。（如圖5）
根據公開資料顯示，在國家大力支援下，鋰離子電池的技術路線開始變為負極材料以人造石墨和複合矽碳材料為主，正極材料朝著高鎳低鈷方向發展。隨著國家補貼政策調整和雙積分政策的實施，汽車和電池企業面臨嚴峻的考驗，這迫使企業加大對電池技術研發的投入，企業需要透過創新探索新技術、新產品、新業態、新商業模式， 這將對建立電池技術新體系起到積極推動作用。在中國製造2025裡面提出動力電池能量密度需要突破400Wh/kg， 要達到這樣一個目標， 對生產企業和研發機構都提出了新的挑戰。
圖5鋰電池申請人排名分析（來源：智慧芽英策專利分析系統）
參考文獻
［1］蘭鳳崇，李詩成，陳吉清 & 李偉健。（2019）。基於專利分析的鋰離子動力電池產業發展趨勢。 科技管理研究（12），144-150。 doi：CNKI：SUN：KJGL。0。2019-12-021。
［2］餘志敏，周述虹，閻澄 & 張健。（2017）。鋰離子電池三元材料專利技術分析。 儲能科學與技術（03），596-604。doi：
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