施穎佳　盧世晴　方紅

摘? 要：為掌握純電動車輛用鋰離子電池的發(fā)展現(xiàn)狀，文章基于DI專利數(shù)據(jù)庫、INCOPAT專利數(shù)據(jù)庫對車輛鋰離子電池的專利情況進行了深入的分析，多維度揭示國內(nèi)外發(fā)展趨勢，總結(jié)國家分布，梳理研究熱點，指出當前我國純電動車輛鋰離子電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)存在技術(shù)發(fā)展時間短、領(lǐng)先優(yōu)勢不足、專利國際布局不合理、技術(shù)保護有待加強等問題，需要深化企業(yè)以及研究機構(gòu)之間的合作，緊跟國家政策并進行專利預警。

關(guān)鍵詞：純電動車輛；鋰離子電池；專利分析；電池技術(shù)

中圖分類號：TP39；G306；C18 文獻標識碼：A 文章編號：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

隨著對零排放、無污染、環(huán)境友好型新能源需求的增長，各國投入了大量資源開發(fā)新能源技術(shù)，新能源汽車產(chǎn)業(yè)進入快速發(fā)展階段，我國的新能源汽車保有量已經(jīng)達到全球55%[1]，而鋰離子電池作為新能源電動汽車產(chǎn)業(yè)中最關(guān)鍵的一環(huán)，直接影響新能源汽車的使用。鋰離子電池具有容量大、循環(huán)壽命長、自放電率小和無環(huán)境污染等優(yōu)點[2]，有望取代氫鎳電池，成為新能源電動汽車的主要動力電池[3]，發(fā)展前景廣闊。我國作為鋰離子電池的產(chǎn)出大國，動力電池技術(shù)水平不斷提升，但是在快速發(fā)展的過程中也面臨不少難題，比如電池安全性以及壽命有待提升，環(huán)保性有待加強，高能量與高功率的兼容性難以平衡等[4]。

專利信息是反映領(lǐng)域發(fā)展的重要指標之一，通過專利分析能從宏觀上掌握發(fā)展趨勢與潛在市場，微觀上能掌握技術(shù)熱點與瓶頸。當前對鋰離子電池專利分析的研究集中在產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、電池主材以及電池性能等方面，如蘭鳳崇等人利用專利信息分析了全球鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀，認為政府應(yīng)加快企業(yè)資源整合，促進產(chǎn)學研發(fā)展，開展國際合作[5]；張謙等人對三元正極材料進行分析，詳細研究其技術(shù)路線與工藝制備，認為需要完善技術(shù)分支布局，形成專利聯(lián)盟[6]；靳文婷等人基于專利搜索引擎，研究了鋰離子電池能量密度的發(fā)展態(tài)勢，認為應(yīng)進一步加大產(chǎn)學研合作，改進電池電芯的主要材料以及制造工藝[7]。當前的研究成果十分豐富，然而，鋰離子動力電池的應(yīng)用范圍廣泛，除電動汽車領(lǐng)域，還有能應(yīng)用于電動自行車、電動三輪車等，本文集中于純電動車輛領(lǐng)域研究，研究結(jié)果更具有針對性，能夠為國家和企業(yè)制定發(fā)展規(guī)劃提供決策參考。

1? 專利數(shù)據(jù)庫選擇與分析維度

純電動車輛鋰離子電池專利數(shù)據(jù)來源于Derwent Innovation專利數(shù)據(jù)庫，檢索了1991年至2021年的純電動車輛鋰離子電池領(lǐng)域的所有專利，得到20 361件專利（由于專利從申請至公開以及被數(shù)據(jù)庫收錄會存在一定滯后期，故2021年的專利數(shù)量僅供參考[8]），將其作為分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析工具綜合應(yīng)用了DDA、DI專利地圖以及Incopat等軟件，從專利申請趨勢、主要申請國家/地區(qū)、主要申請人、技術(shù)功效等多維度展開分析研究。

2? 全球發(fā)展趨勢研究

2.1? 整體態(tài)勢分析

由圖1可知純電動車輛鋰離子電池領(lǐng)域的發(fā)展經(jīng)過了3個階段。2000年前處于萌芽期，能源危機不顯著，研究處于較低水平，盡管專利申請量為個位數(shù)，但是研究成果具有建設(shè)性，Padhi等人發(fā)現(xiàn)的磷酸鹽已成為當前主流的正極材料，日本和美國的專利幾乎占領(lǐng)整個市場[9]。2000年至2007年進入緩慢發(fā)展期，電動汽車相關(guān)行業(yè)技術(shù)發(fā)展還未成熟，相關(guān)專利數(shù)量不多，日本和美國依然技術(shù)領(lǐng)先。2008年后進入快速發(fā)展期，各國對能源危機關(guān)注增加，對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的扶持力度增強，特別是在各國宣布禁售燃油車時間后，專利量大幅增長，除日本與美國以外，中國實力突出，為整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展貢獻了巨大力量。2019年后專利申請量略有下降，可能是專利申請存在時間滯后。與此同時，專利趨勢線趨向平緩，電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展迎來了最佳時期，增長量趨于穩(wěn)定，專利從量向質(zhì)轉(zhuǎn)變。

2.2? 專利優(yōu)先權(quán)國家分布分析

由于技術(shù)水平與戰(zhàn)略布局不同，對純電動車輛鋰離子電池的研發(fā)集中于部分國家，由圖2可知，日本、德國、中國、美國和韓國為主要市場。日本處于領(lǐng)先地位，申請量占比為60.01%；德國和中國的專利申請量占比接近，均為2 000件左右，占比分別為10.53%和10.79%；美國和韓國占比接近，均為1 000件左右，占比分別為6.71%和5.75%。

日本是研發(fā)最早、實力最強、專利最多的國家，于20世紀就已經(jīng)產(chǎn)出較多專利，在進行本國專利保護的同時還布局于美國、德國、韓國等國際市場，以松下、豐田等車企為代表，既有純電動車輛研發(fā)優(yōu)勢，又能夠直接向市場供應(yīng)鋰離子電池[6]；德國在2007年前關(guān)注蓄電池、搖椅式電池等方面的研究，2007年至2012年期間進入技術(shù)儲備期，投入科研精力較大，但是2012年之后的研發(fā)不夠活躍，出現(xiàn)申請量下降的趨勢；中國專利申請總量高，但是起步晚，直到2013年才突破100件，電動汽車市場規(guī)模的擴大帶動了純電動車輛鋰離子電池的發(fā)展，近年來產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境優(yōu)化，技術(shù)創(chuàng)新能力持續(xù)提升[10]，既有實力雄厚的動力電池企業(yè)，也有純電動汽車研發(fā)企業(yè)，優(yōu)勢企業(yè)有寧德時代、比亞迪、國軒高科等公司；美國投入研發(fā)也較早，以磷酸鐵鋰電池為主，以研發(fā)鋰硫電池、鋰空氣電池等體系為未來發(fā)展方向[11]，以特斯拉、通用汽車、福特公司等企業(yè)為代表，研究方向較為前沿，并在德國布局了14%的專利，在世界知識產(chǎn)權(quán)組織布局了24%的專利，國際市場份額占比較高。韓國則以三星、LG為代表，主要以鋰離子動力電池企業(yè)為主，但是純電動車輛研發(fā)優(yōu)勢稍顯不足。

2.3? 主要專利申請人分析

由圖3可知純電動車輛鋰離子電池專利前10位申請人中有7個來自日本，日本表現(xiàn)突出，其中豐田汽車有限公司申請專利最多，共有2 817件，遠高于其他公司，且專利布局于6個國家，注重國際市場擴展，在全固態(tài)鋰離子電池方面科研水平突出；日產(chǎn)汽車有限公司為日本跨國汽車制造商，是最早將鋰離子電池用作動力電池的企業(yè)。韓國的優(yōu)勢企業(yè)主要在鋰離子電池獨立供應(yīng)方面，三星集團和LG化學均為電池生產(chǎn)商。博世有限公司從事汽車與智能交通技術(shù)、工業(yè)技術(shù)和能源技術(shù)等產(chǎn)業(yè)，專利申請量為1 090件，位列第二，領(lǐng)域涉及動力電池管理系統(tǒng)技術(shù)與系統(tǒng)集成方面。雖然中國的專利總量較大，但是由于起步晚，產(chǎn)業(yè)集中優(yōu)勢未凸顯，專利較為分散。

2.4? 技術(shù)趨勢分析

通過對圖4專利地圖的分析，發(fā)現(xiàn)純電動車輛鋰離子電池領(lǐng)域研究內(nèi)容涉及動力電池產(chǎn)業(yè)鏈的上、中、下游。

基材層、活性物質(zhì)、電極活性材料層等為鋰離子電池原材料、電芯材料的研究重點，可細分為正極材料、負極材料、電解質(zhì)材料和隔膜材料。正極材料中，復合氧化物關(guān)注度較高，特別是鋰鈷氧化物、鋰鎳氧化物和鋰錳氧化物等，而三元材料作為鎳鈷錳酸鋰和鎳鈷鋁酸鋰為代表的多元金屬復合氧化物，具有三種金屬的優(yōu)勢的能力[12]，是各企業(yè)研究的重點。此外，磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰同樣受到關(guān)注，尤其是磷酸鐵鋰，由于原材料低廉[13]，循環(huán)性和安全性好，能量密度較低的優(yōu)勢，深受客車以及部分物流車廠商的青睞。負極材料中石墨相關(guān)專利較多，此外硅、納米硅等非碳材質(zhì)關(guān)注度也在不斷提升。電解質(zhì)材料集中在非水有機溶劑、有機電解質(zhì)等方面，其他非活性材料成分，如黏合劑成分、熱熔等也受到關(guān)注。隔膜材料研究集中在微孔薄膜、活性物質(zhì)顆粒等方面。

此外，電池外殼、鋰離子電池模塊、裝配、電極組件等整合制造也受到持續(xù)關(guān)注，檢測電路、電壓、充電、電力等與電池性能有關(guān)的專利數(shù)量也較多，由于當前鋰離子動力電池還存在工作電壓不穩(wěn)定、變化大、充電慢、充電難等問題，對性能研究是未來研究重點。

3? 中國發(fā)展趨勢研究

3.1? 整體態(tài)勢分析

由圖5可知，中國的純電動車輛鋰離子電池專利產(chǎn)出同樣經(jīng)歷了三個階段。第一階段為萌芽期（2003年前），幾乎沒有相關(guān)專利產(chǎn)出，部分專利產(chǎn)自外國企業(yè)，處于技術(shù)儲備階段，主要對鋰離子電池的活性材料方面進行研究。第二階段為緩慢發(fā)展階段（2003—2009年），專利產(chǎn)量與申請人數(shù)量逐年遞增，但每個申請人的專利量不多，產(chǎn)業(yè)集中優(yōu)勢尚不明顯，專利集中于搖椅式電池、蓄電池等方面。第三階段為快速發(fā)展階段（2010—2021年），新能源汽車基本具備產(chǎn)業(yè)化發(fā)展實力，純電動汽車和混合動力汽車開始小規(guī)模投放市場，鋰離子電池相關(guān)專利申請量激增?！缎履茉雌嚠a(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》中提到，2025年新能源汽車銷量將達到新車總銷量的20%左右，到2035年，純電動汽車將成為新銷售車輛主流，可見國內(nèi)市場發(fā)展空間將不斷壯大，鋰離子動力電池技術(shù)突破將是今后發(fā)展重點。

3.2? 專利布局情況分析

圖6展示了純電動汽車鋰離子電池中國企業(yè)專利布局情況，專利申請總量為2 226件，主要布局于本國，國內(nèi)電動車市場需求量大、政策扶持力度大，發(fā)展環(huán)境良好，對于在該領(lǐng)域發(fā)展了僅10年左右的中小企業(yè)而言，國內(nèi)成為專利布局的首要選擇，但在其他國家布局的專利數(shù)量不多，總和占比不到6%。

國內(nèi)專利申請量靠前的省份集中于長三角、京津冀和珠三角城市圈范圍內(nèi)，排名第一的為廣東省，作為珠三角核心城市，鋰離子動力電池產(chǎn)業(yè)鏈完整，多家龍頭企業(yè)坐落于此，如比亞迪集團和比克電池等。江蘇、浙江、上海、安徽、湖北為長三角經(jīng)濟帶中下游城市，聚集了合肥國軒高科動力能源有限公司、蜂巢能源和上海航天電源等優(yōu)勢企業(yè)，浙江大學、同濟大學和南京大學等實力院校。北京和天津作為京津冀城市圈代表，高校的科研實力強于其他地區(qū)，清華大學、北京理工大學和北京工業(yè)大學等產(chǎn)出大量專利。

3.3? 主要申請人分析

中國純電動車輛鋰離子電池領(lǐng)域?qū)＠暾埲饲闆r如圖7所示，位列前10的申請人有寧德時代新能源科技股份有限公司、合肥國軒高科股份有限公司、中國電子科技集團有限公司等機構(gòu)，其中寧德新能源科技有限公司為日本TDK集團屬下全資獨立運作公司，其余9家為中國機構(gòu)，國內(nèi)市場以本體企業(yè)為研究主力。

寧德時代新能源科技有限公司在新能源汽車動力電池系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)等方面有較強實力，專利申請量為47件，位列首位。公司近幾年關(guān)注電池的循環(huán)性、穩(wěn)定性、密度等方面，研發(fā)動向與市場需求緊密結(jié)合；合肥國軒高科股份有限公司的專利申請量為46件，專利全部布局在國內(nèi)，主要布局在公司本部所在地—安徽省，近十年關(guān)注鋰離子電池降低結(jié)構(gòu)復雜性、提高安全性、提高操作便利性等方面的內(nèi)容；中國電子科技集團有限公司控股多家鋰離子電池企業(yè)，如天津力神電池股份有限公司、天津清源電動車輛有限公司等，專利申請量為44件，遍布多個省份，如天津、湖北和江蘇等地，近幾年的關(guān)注點集中在提高安全性、降低生產(chǎn)成本、降低結(jié)構(gòu)復雜性等方面；比亞迪公司為主要申請人中唯一的一家汽車制造商，綜合實力較強，專利被引頻次高于其他企業(yè)，專利的質(zhì)量較高，關(guān)注電池穩(wěn)定性、循環(huán)性和兼容性等方面的內(nèi)容。中國科學院和清華大學均為國內(nèi)高水平院校，大部分專利集中于電池材料方面的探索，并且注重專利轉(zhuǎn)化。

3.4? 技術(shù)趨勢分析

由圖8可知中國純電動車輛鋰離子電池專利研究熱點與全球近似，但細化領(lǐng)域略有不同。在四大主材中，中國最關(guān)注電池的負極材料，共有相關(guān)專利492件，以鈦酸鋰、石墨等為研究熱點，近幾年硅負極材料、預鋰化技術(shù)的相關(guān)專利增多。正極材料相關(guān)專利共有488件，磷酸鐵鋰（LiFePO4）、復合正極材料、聚合物等為研究熱點。電解液的相關(guān)專利為229件，非水電解質(zhì)、非水溶劑、有機溶劑、碳酸酯類等為研究熱點。隔膜相關(guān)專利有168件，聚合物、無紡布、聚烯烴等為熱點研究內(nèi)容。

電池整合制造方面集中于電芯組件、極耳、核/芯、控制機制、組裝等方面。其中，控制機制等作為電池管理系統(tǒng)（BMS）的核心，是國內(nèi)研究的熱點，關(guān)注度高于國外。此外，電池性能研究熱點集中在驅(qū)動電路、電壓、溫度、參數(shù)等內(nèi)容，主要涉及電壓穩(wěn)定性、充放電穩(wěn)定性、電池容量、電池充電溫度、電池續(xù)航里程等方面。

從圖9的技術(shù)功效分類來看，提高電池安全性能，降低生產(chǎn)成本和結(jié)構(gòu)復雜性，提高穩(wěn)定性等為近幾年專利布局的重點，最受關(guān)注的是安全性，電池安全為應(yīng)用的基礎(chǔ)，國內(nèi)申請人已經(jīng)布局了較多專利，自2013年起一直為熱點。其次為降低成本，成本過高為制約電池廣泛應(yīng)用的重要因素，會導致無法形成規(guī)模效應(yīng)。環(huán)境改善相關(guān)研究在2014年至2016年間熱度較高，近幾年略有降低。目前高效安全的電池回收處理方法不夠完善，沒有市場化機制，存在巨大發(fā)展?jié)撃埽档酶鞔髲S商關(guān)注。

4? 結(jié)? 論

通過對純電動車輛鋰離子電池領(lǐng)域?qū)＠难芯浚疚牡贸鲆韵陆Y(jié)論：

1）產(chǎn)業(yè)發(fā)展進入最佳時期，專利申請量增長較快，國際市場以日、中、德、美、韓企業(yè)為主。日本絕對優(yōu)勢突出，發(fā)展穩(wěn)定，以汽車廠商為研發(fā)主力軍，產(chǎn)業(yè)整合能力強；美、韓和德國企業(yè)進入市場較早，但近幾年發(fā)展略有疲軟；中國由于技術(shù)發(fā)展時間短，單個企業(yè)的申請量難以和國際領(lǐng)先企業(yè)比肩，但發(fā)展?jié)摿薮?，且當前專利申請總量較高，國內(nèi)市場本地企業(yè)優(yōu)勢明顯，電池廠家優(yōu)勢突出。

2）專利布局方面，日本、美國、韓國等國家均在國際市場謀劃布局，但是中國企業(yè)專利大部分布局集中在國內(nèi)，主要集中于經(jīng)濟發(fā)達城市群，國際專利布局戰(zhàn)略有待優(yōu)化，究其原因，一方面中小企業(yè)缺乏專利保護意識，未及時申請國際專利，未將知識產(chǎn)權(quán)保護與企業(yè)整體發(fā)展結(jié)合在一起，導致被國外企業(yè)占領(lǐng)先機。另一方面，專利研發(fā)實力不足，價值水平不高，未達到國際專利水平。

3）技術(shù)熱點與功效方面，國內(nèi)外均在動力電池全產(chǎn)業(yè)鏈布局大量專利，特別是上游原材料以及中游電芯材料方面，專利量較大，下游整合制造方面也受到持續(xù)關(guān)注，國內(nèi)研究熱點緊跟全球熱點，此外，成本和安全問題一直為國內(nèi)企業(yè)關(guān)注點，因為成本較高和安全性有待提高導致產(chǎn)業(yè)規(guī)模不大，難以突破規(guī)模壁壘，因此突破這兩大難點有助于我國企業(yè)的長遠發(fā)展。

隨著中國市場的重要性凸顯，越來越多的國外企業(yè)會更加關(guān)注中國市場，為了應(yīng)對發(fā)展過程中的薄弱點，保持國內(nèi)企業(yè)發(fā)展優(yōu)勢，穩(wěn)定專利申請量增長態(tài)勢，本文提出以下幾點建議：

1）深化企業(yè)、高校以及科研機構(gòu)間交流合作，提升專利質(zhì)量，促進技術(shù)向市場的轉(zhuǎn)化。高校及研究機構(gòu)在開發(fā)新產(chǎn)品、跟蹤最新技術(shù)、掌握前沿研究方面存在突出優(yōu)勢，企業(yè)則在規(guī)模化生產(chǎn)、生產(chǎn)工藝的研發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營等方面具有優(yōu)勢，因此深化產(chǎn)學研合作，采取聯(lián)合開發(fā)、技術(shù)轉(zhuǎn)讓等形式，形成利益共同體，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，加快專利成果落地，讓核心專利研發(fā)和市場搶占兩不誤。

2）國家助力企業(yè)發(fā)展，企業(yè)緊跟政策步伐。新能源汽車及相關(guān)產(chǎn)業(yè)興起初期，國家出臺了極大力度的補貼和支持政策，激勵大量企業(yè)進入市場，近年來，資質(zhì)審核更加嚴格，技術(shù)門檻不斷提高，倒逼了企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量，有助于產(chǎn)業(yè)向著高質(zhì)量方向發(fā)展。

3）企業(yè)加強專利信息預警，提升全球戰(zhàn)略意識。探索專利信息預警長效機制，把握競爭對手研發(fā)的技術(shù)方向，借鑒先進技術(shù)，避免低水平重復研究，從而提高自身技術(shù)創(chuàng)新效率。另外，企業(yè)需要提升專利全球布局意識，積極申請國際專利，利用專利技術(shù)壁壘壟斷優(yōu)勢，拓展國際市場份額。

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作者簡介：施穎佳（1993—），女，漢族，浙江嘉興

人，館員，碩士，主要研究方向：科學計量學、文獻計量學；盧世晴（1992—），女，漢族，湖北武漢人，館員，碩士，主要研究方向：圖書情報學；通訊作者：方紅（1976—），女，漢族，浙江杭州人，副館長/副研究員，碩士，主要研究方向：文獻計量、產(chǎn)業(yè)研究、專利分析。

收稿日期：2022-12-12

基金項目：浙江省科技信息研究院基本科研項目（2023jbky08）