摘要：随着全球变暖成为人类社会共识，世界各国政府开始针对碳排放作出限制，普遍开始推出禁止销售燃油车的计划，新能源汽车成为行业长远发展的选择。其中动力电池是新能源汽车的动力来源，也是新能源汽车最主要组成部分之一。本文系统分析了近年来新能源汽车用锂离子动力电池的相关专利技术，梳理了相关技术分支和发展脉络；并结合目前技术发展现状和面临的问题，给出未来发展建议和方向预测。
关键词：新能源汽车；锂离子动力电池；专利分析
一、前言
锂离子动力电池是一种充电电池，主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。其主要结构由正极、负极、电解液、隔膜四部分构成。其中正极材料的性能直接影响着锂离子电池的性能，其成本也直接决定电池成本高低，约占电池成本的40%，因而追求高能量、长寿命、低成本是其主要技术发展方向。目前主流的正极材料包括钴酸锂、锰酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。
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二、正极材料专利技术分析
从图1的正极材料全球申请量发展趋势来看，其技术发展按专利申请的情况主要分为三个阶段：（1）萌芽期（1993年之前）：这一时期，每年全球专利数量只有十几项。此时锂电池正极材料技术处于技术摸索阶段。（2）平稳增长期（1994-2008年）：从1994年开始，正极材料相关的专利申请数量开始稳步增长。1994年，得州大学发现了锂金属磷酸盐材料。1999年，蒙特利尔大学、魁北克水电公司、法国国家研究中心共同发明了碳包覆磷酸铁锂并获得专利权。（3）快速增长期（2009年-至今）：2009年以后，随着中国经济的快速发展和新能源汽车政策的陆续颁布，锂离子电池引起广泛关注。中国的锂离子电池正极材料技术也迎来了发展机遇期，随着其市场份额的加大，竞争的加剧，以及专利保护意识的提高，使得中国锂离子电池企业加大专利申请和保护的力度，以期与国外大型企业更好地展开竞争，从而将该技术的专利申请量推到了一个新的高度。可以预见未来若干年，该领域仍然会是热门的研究领域。
图1正极材料全球申请趋势
全球范围内，排名前十五位的申请人中中国占据7席、日本占据3席、韩国占据3席，美国占据1席。目前来看，韩国、日本申请人在锂离子动力电池正极材料产业的申请量大且技术整体处于领先地位，其中韩国的LG集团和三星集团专利申请量分别占据第一、二位，LG的申请量达到了1135项，三星的申请量达到了673项；日本申请人的排名也相对靠前，稳稳占据第二梯队；中国申请人近年来特别关注锂离子动力电池领域，越来越多的企业投入到正极材料的研发中，申请量也在逐渐增加，逐渐成为第三梯队的主力军，但与全球巨头企业差距仍然较为明显。中国申请人中，比亚迪排名第一，申请量达到了289项。除了企业对锂电池正极材料领域研究有极大兴趣外，高校和科研机构在国家资助下也积极投入，进行了大量的专利申请。中南大学作为中国高校的代表，其科研实力有目共睹，努力攻关突破技术难题。各大车企也在积极布局，以期形成一条功能完整、有竞争力的产业链条。
三、三元正极材料专利技术分析
三元锂电池的比能量、比功率更大并且在大倍率充电、和耐低温性能等方面，三元锂电池也有很大的优势。但由于三元材料包括贵金属钴，而上游钴资源相对匮乏且供给集中成本较高
、价格波动大，因而其研发重点在于降低金属钴的含量，主要途径包括提高镍含量，以及彻底去除金属钴。
从三元材料市场来看，中镍材料占据主流，高镍材料占比逐年增加，根据其中镍钴锰摩尔含量的不同，大体可以分为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2（523型）、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2（622型）、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（811型）等等，但镍含量的增加将导致电池的循环性能变差、稳定性降低，因而相应的材料改性手段是高镍三元电池的研发重点（如图2-4所示），主要包括：采用碳/石墨材料包覆高镍三元正极材料，增加材料内的离子和电子传输通道，提高导电性能，限制正极材料与电解液之间的反应，进一步提高循环性能；采用金属氧化物包覆高镍三元正极材料，避免活性物质与电解液直接接触，减少副反应和过渡金属的溶解；采用金属离子掺杂高镍三元正极材料，即在晶格中掺杂一些金属离子；采用浓度梯度结构的高镍三元正极材料，具有浓度梯度结构的壳可以提供锂离子的平缓过渡，会具有更高的比容量和更好的循环性能及倍率性能。
图2 三元正极材料技术路线
四、磷酸铁锂正极材料专利技术分析
鉴于磷酸铁锂电池材料自身限制，目前领域内重要申请人对磷酸铁锂电池的关注主要集中于改进其封装结构，进而提升其单位能量密度，图3示出了目前两种主要封装结构改进方案。
图3磷酸铁锂电池封装结构的改进
封装结构的改进主要有两方面：1、改进封装结构，采用扁平化、无模组设计，由电芯直接组成电池包，提高电池板内部空间利用率，进而提升电池能量密度；2、取消了常规电池均设置的极耳结构，电极一段直接与壳体或者专门设计的盖板进行连接，电流直接在电极集流体、盖板、壳体之间传导。
五、总结和发展建议
梳理关于锂离子动力电池的相关专利申请，可以看出目前主要的研发热点在于正极材料的改进，重点是三元材料和磷酸铁锂正极材料。其中磷酸铁锂目前申请基本稳定，受限于材料本身的理论容量密度，材料技术已进入瓶颈期，但由于价格优势和安全性能稳定，近年有回升的趋势，主要在于封装结构上的创新，提高电芯能量密度；三元为了提高能量密度，逐渐从中低镍向高镍化发展，主要涉及涉及形貌、单晶化、残碱及改性等多个方面。为满足对高容量和低成本的要求，镍钴锰三元材料开始向低钴化甚至无钴化发展，无钴高镍正极材料是未来研发的趋势。
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