摘要：基于动力电池产业链，通过专利视角分析动力电池产业的发展，从锂离子动力电池产业链上游中的关键材料出发，对锂离子动力电池的正负极材料、隔膜及电解液的发展趋势进行研究。认为发展正极材料是大幅度提升动力电池比能量的首选，其将朝着高电压、高容量的方向发展；发展硅基负极材料成为行业共识。并结合动力电池产业链中下游的关键技术，对动力电池匹配与优化、电池制造工艺及电池回收与梯级利用提出改进建议。
动力电池作为新能源汽车的核心部件，其安全性、能量密度、寿命、以及成本等直接影响着新能源汽车的发展。国际上一些主要汽车强国如日本、美国、德国、韩国等国家，都对新能源汽车的动力电池做了比较详细的研发规划，其中涉及到材料、电池系统集成、标准体系、新体系电池等内容。2015年，中国电动汽车以33.11万辆的销量超越了美国和欧盟，成为全球最大的电动汽车市场，在新能源汽车行业的发展方面实现了里程碑式的跨越。虽然我国动力电池产业规模已经全球领先，但企业工程制造能力偏弱，动力电池的各项关键技术水平相较国外先进水平仍存在一定差距，国际竞争力不强。因此我国动力电池产业需要持续加强技术研发，掌握核心技术，提高动力电池企业的核心竞争力，从而将产业做优、做强。近年来，为了进一步改进动力电池产业支撑体系，一系列与动力电池相关的管理规范和政策被密集发布。
由中国汽车工程学会发布的《节能与新能源汽车技术路线图》明确指出，2020年，纯电动汽车动力电池单体比能量达到350Wh/kg，系统比能量达到250Wh/kg。在管理规范方面，我国发布了《汽车动力蓄电池行业规范条件》，对动力电池产业的规范和引导起到了重要作用。除宏观层面的支持政策之外，我国还在科技研发、智能制造以及动力电池回收利用等环节对动力电池产业发展进行了支持。
目前，锂离子动力电池广泛应用于电动汽车领域，锂离子动力电池具有比能量密度大、低自放电率、寿命长及无记忆效应等优点。在目前的发展阶段，锂离子动力电池还处于多种材料共存的局面。三元动力电池有着能量密度大、大倍率充电和低温性能良好等优点，但循环性能方面和安全方面，磷酸铁锂电池都优于三元动力电池。在安全性能方面，伴随着行业对电池系统能量密度要求的提高，电连接技术、热管理技术、电池管理系统(BMS)技术以及被动防护等方面均需要进一步的深化研究，以强化行业之间的协同发展、共同创新的模式，确保高能量密度电池系统的可靠性、稳定性和安全性。作为新能源汽车产业链中最关键的环节之一，电池产业结构从上游生产到下游回收利用过程不同程度的影响着电池的性能，进而决定了整车续驶里程以及整车的安全性和可靠性，动力电池产业链组成部分如图1所示。
本文基于动力电池产业链，通过专利视角分析国内外动力电池产业发展趋势，先从产业链上游中的关键材料出发，对锂离子动力电池的正负极材料、隔膜及电解液的发展趋势进行研究。接着，结合动力电池的关键技术分析锂离子动力电池产业链的中下游，包括电池匹配与优化、电池制造工艺及电池回收与梯级利用等方面，以得到动力电池的未来技术发展方向。
1.1 国际动力电池产业链发展概况
通过编写检索式在TI数据库进行检索，共得到全球锂离子动力电池材料和管理系统领域的专利申请量为95712件。全球锂离子动力电池领域的专利申请基本分布情况如图2所示，日本、中国、韩国及美国的专利量排名全球前4，在锂离子动力电池领域占据着主导地位，总占比高达87.7%，其中全球锂离子电池产业已经基本形成中日韩三分天下的格局。市场份额方面，韩国位居全球第一，中国第二；技术方面，日本领先；企业数量方面，中国最多，产能最大。
图2 全球锂离子动力电池领域的专利申请基本分布情况
从检索得到的数据中，对专利申请人进行排名和标注，结果显示前30位申请人的专利占全球专利总量的40%，约27.6%的专利集中在前15位申请人手中。这表明大量的专利技术被掌握在主要申请人手上，转化专利成果效率高。但部分专利分散严重，价值利用率有待发掘和改善，特别是随着电动汽车发展的不断推进。松下、丰田、三星、LG化学等主要申请人在全球的动力电池行业具有重要的影响力和竞争力，全球专利主要申请人申请专利情况如图3所示。
国际主流电池企业的动力电池产品相关信息如表1所示。总的来看，从锰酸锂(LMO)到镍钴锰(NCM)酸锂和镍钴铝(NCA)酸锂三元材料是日本锂动力电池产业发展的技术路线。例如，松下电池公司采用镍钴铝酸锂作为正极材料，应用于特斯拉和丰田Prius等车型。韩国企业早期以锰酸锂作为正极，近年来LG化学和三星SDI已经转向了镍钴锰酸锂三元材料，应用于通用Volt等车型。另外，由日本东芝公司和美国Altairnano公司联合开发的以钛酸锂代替传统的石墨负极材料的锂离子电池，具有高功率、安全性好、循环寿命长、适用温度范围宽的优点，成为动力电池另一个可能的选择。
1.2 国内动力电池产业链发展概况
中国锂离子动力电池领域的专利申请趋势如图4所示，1999-2007年期间，专利申请量增长缓慢，表明这一时期中国锂离子动力电池处于探索与技术萌芽阶段。自2008年以后，出现了一些重要和关键的专利技术，如磷酸铁锂、三元动力电池以及正负电极、隔膜和电解液等方面，专利申请量增长幅度加大，到2010年专利量已达到1985件，在动力电池领域的技术方面取得了一定的突破；之后的3年中，中国的专利申请量高速增长，2012年已高达3517件，使得锂离子动力电池技术飞快发展。2012年到2013年锂离子动力电池发展态势不是很理想，国内企业在动力电池的领域刚开始布局和投资，下游产业也还处于开发阶段，专利申请量申请缓慢。随着国家的导向、企业的重视和逐渐清晰的发展趋势，2014年迎来了专利申请的小高潮，2016年达7373件，根据现阶段的趋势可以推测，申请量在2020年将会突破10000件，且将会大大提高专利技术价值。
目前我国动力电池产业以磷酸铁锂和三元锂为主，客车市场以磷酸铁锂为主。由于磷酸铁锂电池的能量密度提升空间有限，伴随着行业对电池系统能量密度要求的提高，国内主流企业如比亚迪等，技术路线向三元材料转换趋势明显。另外，国内电池行业竞争格局发生了较大的发化，CATL市场份额超越了比亚迪，成为行业领头羊，而国轩也挤掉沃特玛进入行业前三甲。国内部分主流企业的电池产品相关信息如表2所示。
2.动力电池产业链上游的关键材料发展趋势
随着动力电池产能快速扩张，位于动力电池产业上游的材料厂商也迎来了发展机遇，正极材料、负极材料、电解液和隔膜四大关键材料都将迎来快速发展期。编写专利检索式在广东省专利信息服务平台检索得到有关动力电池材料的专利有25764件，其中正极材料有5023件、负极材料有5276件、隔膜有6837件、电解液有8628件。如图5所示，从各种材料申请的趋势可以看出各材料从1999年到2009年申请量稳步增加，每年以约25%的增长趋势增加，从2010到2013年增长速度加快，正极材料从275件增长到532件、负极材料从239件增长到477件、隔膜从275件增长到640件、电解液从405件增长到790件。2014年受行业调整和发展方向不明确的影响，专利申请量增长有所减缓，随后2015年，随着国家导向和全球各国新能源汽车发展规划，专利申请增长速度增加，从申请趋势可以得到近几年锂电池产业发展速度快，国家和企业投入产出成正比，通过发展趋势可以预测未来五年国内锂电池行业当达到全新高度，届时将与日本锂电池企业相媲美。
2.1 高容量、高电压的正极材料
按照技术指标容量由小到大排列，动力电池采用的正极材料主要有尖晶石锰酸锂材料、高电压镍锰酸锂材料、磷酸铁锂材料、镍钴锰、镍钴铝三元材料以及富锂层状锰酸锂材料等，正极材料综合性能对比如表3所示。锰酸锂(LMO)的优势是倍率性能好、原料成本低、热稳定性好，但其高温循环性能差。磷酸铁锂(LFP)成本低，对环境污染较小，有着良好的循环性能和安全性能，因而目前其成为电动汽车动力电池的主流材料之一，但能量密度偏低限制其应用于续航能力好的乘用车领域。容量高是三元或多元材料的最大优点，但仍然存在一些亟需解决的问题，包括倍率性能和安全性能较差。采取合适的安全材料如陶瓷隔膜材料，可以提高三元正极材料的安全性能，这已成为行业共识。
目前动力电池的最终能量密度主要是由正极材料决定，因为负极材料和电解液一般采用冗余配置，正极材料的比容量远小于常用的石墨负极材料的比容量。细化来看，现阶段主导动力电池市场的是磷酸铁锂材料和三元材料，随着材料技术的进步和电动汽车对续航里程的追求，高容量的NCM和NCA三元材料将迎来发展机遇期。2018年后容量更高的NCM622材料的市场份额将会稳步增加，2021年NCM622材料的市场份额将会达到40%以上，在2021年之后容量更高的NCM811材料将会强势崛起，在2025年NCM811材料将会占据动力电池正极材料的半壁江山。容量同样较高的NCA材料由于成本等因素的限制，市场份额将会一直维持在比较稳定的水平。
总体来看，采用高容量、高电压的正极材料是提高电池比能量的最佳方式，对于提高电动车的续航性能具有重要意义。正极材料的发展趋势为NCM111-NCM622-NCM811，NCA材料则将会过渡到高镍NCA材料。
2.2 高比能量、高安全性的负极材料
动力电池采用的负极材料主要有石墨、硬碳、软碳、中间相碳微球、硅碳及钛酸锂等，负极材料综合性能对比如表4所示。低成本、高安全性和高比能量是负极材料继续发展的方向，目前锂离子动力电池的主流选择仍然是石墨类材料。为了提高负极材料的能量密度，行业公认的有效途径之一是在石墨材料加入制备硅碳复合材料或者硅。硅的理论能量密度是石墨材料的10倍，高达4200mAh/g。根据报道，特斯拉采用的松下18650电池的能量密度提高到550mAh/g以上，因为其在传统石墨负极材料中加入了10%的硅。另外，硅在常温下可与锂合金化，生成Li15Si4相，理论比容量高达3572mAh/g，远高于商业化石墨理论比容量(372mAh/g)，而且硅元素在地壳中储量丰富(26.4%，第2位)，因此硅负极材料是最具发展潜力的下一代锂离子电池负极材料之一，一直受到研究人员的广泛关注。但动力电池在充放电过程中，由于硅的体积会膨胀100%～300%，负极极片上的活性材料会脱落从而降低了电池的循环寿命。为了实现长循环和低膨胀的硅碳复合负极材料开发，生产壳核结构或者特殊形貌的硅碳复合材料等是解决技术问题的手段之一。
总之，随着我们对动力电池能量密度要求的提升，当前及今后一段时间内产业化及应用的重点方向将会是合金类材料，尤其是硅碳复合材料。
2.3 隔膜
隔膜作为离子运输的通道，本身不参与电化学反应，电池的倍率、安全及循环等性能受到隔膜的显著影响。隔膜材料方面，聚烯烃材料是主流的选择，主要有单层膜和复合膜，包括聚乙烯及聚丙烯两大类产品。改善隔膜材料可以发展基于聚烯烃(尤其是聚乙烯)的隔膜，隔膜材料研发的重点仍将是提高隔膜的安全特性和电化学特性。对隔膜材料表面进行表面改性处理可以提高动力电池的安全性。薄型化的隔膜材料是当前的发展趋势，为了进一步提升动力电池能量密度，使用薄型化隔膜不仅可以提高正负极材料的含量，而且可以降低隔膜的比重。近几年，三元电池开始应用16μm、12μm甚至8μm的湿法隔膜，经过工艺改进的干法隔膜也能够应用于三元电池中。
2.4 电解液
随着不断完善和改进的电极材料，对与之匹配的电解液的要求也加大了，高环境适应性和高安全性是行业对电解液的基本要求。在接下来的一段时间内，六氟磷酸锂仍是动力电池的主流产品选择，因为开发新型电解液体系难度很大。一些新型锂盐如双氟磺酰亚胺锂盐(LiFSI)得到了初步的应用，其电导率较高和在溶剂中的溶解度也较高，并且能提升电池的循环寿命和充放电性能，具有更高的安全性和更宽的工作温度。但其缺点是成本高、杂质含量多和高温稳定性差，目前主要作为辅料添加剂与六氟磷酸锂配合使用。
针对不同特性的电极材料和不同用途的动力电池，功能电解液添加剂的开发和溶剂配比的优化变得特别重要。例如，在电池中加入阻燃添加剂可以防止在高温、过充电、和针刺等极端条件下的安全性能得到提升；为了实现延长电池寿命，可以加入SEI膜成膜添加剂调控SEI膜的组成与结构。目前，电解液研发的关键问题是进一步提高电池的安全性和能量密度，锂离子动力电池电解液材料的中远期发展目标主要集中在新型溶剂与新型锂盐、离子液体、添加剂等方面，固态电解质和凝胶电解质也是未来发展的方向。全固态电池也是未来储能电池和动力电池领域发展的重要方向，因为其在能量密度、寿命和安全性等都具有潜在的良好特性。
3.动力电池产业链中下游的关键问题与改进
动力电池是一个复杂的系统，改善电池的整体性能不能只优化单一材料或者成分，还要重点关注动力电池产业链中下游的关键技术，改进动力电池应用中的制约因素。当前，动力电池行业普遍面临着两大现实困境，一是补贴退坡和3万公里补贴标准的情况下，资金回收周期变长；二是上游材料涨价、下游整车厂要求降价，国内动力电池企业需要作出战略调整，寻求出路，同时新能源汽车企业也需要寻求相对稳定的合作关系，稳定企业发展。另外，降低成本是动力电池产业链发展的关键，可实现的途径有3种：第一种是通过技术革新实现产能的大幅度提高；第二种是进行标准化与模块化，提高交易效率，降低交易成本；第三种是规模效应，包括下游车型的减少、单个车型数量的增加等。
总体而言，无论是从整车企业还是从动力电池企业角度来说，最终的出路在于国际供给与配套，动力电池的竞争不仅仅是电池单独的竞争，新能源汽车的竞争也并非是单独的汽车企业之间的竞争，至少需要上升到产业链竞争的高度。而整车企业的筹码是在各个环节上不断在这个产业链里面足够深入的配套，在某种意义而言是先集中再把价值链分化的变化过程，改进动力电池产业链中下游的关键问题尤其重要。
3.1 动力电池匹配与优化
动力电池的性能很大程度上取决于电池系统的合理匹配与优化。为了提高动力电池的能量密度和功率性能，可采取以下措施：(1)合理优化正负极的涂覆面密度和压实密度，因为其会显著影响单体电池的能量密度和功率特性。(2)优化高效导电剂、高强黏结剂的协同作用，选用新型导电剂CTNs、石墨烯、VGCF一种或多种复合使用，以构建稳定的三维导电网络，确保锂离子的传输阻力最小化，提升电池倍率性能。(3)在电池设计方面，采用轻量化电池设计与高孔隙率隔膜技术，从而提升电池能量密度和功率性能。
3.2 电池制造工艺和尺寸规格化
智能工艺制造技术对于改善动力电池性能和降低成本尤为重要。目前，智能化制造通过自动化设备、MES管理软件平台来提高一致性和产品品质。动力电池智能制造技术未来将会朝着四大方面长远发展：(1)产品标准化与制造过程标准化。当前我国动力电池产品规格尺寸过多且难以统一已是共识，这将给未来的动力电池智能制造实施增加了难度。动力电池尺寸的标准化建立，对降低研发生产成本和提升回收效率也有明显的促进作用。(2)规模化生产必须遵从高质量、大规模和降成本的发展方向。(3)动力电池制造越来越朝着高品质、高效、高稳定性，以及信息化、无人化、可视化的方向发展。(4)绿色制造。
3.3 电池回收与梯次利用
动力电池回收的目的是分解提取电池的重金属、化学材料及副产品，梯次利用是将动力电池用于其他性能要求较低的应用领域。电池回收与梯次利用流程如图6所示。
2018年1月26日由工信部、环境保护部、科技部、商务部、交通运输部、能源局等发布的《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》：相关企业在动力电池回收利用的各环节要履行相应责任，汽车制造企业承担动力电池回收的主体责任，落实生产者的责任延伸制度，保障动力电池的有效利用和环保回收。坚持产品全生命周期理念，遵循社会效益、环境效益和经济效益有机统一的原则，充分发挥市场作用。
《节能与新能源汽车产业发展规划(2011～2020年)》中明确提出：“要建立动力电池梯级利用和回收管理体系和制定动力电池回收利用管理办法，明确各相关方的责任、权利和义务。” 建立智能化、高效率、低成本回收生产线是改进回收技术的重点，从而实现低损耗、低投入、高效率的智能化分解，回收Li、Ni、Co及石墨等材料。在梯次利用技术方面，需要完善动力电池模块标准化设计，建立标准化梯次利用系统，从而拓展新的再利用场景，提升梯次利用效益。
锂离子动力电池是目前最有实用价值的的动力电池，但仍然存在着许多待解决的应用问题，特别是续航能力、安全性和回收利用等问题。动力电池发展的总目标是高安全、高比能量、长寿命、低成本，通过专利视角分析国内外动力电池产业发展情况，从动力电池产业链视角出发，对动力电池关键材料、电池制造和系统技术全产业链上同时进行研究，以电池的关键技术发展为核心，以回收利用为保障，远近结合，统筹推进新型锂离子动力电池和新体系电池的研发和产业化具有重大现实意义。随着新能源汽车的快速发展，动力电池将迎来爆发式增长。
文章来源：期刊-《科技管理研究》；作者：兰凤崇1,2，骆济焕1,2，陈吉清1,2，李屹罡1,2(1.华南理工大学机械与汽车工程学院；2.广东省汽车工程重点实验室)
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