基于专利分析的我国动力电池产业发展研究

基于专利分析的我国动力电池产业发展研究

宋　微　戴　磊　史　琳　李彩霞

（吉林省科学技术信息研究所）

摘　要:动力电池是指可为电动汽车、电动列车、电动自行车等电动设备及工具提供动力，并具有高能量和高功率的蓄电池。目前动力电池产业已经成为当今世界的研究热点。随着汽车的大量增加，石油资源的不断减少以及城市尾气污染的日益加剧，使得越来越多的国家开始重视新能源的开发和使用。随之而来的，对于新能源交通工具的研究也得到广泛的重视，动力电池产业的发展被放到越来越重要的位置。本文从专利分析的角度分析动力电池产业的发展状况，从而对动力电池的技术领域选择及发展趋势进行分析。

关键词:电动汽车；动力电池；专利分析；发展趋势

一、电动汽车动力电池发展现状

法国化学家于1859年发明了铅酸蓄电池，经过20多年的发展，1881年被成功地应用于世界第一辆电动三轮车上。但是由于铅酸电池循环寿命短、存储能量小等缺陷，因此在上个世纪初电动汽车没有得到很好的发展。随着能源危机和环境污染问题的日益加剧，汽车技术也呈现出燃料多元化和动力电气化等发展趋势。拥有低消耗、低排放或零排放特性的电动汽车获得了越来越高的市场地位，并逐渐得到世界各国的重视，发展电动汽车的关键环节就是车载动力电池的发展。

本文所述动力电池主要应用于电动汽车产业，作为动力电池的市场需求状况与电动汽车的市场状况密切相关。根据《汽车产业调整和振兴规划》要求，到2011年我国要形成50万辆电动汽车的规模（保守估计占全部汽车销售量的5%），形成10亿Ah的汽车电池产能，预计其中锂离子动力电池的市场需求量约2亿Ah，镍氢动力电池的市场需求为8亿Ah。鉴于项目是为长春市发展新能汽车产业配套，同时满足国内其他厂商对动力电池的需求，确定初步规划为到2011年建成年产3000万Ah磷酸亚铁锂动力电池产能，在磷酸亚铁锂动力电池中占据约15%的份额，在汽车动力电池中占据10%的市场份额。年产1.6亿Ah镍氢动力电池产能，在镍氢电池中占据约20%的份额，在汽车动力电池中占据16%的市场份额。

二、动力电池的主要分类及性能对比

目前国内外研究开发的电动汽车用动力电池主要包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、铁镍电池、钠氯化镍电池、钠硫电池、锂电池、空气电池、燃料电池、太阳能电池等。

从实际应用中看，电动汽车动力电池的性能好坏主要取决于以下几个指标:（1）比能量（Wh/kg）——单位质量的电极材料放出电能的大小，它标志着纯电动模式下电动汽车的续航能力。（2）比功率密度（Wh/l）——燃料电池所能输出的最大功率除以整个燃料电池的重量或体积，用来描述电池在瞬间能放出较大能量的能力。（3）比功率（W/kg）——单位质量的电池所能提供的功率，用来判断电动汽车的加速性能和最高车速，直接影响电动汽车的动力性能。（4）循环寿命——是电池充电-放电循环一周的次数，是衡量动力电池寿命的重要指标。循环次数越多，动力电池的使用时间越长。（5）成本——电池的成本与新技术、原材料、制作工艺和生产规模等因素有关。通常新开发的高比功率动力电池成本相对较高，但是随着新技术的不断采用，电池成本将会逐渐降低。

表2.1　汽车用动力电池性能比较

数据来源:财达研究

铅酸电池质量重，充电放电功能较差，循环寿命短，此外，铅酸电池含有的重金属铅，对环境的污染严重，且在强烈的碰撞下会产生爆炸对消费者的生命安全构成威胁，因此，铅酸电池将会被淘汰。

镍镉电池的技术成熟，冲击和振动，自放电小、性能稳定，可大电流放电，使用温度范围宽:40～65℃，几乎不用维修。但电流效率及能量效率尚欠佳，活性物质利用率低，有记忆效应等。其致命缺点是含有有毒金属元素镉。欧盟国家已经自2005年12月31日起禁止了镍镉电池的进口，其长期将逐渐被性能更好的绿色电池所取代。

镍氢电池具有高比功率、电流充放电大、无污染、安全性能好等特点，缺点是具有轻度记忆效应，高温环境下性能差，但是由于其技术成熟，综合性能好，是当前混合动力汽车中应用最为成熟的绿色电池。大功率镍氢动力电池正迎来一个划时代的发展机遇，在已经研制或投入生产的混合动力汽车中80%以上均采用镍氢电池作为动力电源。

锂离子电池性能比较高，可以快速充电、高功率放电、能量密度高且循环寿命长，但价格高和高温下安全性能差，但是随着锂离子电池的正负极材料不断开发，技术不断成熟，锂离子电池将在电动汽车时代发挥主导作用。

燃料电池是将燃料的化学能转变为电能的装置。但燃料电池在产生电能时，参加反应的反应物质在经过反应后，不断地消耗且不再重复使用，因此，要求不断地输入反应物质。燃料电池的技术性能确定后，只要源源不绝地供给燃料，就可以源源不绝地产生电能，其放电特性是连续进行的，但是燃料电池不可以反复充电，燃料电池以氢燃料为主，氢燃料虽然没有任何污染，技术也相对成熟，发动机特性优于现有的内燃机，但成本很高，另外在增加续驶时间等方面还要进一步加强，而且需要有庞大的基础设施配合，这些技术性工作相当长时间内很难达到预期的效果，商业化比较困难。

三、电动汽车动力电池专利分析

（一）动力电池领域的专利申请趋势分析

1.国内动力电池领域专利积累呈现扩张态势

截止到2012年10月30日，国家知识产权局已公开的动力电池领域专利申请总量达2522件，较之2011年增长246件，动力电池领域专利积累继续呈现扩张态势，产业技术创新继续保持较高的活跃度，产业的专利积累最为雄厚。另外，在2522件专利申请总量中，发明专利申请量超过1217万件，实用新型专利申请量达到1235件。显示出行业整体的技术创新能力持续提高。但与2011年相比，专利产出的年均增幅有所下降。

图3.1　按申请年的专利数量分析

2.产出规模指数

表3.1　最近6年国内专利产出规模变化情况

（二）专利申请技术分析

国内在动力电池产业10个技术领域的发明专利申请比例正逐年提高，2012年，10个领域中5个领域的发明专利申请比重为82%。表明国内在这些技术领域的研发能力不断提升。

（1）区域技术分析

图3.2　国内动力电池产业十个技术领域发明专利申请比重

（2）技术趋势分析

图3.3　国内动力电池产业十个技术领域的趋势分析

（3）技术关联度分析

图3.4　国内动力电池产业十个技术领域的技术关联度分析

（三）专利申请人分析

（1）申请人趋势分析

截至2012年10月，内地企业申请动力电池专利总量最大的是比亚迪股份有限公司，第二、和第三名一次是奇瑞汽车股份有限公司和天津力神电池股份有限公司。内地动力电池领域专利申请总量前十位的其他企业均少于100件，高等院校排在企业之后。在专利申请量排名前十位的企业中，除清华大学和北京理工大学之外，均为企业，这表明这些领域知识产权竞争更为激烈，专利积累也明显强于其他行业。

图3.5　国内动力电池产业十大专利申请人专利申请排名图

（2）申请人构成分析

图3.6　国内动力电池产业十大专利申请人专利申请占比图

（3）申请人技术分析

图3.7　国内动力电池产业十大专利申请人的技术分析图

（4）申请人综合分析

（四）专利区域分析

1.国内的专利申请总量超过国外

国内在各行业的专利申请总量均超过国外，数量优势明显；但国内各产业的专利申请技术含量与国外来华申请有较大差距。但是，国外发明专利申请量仍超过国内，不过差距在逐年缩小。

2.内地各省份动力电池专利申请量都有较大增长

2011年，内地各省份动力电池专利申请总量超过100分省份有十家。内地各省份动力电池专利申请增长速度各有不同。其中，申请量最多的是广东，其次是北京、江苏、浙江和上海等。

续　表

四、动力电池发展趋势分析

1.市场前景分析

随着能源危机日益临近，电动汽车产业的发展对高能动力电池的需求巨大，根据电动汽车对动力电池的性能要求，镍氢电池和磷酸亚铁锂离子电池将成为汽车用动力电池的发展方向。

磷酸亚铁锂动力电池和磷酸亚铁锂电池材料有巨大的市场空间，其在电动汽车领域的应用可以极大地带动该产业的发展。

中国锂离子电池的生产总量已位居世界第二。随着国内电芯厂家生产技术的进一步提高，基于成本的原因，专家预计在不久的将来中国将超过日本成为世界锂离子电池的第一大生产国。中国目前有大大小小的锂离子电池生产厂50多家，其中，比亚迪公司已日产30万只以上，邦凯公司日产已突破10万只，华粤宝、贵州航天、银思奇等公司日产量已达到4万～8万只，其他厂家都纷纷在扩大规模。另外，由于中国巨大的潜在市场的吸引，国外电池生产厂，如日本三洋等纷纷来中国建电池厂，意欲更大规模地抢占中国市场。专家预言，21世纪，中国不仅会成为锂离子电池第一需求大国，而且会成为锂离子电池的第一生产、出口大国。

国内方面，山东海霸通讯设备有限公司投资3亿元人民币，新建厂房占地350亩，拟建成国内最大的磷酸铁锂动力电池生产基地。万向集团实测了山东海霸的磷酸铁锂聚合物动力电池。深圳市比亚迪电池股份有限公司正致力于研究动力汽车，目前该公司大批量采购国内生产的磷酸铁锂电池，该公司已经先购入三条不同的烧结设备准备进行中试研究。

在磷酸亚铁锂电池材料方面，北大先行科技产业有限公司在锂离子电池材料方面在国内处于领先地位，成功地研制出具有国际先进水平的正负极材料，实现了高性能磷酸铁锂材料和单体动力电池制备和产业化技术的突破，并顺利实现产业化，成为国际上少数几家能够批量生产磷酸铁锂材料的企业之一，所制备的磷酸铁锂动力电池成功应用于奥运纯电动大巴和纯电动环卫车，取得良好的社会效益。磷酸亚铁锂产能500吨/年。

河南环宇集团和青岛澳柯玛都希望能寻找到供应磷酸铁锂材料的国内生产厂家，还有一些锂离子电池生产厂家都已经对磷酸铁锂系列的电池进行了较长的研究，已经获得了使用经验，市场已经逐渐成熟。欧美、中国台湾、日本方面对磷酸铁锂材料也有很大的需求量，目前磷酸铁锂材料在国内和国际市场上都处于供不应求状态，苏州恒正科技制备的磷酸铁锂材料售价高达30多万/吨，另外，台湾必翔愿意独家包销湖南瑞翔的磷酸铁锂材料5年，足见国际市场磷酸铁锂的需求之旺盛。

综合上述分析，随着电动汽车产业的发展，磷酸亚铁锂动力电池作为电动汽车的能量源其市场需求巨大，从而对磷酸铁锂正极材料的需求同样剧增。磷酸亚铁锂动力电池和正极材料均具有广阔的市场前景，在未来的两三年内，磷酸铁锂电池的市场需求量将达5万吨以上，尤其是在动力型电池应用方面对磷酸铁锂的需求将大幅增加。

随着世界能源的日益紧张，高油价使混合动力汽车成为汽车发展的一种必然趋势。用于混合动力汽车的电池备受世人瞩目。目前，高功率镍氢动力电池已成为混合型电动汽车动力电源的首选。一汽、东风汽车公司在市场上成功运营。混合动力车在我国的销量会与日俱增，为大容量动力镍氢电池打开了应用市场空间。

随着镍氢电池生产技术的成熟和节能减排力度的加大，适合于电动车用比能量均可达50～70Wh/kg的100Ah、80Ah、40Ah、15Ah系列密封镍氢动力电池，在国内已率先成功应用于电动三轮车、电动汽车，其一次充电行驶距离均大于120公里。电动摩托车、电动自行车已在全国各大城市风靡，这个应用市场空间也非常可观。

由于镍氢电池具有高比能量、高功率、适合大电流放电、可循环充放电、无污染，被誉为“绿色电源稳压器”。因此，除了用于上述领域外，还可应用于某些军事装置和医疗装置、潜水艇、电动工具等领域。某些工业应用领域要求二次电池的充放电循环次数多，易于保养，高功率，可在高温或低温下工作，镍镍氢电池由于满足以上要求被优先采用。尽管锂离子电池与锂聚合物电池获得了应用，但由于镍氢电池经受了市场的考验，备受消费者信赖。但在数码领域逐步被锂电池取代。

丰田汽车公司将与松下电器公司合作，大幅增产用于混合动力车等环保车型的车载电池，实现混合动力车的产量达到全球总产量1/10的目标。与此同时，丰田加强了现有工厂的镍氢电池产能。届时，PEVE的车载电池产能有望从2007年的50万块左右增加到2011年的100万块，实现翻番。

在能源日益紧张的大环境下，电动汽车已成为未来的消费趋势，随着国内电动混合动力车技术的日趋成熟，近二三年内，国内企业纷纷加大投入，大力发展动力型镍氢电池产业。

湖南神舟科技股份有限公司与湖南大陶精密科技集团有限公司签订合作协议，分三期投资5.4亿元在长沙高新技术开发区内建超大功率镍氢动力电池生产基地。

江苏奇能电池有限公司（中澳合资企业）动力镍氢电池项目开工。采用国内外最先进的设备和一流的绿色环保技术，使用国内外高质量的原材料，专业生产镍氢高功率型电池。

内蒙古稀奥科有限公司是由内蒙古包钢稀土公司与美国两家电池公司共同投资建设。公司全套引进美国专业从事电池设备生产的世界知名公司的全自动生产线，包括正极板和负极板设备、电池卷绕和电池装配以及化成、分选设备和质量检测设备，生产线自动化程度高，质量检测设备先进，测试手段齐全，为单体电池的性能一致性提供了有力的设备保证。

从以上几点不难看出镍氢动力电池具有较大的市场前景。

2.发展趋势分析

传统的铅蓄电池由于性价比高、大功率性能优异、性能可靠等优势，在较长时期内，作为汽车启动型电源仍不会被其他系列的电池所取代；在轻度混合的油电混合动力车以及牵引、搬运等部分纯电动车辆中，仍将是主要电源之一；在欠发达国家，作为电动自行车电池仍将占有较大比重。铅蓄电池作为动力电池因环境保护和替代产品竞争等因素，发展将受到一定的限制。镉镍电池作为电动工具电池在短时间内仍不会被淘汰，因欧盟等国家产业政策的出台，作为其他动力电池将受到禁止。氢镍电池仍将是电动车和混合动力车的主要电源之一，因镍价大幅度上涨和电池组一致性差等技术问题，竞争优势下降。燃料电池等新型电池因技术成熟度和成本等问题，近期不可能成为动力电池的主流产品。锂离子电池随着一些新型材料产业化，性能不断提高，售价不断下降，作为小型动力电池将得到快速发展，中期将成为动力电池的主导产品。LiMn² O⁴、LiFePO⁴等新型正极材料的研发成功和产业化使锂离子电池的安全性得到提高，成本大幅度下降。电池本身的技术进步和保护系统性能的改善，使锂离子电池的安全性问题基本得到解决。较小容量的动力电池在日本等国已批量使用。但大容量电池（特别是LiCoO²系列）的安全性问题仍需进一步探讨。动力型锂离子电池性价比优势将越来越显现。随着新型材料和电池的规模化生产，电池价格下降的空间较大，售价在近几年内有望达到2元/Wh以下，远期可达到1～1.5元/Wh，综合使用成本有望接近铅蓄电池。LiMn² O⁴和LiFePO⁴将成为最有希望的锂离子正极材料，材料本身的弱点有望通过掺杂等研究获得进一步突破。锂离子电池正极材料的主要性能见表2.1。日本配备锂离子电池的电动自行车已批量投放市场；国内苏州星恒源等公司已批量投产电动自行车用锂离子电池。配备锂离子电池的混合动力车已在多个国家（包括中国）试验或批量应用试验。据日本《富士经济》等预测，2005—2010年，电动车用锂离子电池将逐步普及，2008年配备锂离子电池的混合动力车将批量供应市场，2010年将占混合动力车的20%（30万辆），2015年将达到50%以上（150万辆）。动力锂离子电池的性能将会有新的突破，成本有望大幅度下降。国内外产业政策将有利于锂离子、氢镍等“环保型”电池的发展。国内外对含有害物质电池的管理要求的提高，将使含铅、镉等重金属电池的经营成本提高，市场竞争力下降，也给“环保型”电池带来发展机遇。

五、总结

动力电池的市场前景十分诱人，技术成熟度、产品性能、生产成本和环境污染是影响产业化和市场竞争力的关键因素。新型动力电池商品化进程主要受制于技术突破和售价，随着新材料技术的进步，其发展次序可能会打破常规。市场突破取决于技术的结合，电动车技术是一项系统工程，必须靠机械、电子、电化学、自动化、材料工程等多学科现代化技术的有效结合。

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