基于专利分析的我国动力电池产业发展研究
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〔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；产业
〔中图分类号〕G255.53〔文献标识码〕A〔文章编号〕1008-0821（2014）06-0132-07
1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年被成功的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3 000万安时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1.6亿安时镍氢动力电池产能，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。
2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（W h/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（W h/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。
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，内部参加反应的反应物质经过不断的消耗反应，由于其不可重复使用性，需不间断的继续输入反应物。燃料电池在其反应稳定后，需要不断地提供燃料而将化学能转变为电能，放电特性连续，但不可反复充电使用。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。
3电动汽车动力电池专利分析
3.1动力电池领域的专利申请趋势分析
3.1.1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日的国家知识产权局已公开的动力电池领域专利申请趋势情况。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2 522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2 522件专利申请总量中，发明专利申请量超过1 217万件，实用新型专利申请量达到1 235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。
3.1.2产出规模指数表2最近六年国内专利产出规模变化情况
3.2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。
3.2.1区域技术分析
国内动力电池产业申请量最多的领域是H01M10/00（二次电池及其制造），其次是H01M2/00（非活性部件的结构零件或制造方法）领域、H01M4/00（电极）领域和H02J7/00（用于电池组的充电或去极化或用于由电池组向负载供电的装置）领域，4个领域的申请量占本专题专利总数的75%，说明国内动力电池产业的主要专利技术集中在这4个领域。
注：H01M10/00：二次电池及其制造；H01M2/00：非活性部件的结构零件或制造方法；H01M4/00：电极；H02J7/00：用于电池组的充电或去极化或用于由电池组向负载供电的装置；B60L11/00：用车辆内部电源的电力牵引；B60K1/00：电动力装置的布置或安装；G01R31/00：电性能的测试装置，电故障的探测装置，以所进行的测试在其他位置未提供为特征的电测试装置；B60K6/00：用于共用或通用动力装置的多个不同原动机的布置或安装，例如具有电动机和内燃机的混合动力系统；B60R16/00：专门适用于车辆并且其他类目不包含的电路或流体管路，专门适用于车辆并且其他类目中不包含的电路或流体管路的元件的布置；B60S5/00：车辆的保养、维修、修理或重装。
3.2.2技术趋势分析
通过对电动汽车产业的技术趋势分析，得出在2006年之前，电动汽车产业的各项技术都处于起步阶段，专利申请量较少。2007-2011年，各领域专利申请数开始快速增长，说明动力电池产业各领域技术进入高速发展阶段。考虑到发明专利一般从申请到公开需要18个月甚至3年的时间，因此专利申请在2011-2013年的数量表现不是真实的，所以，在此不作过多分析。
注：H01M10/00：二次电池及其制造；H01M2/00：非活性部件的结构零件或制造方法；H01M4/00：电极；H02J7/00：用于电池组的充电或去极化或用于由电池组向负载供电的装置；B60L11/00：用车辆内部电源的电力牵引；B60K1/00：电动力装置的布置或安装；G01R31/00：电性能的测试装置，电故障的探测装置，以所进行的测试在其他位置未提供为特征的电测试装置；B60K6/00：用于共用或通用动力装置的多个不同原动机的布置或安装，例如具有电动机和内燃机的混合动力系统；B60R16/00：专门适用于车辆并且其他类目不包含的电路或流体管路，专门适用于车辆并且其他类目中不包含的电路或流体管路的元件的布置；B60S5/00：车辆的保养、维修、修理或重装。
3.3专利申请人趋势分析
3.3.1申请人趋势分析
截止到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。
3.3.2申请人构成分析
截止到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。
3.3.3申请人技术分析
从专利申请人技术分析来看，比亚迪股份有限公司在H01M（用于直接转变化学能为电能的方法或装置）和H02J（供电或配电的电路装置或系统；电能存储系统）领域的专利申请量都排在国内第一位；但在B60K（车辆动力装置或传动装置的布置或安装；两个以上不同的原动机的布置或安装；辅助驱动装置；车辆用仪表或仪表盘；与车辆动力装置的冷却、进气、排气或燃料供给结合的布置）领域的技术申请量低于浙江吉利控股集团有限公司，在B60L（电动车辆的电力装置或动力装置；用于车辆的磁力悬置或悬浮；一般车用电力制动系统）领域的专利申请量低于奇瑞汽车股份有限公司。
3.3.4申请人综合分析
通过对专利申请人的专利申请情况进行综合分析，从专利申请量来看，比亚迪股份有限公司在华专利申请量在国内处于领先地位。奇瑞汽车股份有限公司、天津力神电池股份有限公司和重庆长安汽车股份有限公司分别排在第2、3、4位，专利申请数远远高于其他公司。从专利申请人研发能力比较来看，比亚迪股份有限公司仍然排在国内的第一位，重庆长安汽车股份有限公司排在第二位。
3.4专利区域分析
3.4.1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虽然均超过国外，在数量上有显著优势；在专利的技术含量上国内各行业申请与国外来华申请仍存在很大的差距。与此同时，国外在发明专利申请量上仍超过国内，不过差距在逐年缩小。
3.4.2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10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。
4.1动力电池市场前景分析
电动汽车产业伴随着全球性能源危机的到来得到了长足的发展，而其对高能动力电池的需求更是巨大的，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的带动该产业的发展。
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4～8万只，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。
在国内，坐落于山东省枣庄高新区内的山东海霸通讯设备有限公司，总投资33亿人民币，集科、工、贸为一体，拟建成国内最大的磷酸铁锂动力电池生产基地。该公司所研制的锂动力电池在国内外均处于领先水平，并填补了国内外大功率磷酸铁锂动力电池的空白，同时获得过多项国家专利。作为我国自主汽车企业代表的比亚迪正致力于研究节能动力汽车，因此该公司为满足生产需要在国内采购了大量的磷酸铁锂电池，该公司已经先购入3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。
在磷酸铁锂系列电池得到实质性发展的前提下，很多企业对供应磷酸铁锂材料的国内生产商有浓厚的合作意向，如河南环宇集团和青岛澳柯玛公司。同时国内一些电池生产企业在对磷酸铁锂系列电池进行了长时间的科研探索后，不仅获得了成熟的使用经验，还完善了市场。而国外对磷酸铁锂材料也有浓厚的兴趣，这些材料甚至一度供不应求，不仅国内一些生产企业售价曾一度高达30余万元/吨，宝岛台湾的企业――必翔居然取得一家国内企业该材料5年的独家报销权，磷酸铁锂在国内外市场上的旺盛程度可见一斑。
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潜力。磷酸铁锂电池的市场需求量将大幅度攀升，未来的两三年将达到5万吨以上，特别体现在磷酸铁锂在动力性电池的应用上。
全球能源紧张，油价也随石油价格不断增高，虽然近年来有所回落，但仍无法摆脱全球性能源危机的影响，今后汽车产业的主体必将是节能减排的混合动力汽车，而作为混合动力汽车的能源提供体――电池――将成为众人瞩目的焦点。如今，镍氢动力电池凭借其高功率优势成为混合动力汽车的首选。一汽、东风汽车公司在市场上已经成功运营了混合动力汽车，其销量将不断攀升，为具备大容量动力的镍氢电池开拓了市场。
生产镍氢电池的技术已逐渐成熟，我国针对节能减排的各项政策也相继出台，适合于电动车的一系列密封镍氢动力电池凭借其用比能量高、充电行驶距离较远的优势，已经成功运用在我国电动三轮车、电动汽车上，而在国外这些以节能减排闻名的电动节能摩托车、自行车早已风靡，因此镍氢电池的市场容量不容忽视。
基于高比能量、高功率、适合大电流放电，可循环充放电、无污染等一系列特点，镍氢电池还可在其他领域发挥作用，如某些军事装置和医疗器械装置等。而针对一些要求电池具备充放电循环次数多、便于保养、效率高、具备高低温工作性能的工业企业，镍氢电池被列为首选。尽管当今锂离子电池与锂聚合物电池都得到了应用，但镍氢电池凭借其以上优势，经受了市场的考验，得到了消费者的认同与信赖。
丰田公司为大幅生产为混合动力型汽车等环保车型提供能量支持的电池，已经开展了与松下电器公司的合作，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，该公司也提升了原有镍氢电池的产量。在2011年，丰田公司生产的PEVE车载电池产能增加到了100万块，是2007年产量的2倍。
电动汽车在全球性能源危机的推动下成为未来汽车行业的消费趋势，未来的几年内国内企业将伴随电动混合动力车技术的日趋城市而加大投入，动力型镍氢电池的发展将得到大力支持。
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。该公司生产的镍氢高功率电池，运用国际领先设备和绿色环保技术，同时原材料也采用国内外高质量材料。
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。
4.2动力电池发展趋势分析
作为启动型电源的传统的铅蓄电池由于其性价比高、大功率性能优异、性能可靠等优势，在较长时期内仍不会被其它系列的电池所替换；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；铅蓄电池在生产水平落后的国家仍然是电动自行车电源的主要电源。但是其在环境保护以及替代产品出现的情况下，未来的发展受到制约。作为电动工具电池的镉镍电池虽然在一定时期内不会被淘汰，但是其未来发展仍受到欧盟等国家对于环境污染问题重视的制约，欧盟等国家已经针对镉镍电池制定了禁止其作为动力电池使用的产业政策。电动车和混合动力车的主要电源――氢镍电池，虽然在今后一段时间仍存在明显的竞争优势，但其竞争优势也随原材料价格上涨以及一系列技术性问题的存在而下降。由于存在技术不成熟和成本高等问题，现今的动力电池主流产品在未来的一段时间内还不能被燃料电池等新型电池取代。锂离子电池作为小型动力电池在原材料产业化、性能不断提升的前提下，价格不断降低，将快速发展成为动力电池的主流产品。同时，锂离子电池的安全性随着其新型正极材料（LiMn2O4、LiFePO4等）研发成功和产业化得到保证，成本也大幅度下降。日本等国家已经开始批量使用这些小型动力电池。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。LiMn2O4和LiFePO4将成为最有希望的锂离子正极材料，这些材料虽然具有弱点，但仍可通过掺杂等技术手段得到改善和突破。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。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。
5总结
动力电池具备广阔的市场前景，影响其产业化和市场竞争力的关键因素在于动力电池的技术成熟度、产品性能、生产成本以及对环境的破坏。而技术创新和产品售价是阻碍新型动力电池商业化发展的主要因素，但是新型动力电池的发展可能会由于新材料的产生和新材料技术的进步而突破常态。只有将技术相结合，动力电池才能够突破市场。作为一项系统性的工程，电动车技术需要依靠多学科的有机结合，如电子、电化学、自动化、机械、材料工程等学科。
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