固态锂离子电池专利态势分析.pdf

研 究 设 计 装备机械 收稿时间：作者简介：盛丹（），女，硕士，经济师，主要从事专利检索分析工作固态锂离子电池专利态势分析 盛丹上海电气集团股份有限公司 中央研究院上海 摘要：传统液态锂离子电池存在安全性能低、能量密度差等问题，作为动力电池和储能电池，在推广应用中受到限制。由固态电解质制备的固态锂离子电池，具有能量密度大、安全性能高等优点，是电动汽车和规模化储能应用的理想化学电源。以 年度中国范围内公开的固态锂离子电池专利为基础，进行专利类型、技术热点、主要专利权人等分析，为固态锂离子电池的技术发展提供参考。：，关键词：固态锂离子电池；专利；分析 ：；中图分类号：文献标志码：文章编号：（）固态锂离子电池概述目前，制约电动汽车发展的主要障碍是续航里程和安全性问题。相对目前的液态锂离子电池技术来说，固态锂离子电池的安全性更高，能量密度也更高，对于电池正极材料的选择范围更广，可大幅提高电动汽车安全性和续航里程。固态锂离子电池技术是支撑电动汽车大规模代替燃料油车的关键技术，是动力电池技术的重要方向。固态锂离子电池使用固体电极材料和固体电解质材料，不含有任何液体，与传统电池构成的差异主要在于电解质固态化。从技术角度看，固体电解质层可以代替当前锂电池中的易燃液体溶液，从而更密集地存储能量。同时，电解质还可以兼作电池的隔膜，降低火灾危险，减少所需的原材料。由此可见，固态锂离子电池相比传统电池具备两方面重要优势，并且对于当前快速发展的新能源汽车而言更加适用。一是安全性高。固态锂离子电池由于电解质固态化，不含易燃易爆、易挥发等成分，可彻底消除电池因漏液引发的电池冒烟、起火等，以及在充放电过程中生成锂枝晶造成的安全隐患，具有最安全的电池体系。研 究 设 计装备机械 二是能量密度高。目前市场上应用的磷酸铁锂电池单体能量密度为 ，三元电池单体能量密度为 ，而固态锂离子电池可提供的能量密度为 ，远远高于传统电池。专利预警情况概要国外企业包括日本丰田汽车、本田、三菱、日产，韩国三星、，国内企业包括宁德时代、国轩高科、蜂巢动力、辉能科技、万向集团、卫蓝新能源、清陶新能源、赣锋锂业、力神电池。时间范围为 年 月 日至 年 月 日。地域范围为中国，不包含港澳台地区。检索平台和数据来源为 、智慧芽。年度，固态锂离子电池技术领域主要专利权人新公开授权的专利一共有 件，笔者对丰田、本田、三菱、日产、三星等 家企业在 年度在中国公开公告的专利进行逐件人工解读，并对在此时间范围内中国国内固态锂离子电池相关专利进行了检索与初步去噪，共涉及专利 件，对这 件专利的内容开展分析。固态锂离子电池是利用固体电极材料和固体电解质材料，不含有任何液体的锂电池，与传统电池相比，构成的差异主要在于电解质固态化。固态锂离子电池电解质按照材料体系通常可分为有机高分子聚合物电解质和无机体系电解质。有机高分子聚合物电解质以聚氧化乙烯为主，无机体系电解质又可以细分为氧化物体系电解质、硫化物体系电解质等。与液态或凝胶电池相比，固态锂离子电池具有可燃性低、电压平台高等优点，相对安全，并且有利于比能量提升，因而被认为是未来电池技术的发展方向之一。为区分专利技术是否为首次公开的新技术，对专利进行区分，新公开专利包括新公开发明专利和新公开授权实用新型专利，新授权专利主要是指新授权发明专利。公开专利类型 年度，丰田、本田、三菱、日产、三星等 家企业在中国新公开发明专利 件，新授权发明专利 件，新公开授权实用新型专利 件。年度在中国新公开授权专利按专利类型划分，各自数量如图 所示。图 新公开授权专利类型数量主要企业，即专利公开数量 件以上的企业的专利数量及在所有新公开授权专利中所占比例如图所示。图 企业专利数量及占比从图 中可以看出，各家企业在专利产出方面差距不大，一共有八家企业在 年度新公开授权的固态锂离子电池专利数量在 件以上，其中蜂巢动力占比最大，达到 ，其次为卫蓝新能源，占比为 ，排名第三，占比为 。近年新公开授权专利比较将主要企业 年度专利数量与 年度专利数量进行对比，见表 。从表 中可以看出，年度新公开授权专利数量排名前五的企业年度新公开授权专利数量趋势与上一年度基本相似，除清陶外，其余四家企业专利数量均有增长，卫蓝新能源和万向有明显的增长，增长率超过 。蜂巢动力和 有少量增长，清陶下降 。研 究 设 计 装备机械 表 企业年度专利数量对比年度蜂巢动力卫蓝新能源 万向清陶 蜂巢动力新公开授权专利数量在 年度也排名第一，占比与 年度相比偏低，仅占 。清陶新公开授权专利数量回落较大，年度排名第二，年度跌落至第五。总体而言，固态锂离子电池领域近两年的新公开授权专利数量在稳步提升，且专利申请人的集中程度趋势更明显。新公开授权专利解读 专利类型本次预警的在中国范围内新公开专利共 件，与 年度的 件基本持平，类型如图 所示。其中，发明专利数量占比持续增大，达到 ，实用新型专利数量占比为 。固态锂离子电池技术领域专利主要涉及电解质、正极和负极材料，以及相关制备工艺，主要通过发明专利进行保护。图 新公开专利类型 主要技术点固态锂离子电池技术包括电解质材料、电极材料、电芯设计等内容，例如聚合物电解质、氧化物电解质、硫化物电解质，以及双极固态锂离子电池等。根据固态锂离子电池的技术分类，对固态锂离子电池的技术类别进行分解，并形成技术图谱，如图 所示。本次专利预警按技术领域划分为七个一级技术主题。新公开专利技术分布见表 。在电解质材料这一技术主题下，卫蓝新能源、蜂巢动力、锋锂新公开专利数量最多，均在 件以上，说明这四家企图 固态锂离子电池技术图谱业近两年专利布局的重点围绕固态电解质材料。针对固态电解质材料技术做进一步分析，硫化物电解质材料和复合电解质材料是其中的重点和热点，新公开电解质材料专利中，集中在这两个二级技术主题，以蜂巢动力和卫蓝新能源这两家企业为代表。新授权专利技术分布如图 所示。前五个技术主题专利数量相差不大，电极结构设计在所有技术主题中排名第一，与电解质材料相关的占新授权专利总数的 。主要竞争对手蜂巢动力是新公开授权专利数量最多的企业，技术分布如图 所示。通过分析 年度新公开授权专利，蜂巢动力的专利主要集中在对电解质材料的研究，特别是对硫化物电解质材料的研究。另有相当一部分专利集中在电极结构设计上，这也是蜂巢动力成立至今的重点研发方向之一。由专利布局发现，蜂巢动力对正极材料、负极材料、固态电解质层这些内容也有所涉及。对两个蜂巢动力新公开授权的重点专利进行解读。公开了一种全固态电池用正极材料层，以及其制备方法、正极片和全固态电池。将可纤维化聚合物粉体、包覆改性的正极活性物质、硫化物固态电解质和导电剂混合，然后在剪切力的作用下使可纤维化聚合物粉体拉丝形成纤维，得到混合料。对混合料在集流体上进行热压处理，至预设厚度，得到正极材料层。这一正极材料层是一种自支撑膜，具有良好的柔韧性。这一专利解决了干法 研 究 设 计装备机械 表 新公开专利技术分布技术主题企业蜂巢动力卫蓝新能源 锋锂万向本田清陶国轩高科丰田宁德时代其它电解质材料硫化物 电解质材料复合电解质电解质材料聚合物 电解质材料氧化物电解质材料卤化物正极材料图 新授权专利技术分布图 蜂巢动力专利技术分布制备正极材料层时正极料比大、硬度大而导致正极材料混料不均匀和极片开裂的问题，降低了对辊压机辊轴材质的要求，降低了设备成本，提高了极片自身的离子电导率，避免使用电解液，提升了电池的安全性能。提供了一种固态电池用正极片及其制备方法和应用。将第一浆料涂布在集流体上，干燥后辊压，在集流体上形成第一活性层，得到第一前驱体。将第二浆料涂布在第一前驱体的第一活性层上，干燥后辊压，得到第二活性层，经温等静压处理后得到固态电池用正极片。第一活性层和第二活性层中均包含无机固态电解质。这一专利可以提高固态电池用正极片的倍率性能和机械强度，有效控制粘结剂和导电剂分层分布，有利于推动全固态电池商业化应用。研 究 设 计 装备机械 卫蓝新能源专利技术分布如图 所示。通过分析 年度新公开授权专利，卫蓝新能源的技术分布与蜂巢动力有相似之处，专利布局主要集中在对电解质材料的研究，特别是硫化物和聚合物电解质材料的研究。作为一家创业型企业，卫蓝新能源在近年有不断增加专利申请的趋势。图 卫蓝新能源专利技术分布对卫蓝新能源新公开授权的一个重点专利进行解读。公开了一种锂离子电池复合正极材料及其制备方法，属于锂离子电池技术领域。复合正极材料包括正极本体材料和复合包覆层，通过将复合包覆层的前驱物在液相体系中均匀分散，附着在正极本体材料的表面，干燥处理后高温烧结制得。这一复合正极材料有效提升了材料的倍率性能、循环寿命、热稳定性和安全性能，避免了正极本体材料因复合包覆而导致容量降低的问题，同时很好地改善了材料在液态锂离子电池、混合固液锂离子电池、混合固液金属锂电池、全固态锂离子电池、全固态金属锂电池体系中的相容性。专利技术分布如图 所示。通过分析 年度新公开授权专利，的技术分布主要集中在对电解质材料的研究，的专利集中在对聚合物电解质材料的研究上。除此之外，正极材料、电极结构设计等也有部分专利。对 新公开授权的一个重点专利进行解读。涉及一种用于硫化物类全固态电池的锂金属单元电芯制造方法，通过这一方法制造单元电芯。为了减小使用锂金属作为负极的硫化物类全固态电池的界面电阻，使用冷等静压在高于 且低于 下进行按压，而不考虑时间，或者在 下进行按压 。图 专利技术分布 结束语笔者共检索到 件专利与固态锂离子电池技术主题相关，以 件专利数据为基础，对专利类型和每个专利持有者的情况进行分析，并重点分析蜂巢动力、卫蓝新能源、万向和清陶的近年专利布局情况。结合专利技术图谱，将固态锂离子电池的专利技术划分为七个一级技术主题，按新公开专利数量进行排序，前三类技术主题为电解质材料、正极材料、电极结构设计。在电解质材料这一技术主题下，卫蓝新能源、蜂巢动力、和锋锂新公开专利数量最多。最后针对新公开授权专利数量最多的三家企业，分析专利布局情况，筛选出重点专利，对技术特征进行解读。参考文献 刘鲁静，贾志军，郭强，等 全固态锂离子电池技术进展及现状 过程工程学报，（）：汤匀，岳芳，郭楷模，等 全固态锂电池技术发展趋势与创新能力分析 储能科学与技术，（）：李茜，郁亚娟，张之琦，等 全固态锂电池的固态电解质进展与专利分析 储能科学与技术，（）：鞠洪博，汪然，高志龙，等 锂电池知识产权分析 上海电气技术，（）：董昊，王军雷，辛明华 基于专利分析的丰田固态电池技术研究 汽车技术，（）：（下转第 页）研 究 设 计装备机械 图 侧翻工况应力云图图 侧翻工况位移云图翻工况下，转运器具挡条下部与铝板接触处、挡板底角处应力分别为 、，均未超过材料屈服强度，满足强度要求。三种工况的强度分析结果表明，铝合金转运器具的结构设计是安全可行的。结束语笔者对一种新型铝合金转运器具进行了结构设计，通过计算机辅助制造强度仿真分析验证满足使用要求。铝合金转运器具结构设计精简，质量轻，承载力大，可回收率高，相比钢制材料转运器具有显著优点，配合叉车使用，可以适用于各类形状汽车零件的转运。铝合金转运器具不仅能够为企业节省生产成本，增加竞争优势，而且符合国家低碳发展的经济政策，在生产和物流环节中有较大应用潜力，发展前景广阔。参考文献 马晨佳，常亚玲 新能源汽车行业政府补助与企业绩效问题研究 内江科技，（）：郑杨，圣月红，昂卫星，等 浅谈滚动物料计划在汽车行业中的应用 时代汽车，（）：周进 我国“双碳”目标的现实条件及应对策略 上海节能，（）：郑雪芹 年 月新能源汽车市场解析 汽车纵横，（）：严筱 低碳交通背景下中国新能源汽车的市场扩散研究 武汉：中国地质大学，武汉戎评文化传播有限公司 汽车业换道超车：新能源的优势与机遇 中国工业和信息化，（）：彭华 中国新能源汽车产业发展及空间布局研究 长春：吉林大学，国旭华，李宏伟，张宝东，等 精益工位器具设计与应用 新技术新工艺，（）：李富刚 汽车行业总装工位器具探讨 机械，（）：张现锋，王梓宇，李林，等 浅谈汽车行业工位器具设计及应用 第十七届河南省汽车工程科技学术研讨会，郑州，（编辑：尔东檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯）（上接第 页）李杨，丁飞，桑林，等 全固态锂离子电池关键材料研究进展 储能科学与技术，（）：陈龙，池上森，董源，等 全固态锂电池关键材料 固态电解质研究进展 硅酸盐学报，（）：李永峰，李巧燕，程国玲，等 基础环境科学 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，王琳，陈万朋，庄卫东，等 全固态锂电池专利申请现状及发展趋势分析 电源技术，（）：芮雯奕，姜疆，宋海燕，等 固态锂电池全球专利分析 电池，（）：（编辑：丁罡）