干货好文！车用动力电池关键材料技术及发展趋(2)

图3?全球专利主要申请人申请专利情况

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。

表1?国际主流电池企业的动力电池产品相关信息

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年将会突破件，且将会大大提高专利技术价值。

图4?锂离子动力电池中国专利申请趋势

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。

表2?国内主流部分企业的电池产品相关信息

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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。

图5?锂离子动力电池材料技术类型申请分布

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。

文章来源：《功能材料与器件学报》 网址: http://www.gnclyqjxb.cn/zonghexinwen/2021/0624/1055.html