绿色低碳产业代表之固态电池的专利保护
绿色低碳产业代表之固态电池的专利保护
随着全球对绿色低碳产业的重视程度不断提高，固态电池作为下一代动力电池技术备受关注。本文从专利保护的角度，详细分析了固态电池的技术发展现状、专利布局情况以及主要企业的研发动态，为读者提供了全面的行业洞察。
2023年12月26日，中国国家知识产权局局长申长雨在回应记者关于专利对绿色技术和未来产业的积极作用时指出，随着科技创新能力的持续增强，中国在电动汽车、锂电池、太阳能电池等绿色低碳产业的竞争优势日益凸显。数据显示，2023年前11个月，中国电动汽车、锂电池、太阳能电池的出口额分别达到2,693亿元、4,194亿元和2,890亿元，展现出强劲的发展势头。
在这些产业中，专利保护发挥着至关重要的作用。以电动汽车为例，中国新能源汽车销量排名前10的重点企业，其全球有效专利量已超过10万件，并呈现逐年快速增长的趋势。在锂电池领域，特别是在固态电池技术方面，中国已成为主要的技术来源国之一。截至2023年5月，全球固态电池关键技术专利申请量为20,798项，其中在中国国家知识产权局的专利申请量达7,640项，占比36.7%。近5年来，中国固态电池的全球专利申请量年均增长20.8%，增速位居全球第一。
电池技术发展历程
电池技术的历史可以追溯到1800年，意大利科学家亚历山德罗·伏特发明了伏特电池。此后，电池技术经历了多个发展阶段，包括勒克朗谢电池、铅酸电池、铬镍电池等。1991年，锂离子电池的问世标志着电池技术的重大突破。经过近30年的持续研发，锂离子电池已成为目前最成熟、应用最广泛的电池类型之一。
然而，传统锂离子电池也面临一些挑战，如能量密度不足导致的“里程焦虑”和安全性能问题。因此，固态电池被视为具有广阔前景的下一代动力电池技术。
固态电池技术特点
固态电池是一种使用固态电解质的电池，主要包括半固态、准固态和全固态电池三种形式。以全固态电解质为例，由于采用了陶瓷和聚合物类固体电解质，固态电池可以使用硅或金属锂作为负极，从而显著减少负极材料的用量。与传统电池相比，固态电解质的使用减少了隔膜和电解液的体积和质量占比，使得电池更薄、更轻，整体能量密度得到提升。
在安全性方面，传统锂电池的安全隐患主要源于制造和使用过程中的锂枝晶、毛刺和金属杂质等问题，以及电池组协同使用时的不适配。这些问题可能导致电解液分解、气体产生、外壳破裂、漏液、热失控甚至起火爆炸。而固态电解质的使用从根本上解决了电解液带来的安全问题。
固态电池专利保护现状
根据2024年2月19日的统计数据，公开的有效固态电池相关专利申请的申请人国家/地区排名前五依次为日本（34.69%）、中国（22.24%）、美国（15.00%）、韩国（11.30%）和德国（8.95%）。这些国家/地区的代表性申请人包括：
- 日本：丰田、松下、半导体能源、村田、汤浅
- 中国：蜂巢能源、中科院物理所、珠海冠宇、比亚迪、锋锂新能源
- 美国：通用、福特、加利福利亚大学、昆腾斯科普、Polyplus电池
- 韩国：LG化学、LG新能源、现代、三星SDI、SKI
- 德国：博世、大众、宝马、肖特、奥迪
值得注意的是，中国在固态电池领域的研发和IP产出较为分散，尚未形成明显的集中态势。这表明中国在该领域的研发力量较为分散，如果能够整合各方优势，有望实现快速发展。
固态电解质技术路线
固态电池的核心是固态电解质，其性能直接影响电池的各项参数。目前，固态电解质主要有三种技术路线：
- 硫化物：代表性材料包括LiGPS、LiSnPS、LiSiPS等，主要企业有丰田、LG化学、Solid Power、宁德时代
- 聚合物：代表性材料包括聚环氧乙烷、聚丙烯腈等，主要企业有博洛雷、Ionic Materials、赣锋锂电
- 氧化物：代表性材料包括氧化锆镧锂等，主要企业有Sakti3、Prologium、卫蓝新能源
其中，硫化物固体电解质具有高电导率和优异的工作性能，但存在易氧化、界面稳定性差和成本高等问题。以LG化学为例，该公司在2023年世界动力电池大会上公布了未来6年内的固态电池研发计划（见图1）。
图1：LG化学未来6年固态电池研发计划
LG化学从2010年开始布局硫化物固态电解质专利，2017至2020年申请量显著上升（见图2）。通过对LG化学的硫化物固态电解质专利进行技术功效分析，发现其主要集中在安全性提高、可靠性提高和能量密度提高三个方面（见图3）。
图3：LG化学硫化物固态电解质专利技术功效-年份分布
LG化学在固态电池研发方面的具体改进措施包括：
- 界面优化：在电解质膜与极片之间引入缓冲层，如相变层或复合碳层，以提高安全性和循环寿命。
- 极片层改良：通过包覆、掺杂、复合等方式提高正极活性材料的稳定性，优化负极结构和制造方法以抑制锂枝晶生长。
- 电解质优化：改进固态电解质的制备方法和组分，提高电解质的稳定性和电池性能。
展望
固态电池技术仍处于发展阶段，与商业化成熟的锂离子电池相比，仍面临诸多挑战。然而，其发展前景广阔。美国能源部计划到2030年将电池成本降至60美元/千瓦时，同时国际能源署预测，到2050年电动汽车电池的能源需求将达到14太瓦时，是2020年的90倍。这预示着未来10年内固态电池领域的竞争将更加激烈，拥有强大技术和IP优势的企业有望在新能源产业中占据主导地位。