新能源与新材料行业专利及技术路线梳理

一、锂离子电池专利技术

全球新能源研究主要包括太阳能、风能、生物质能、地热能、核能、氢能、储能、 能源互联网等八大技术领域，太阳能、储能和氢能三个领域受到全球广泛的关注，锂 离子电池和有机太阳能电池是科研界和产业界共同关注的技术热点，氢燃料电池是氢 能领域最早进行研究的技术领域3。锂离子电池的相比太阳能电池和氢燃料电池技术更 为成熟，依托新能源汽车的发展得到了广泛的应用。 锂离子电池是一种二次电池，主要由正极(Cathode)、负极(Anode)，隔膜(Separator) 和电解液(Electrolyte)组成。锂离子电池依靠锂离子(Li+ )在正极和负极之间往返嵌入和 脱嵌实现充放电：充电时，Li+从正极脱嵌，由电解液穿过隔膜嵌入负极；放电时则相 反。

全球锂离子电池专利技 术经过了 4个发展阶段。2001年之前的第一阶段，2001-2009年的第二阶段，2010-2014年的第三阶段，2015-目前的第四阶段。2001 年之前的第一阶段，该阶段主要是在寻找 合适的锂离子电池电极材料，电极材料过于复杂以至于难以形成用于商业化的专利。 2001-2009 年的第二阶段，商业化磷酸铁锂和三元材料的发现，以及 3C 消费电池驱动， 使得锂离子电池出现了第一次专利申请的增长。2010-2014 年的第三阶段，新能源汽车 产业发展带动了锂离子电池研究的跨越式增长，专利申请达到新的高峰。2015-目前的 第四阶段，新能源汽车放量进一步加大锂离子电池的需求，锂离子电池专利申请再创 新高。

2019 年，诺贝尔化学奖授予 John Goodenough、Stanley Whittingham 和吉野彰 （Akira Yoshino）三位科学家，用于奖励他们对锂离子电池的发展做出的贡献4，该奖 项的发布也让人们再一次了解到锂离子电池诞生的历程。 1972 年，埃克森公司研究中心的 Stanley Whittingham 采用硫化钛（TiS2）作为正极 （cathode）材料，并以金属锂作为负极（anode）材料制作了一款可充电锂电池5。基 于该发现，埃克森公司研究中心于 1974 年申请了专利（CA1021844A“Rechargeable battery with chalcogenide cathode”），并于 1976 年在 Science 上发表了他们的发现 （Electrical Energy Storage and Intercalation Chemistry），专利也于 1977 年授权公开。虽 然此时的电池仍属于锂金属电池，但 Stanley Whittingham 发现的二硫化钛（TiS2）正极 材料二维层状结构实现了锂离子的嵌脱，对锂离子电池的嵌脱系统奠定了基础。之后 Stanley Whittingham 实验室采用 Li/Al 合金作为负极材料进行商业化，但 Li/Al 合金负极依然不安全，该电池容易爆炸而且容量衰减快，在商业上并没有得到很好的推广。

二硫化钛（TiS2）正极材料引发了电极材料的大量研究，牛津大学的 John Goodenough 课题组也是其中之一。1979 年，John Goodenough 课题组研究了钴酸锂 （LiCoO2）正极材料，并在 1980 年发表文章6。钴酸锂（LiCoO2）是电池负极材料的 重大突破，是一种氧化物层状正极材料，比二硫化钛（TiS2）正极材料具有更高的结构 稳定性和锂离子传导效率，John Goodenough 以钴酸锂（LiCoO2）替代二硫化钛（TiS2） 获得了两倍电压。John Goodenough 希望为这项发明申请专利，但牛津大学拒绝支付专 利费用，最终 John Goodenough 找到了英国原子能研究所提供资金支持并申请了专利 （GB 79011953）。以该专利为优先权的欧洲专利（EP0017400B1“Electrochemical cell and method of making ion conductors for said cell”）于 1984 年获得授权。据说，英国原子 能研究所仅为这件专利支付了法律费用，但在专利到期前获利超过 5000 万美元，而 John Goodenough 在与英国原子能研究所合作之初就放弃了财产权利。

1981 年，日本东京旭化成公司的吉野彰（Akira Yoshino）研究了可作为电池负极 材料的聚乙炔，正在寻找合适的正极材料7。1982 年，吉野彰（Akira Yoshino）看到了 John Goodenough 发表的关于钴酸锂（LiCoO2）的文章，于 1983 年研制出新型充电电 池，以聚乙炔取代金属锂作为负极材料，将钴酸锂（LiCoO2）作为正极。不再使用金 属锂，这款电池的安全性大大提高。然而，由于聚乙炔的密度很小，作为负极材料时 电池的体积巨大，这款电池仍旧不能满足手机制造商对于电池小型化的要求。吉野彰 （Akira Yoshino）在后续研究中寻找了其他的碳材料作为负极，于 1985 年以石油焦为 负 极 创 造 了 第 一 个 商 业 上 可 行 的 锂 离 子 电 池 ， 并 为 这 个 发 明 申 请 了 专 利 （JP1985097695“二次電池”），1992 年这项发明获得授权。

电解质材料的创新改变了锂离子电池的形态。来自贝尔实验室的 Jean-Marie Tarascon 等人采用聚合物作为电解质，将锂离子电池中的电解质由液替换为凝胶态，从 而将锂离子电池做得更轻薄。1993 年，贝尔实验室的为其发明的聚合物锂电池申请了 专利（US5296318A“Rechargeable lithium intercalation battery with hybrid polymeric electrolyte”）。Jean-Marie Tarascon 还开创了将软包装应用于锂电池的先例，软包电池已 成为目前主流的电池产品。 电极材料的突破主要来自于两个方向，磷酸铁锂（LiFePO4）和三元材料。磷酸 铁锂（LiFePO4）依然是前文提到的 Goodenough 教授实验室重大发明。Goodenough 教授于 1986 年从牛津大学退休后，来到美国得克萨斯州奥斯汀分校机械工程系继续 研究新的电极材料。1995 年 Goodenough 实验室发现了磷酸铁锂（LiFePO4），然而 这一成果被当时日本 NTT 公司的访问学者传回日本申请了专利。而 Goodenough 在 1996 年 发 现 其 成 果 被 窃 取 时 ， 赶 紧 提 交 了 专 利 申 请 （US60/016060“LiFePO4(synthetic triphylite), a new cathode material for secondary( rechargeable) lithium bateries”），并以此为优先权提交了 PCT 国际专利申 请 （WO1997040541A1“Cathode materials for secondary (rechargeable) lithium batteries”）。1997 年，Goodenough 将其成果发布8。由于磷酸铁锂（LiFePO4）相比 钴酸锂（LiCoO2）来源更广泛，价格更便宜也更安全环保，因此在此后的 20 年里得 到了巨大的发展，全球遍地都在生产和应用磷酸铁锂电池，Goodenough 相关方也发 起了大量维权诉讼。

三元材料是以镍、钴、锰或镍、钴、铝三种过渡金属元素形成的复合氧化物层 状材料。20 世纪 90 年代，日本、加拿大、美国等多个国家研究了不同的三元材料，商 业化最成功的三元材料来自加拿大的 Jeffery Dahn。Jeffery Dahn 在与 3M 合作期间发明 了目前仍在广泛使用的 NMC 三元材料，并于 2001 年申请了专利（US09/845178 “Cathode compositions for lithium-ion batteries”）。这件专利是三元材料的基础核心专利， 在美国、中国、欧洲、日本、韩国均进行了布局，为 3M 公司带来巨额受益。凭借 3M 公司的专利，其合作伙伴优美科是全球最大的 NMC 三元正极材料供应商。三元材料的 基础核心专利将于 2021-2025 年陆续到期，为了继续垄断三元正极材料，优美科在专利 到期前向正极材料企业发起诉讼，意图通过和解协议继续获得多年的许可受益。

三元材料综合了钴酸锂（LiCoO2）、镍酸锂（LiNiO2）和锰酸锂（LiMnO2）三种 材料的优点，具有更高的能量密度和低温性能，成为磷酸铁锂（LiFePO4）最大的竞 品，最新的研究显示，磷酸铁锂由于其成本优势，出货量最多，但三元材料出货量超 过磷酸铁锂（LiFePO4）的一半9。

从锂离子电池的终端来看，新能源电动汽车是占比最大的领域，占据了锂离子电 池需求的约 80%。2023 年 1-6 月统计数据显示10，全球动力电池装车前三名为宁德时代 （CATL）、比亚迪和 LG 新能源。龙头宁德时代装车量为 112GWH，全球市场份额为 36.8%，电池主要搭载在特斯拉 Model 3/Y、上汽名爵 ZS、上汽名爵 4、广汽埃安 Aion Y、蔚来 ET5 等车型上。比亚迪以 47.7GWH 居于第二，装机量同比大增 102.4%，市占 率上升 4.1 个百分点来到 15.7%，从去年落后韩国 LG 新能源 2.9 个百分点，到反超 1.2 个百分点。比亚迪以主力车型 Atto 3(元 plus)为中心，上半年刀片电池成功外供特斯拉 柏林产 MODEL Y。入围前十的中国电池企业除了宁德时代和比亚迪外，还包括中创新 航、亿纬锂能、国轩高科和欣旺达。韩国企业还包括三星 SDI 和 SK on，日本松下是唯 一进入前 10 名的日本电池企业。

根据专利申请量的排名，排名前十的供应商在专利申请的数量上也位居前列。宁 德时代和比亚迪并不是申请专利最多的企业，两家公司的市场份额与其锂离子电池的 技术创新方向密切相关。在电极材料的研究相对成熟进入瓶颈的情况下，电池性能突 破路线主要包括储能电池系统结构创新、电池包空间利用优化、电池能量密度及安全 性提升、电池成本大幅降低等。我国的补贴政策按能量密度补贴，提高补贴、降低成 本是电动汽车的核心竞争力。 一般电动汽车上搭载的电池包，形成“电芯（Cell）——模组（Module）——电池 包（Pack）”的三级装配模式，宁德时代和比亚迪去掉模组，提高电池能量密度。2019 年宁德时代推出 CTP 电池(Cell To Pack)，以大模组代替小模组的方案，并在后续推出 的麒麟电池（CN116470173A“一种电池包及用电装置” 11）中取消了模组形态设计，并 通过冷却结构上的优化，使得麒麟电池安全性、电池寿命、快充性能以及比能量密度 进一步提升。

2020 年比亚迪推出 CTB（Cell To Body）刀片电池（CN111430600B“单体电池、动 力电池包及电动车”），利用刀片电池高安全性和高结构强度的特点，融合进车身的整 体设计中。这件专利及其同族专利构成了比亚迪刀片电池强大的护城河，在中国、美 国、日本、韩国、欧洲、印度等多个国家和地区进行了重重布局。

二、 新能源电机专利技术

1. 直流电机的专利技术现状

全球直流电机专利技术经 过了 3 个发展阶段。在 2000 年之前为第一阶段，2001 年-2010 年为第二阶段，2011 年目前为第三阶段。2000 年之前的第一阶段全球直流电机专利申请量也就是在 100 件上下，在 2000 年之前，直流电机在新能源汽车领域的发展相对较为有限。当时，新能源 汽车的概念和技术还没有得到广泛的关注和应用，因此直流电机在这一时期的应用也 相对较少。传统的内燃机汽车仍然是主流，而新能源汽车的发展和应用还处于起步阶 段。尽管在这个时期，一些实验性质的电动汽车和混合动力汽车已经出现，但直流电 机的应用范围和性能要求都相对较低。技术和设计也相对简单，主要是为了验证新能 源汽车的可行性和性能表现。直流电机在这一时期的发展状态可以被描述为处于初级 阶段，还未达到成熟和大规模应用的阶段。2001 年-2010 年的第二阶段在这个时期，新 能源汽车市场刚刚起步，直流电机主要应用于混合动力汽车和电动汽车中，主要集中 在提高电机的效率和性能，以满足汽车的动力需求。在这个时期，直流电机的应用还 比较有限，技术和设计也比较简单，主要是为了验证新能源汽车的可行性和性能表现。 随着新能源汽车市场的不断发展，直流电机的应用范围和性能要求也在不断提高，由 此从全球直流电机专利申请趋势图可以看出，专利数量表中可以看出在 2001年-2010年 关于直流电机的申请量在持续稳定的增长。在 2011 年-目前第三阶段新能源汽车市场逐 渐发展壮大，直流电机开始逐渐应用于更多的汽车类型，包括纯电动汽车和插电式混 合动力汽车。

直流电机的技术和设计逐渐趋于成熟，开始出现不同类型和规格的直流 电机，以满足不同汽车的需求。在这个阶段，虽然直流电机的性能和效率也得到了进 一步提升，以满足不断增长的新能源汽车市场需求。尤其是在 2009 年 3 月，国务院发 布《汽车产业调整与振兴规划》，首次提出大规模发展新能源汽车的目标，由此在电动 汽车领域，进一步地刺激使得直流电机专利的申请量较多；在 2014 年国家电网决定投 资775亿元用来进行智能电网的建设改造，并且开放分布式电源并网工程与电动汽车充 换电设施两个市场，这些政策的实施，彻底改善了国内新能源车充电基础实施匮乏的 弊端，为新能源车的普及夯实了道路导致在 2016 年专利申请量较前几年有大幅增长。 在电动汽车领域，虽然交流电机在一些方面具有优势，但是在低速、高转矩的应用场 景中，直流电机仍然具有不可替代的作用，因此直流电机仍然占据着重要的地位。从 而在 2011 年-目前阶段专利申请量经过前期的发展和积累使得专利申请量较大。也就是 说虽说这几年由于交流电机的发展，会在一定程度上影响对直流电机的研发速度。在 这些年直流电机的智能化和自动化水平也在不断提高，加上新型材料和制造技术的应 用，使得直流电机的性能和可靠性得到了更大的提升所以直流电机的专利申请量仍然 在增加。

排名前 20 的申请人主要集中在日本的株式会社村田制作所、丰田自动车株式会社、本 田技研工业株式会社、株式会社电装、日立安斯泰莫株式会社、日产自动车株式会社 和日本电产株式会社；韩国的现代自动车株式会社和起亚自动车株式会社；美国的通 用汽车环球科技运作有限责任公司、通用电气公司、福特全球技术公司、ALAKAI TECH；瑞典的沃尔沃拉斯特瓦格纳公司；德国的罗伯特博世有限公司；我国的上海理 工大学和南京航空航天大学。这表明日本的公司及研究机构在直流电机领域进行了大 量的研究，并主导了直流电机的研发和产业化的主动权。我国专利申请量在全球前 20 名仅有上海理工大学和南京航空航天大学两所高校，这表明我国在直流电机技术领域 目前科研机构开展研究较少；虽然我国在直流电机的产业化进程落后于日本、韩国和 美国，但是我国的比亚迪股份有限公司、华为技术有限公司和重庆宗申电动力科技有 限公司和宁波吉利汽车研究开发有限公司的专利申请量排进了全球前 50 名，说明存在 一定规模的企业在直流电机中产业化进程进行追赶。

随着环保意识的不断增强和新能源汽车政策的逐步推进，电动汽车已经成为未来 汽车发展的趋势。而驱动电机系统作为电动汽车的核心部件，其性能的优劣直接影响 到整车的性能和寿命。因此，对于驱动电机系统的要求也变得越来越高。除了满足基 本的车辆驱动需求外，还需要具备高效、高转矩、高可靠性和低功耗等特点。早期的 电动汽车都使用了直流电机控制系统，其特征是成本低、使用简单，但质量大，而且 需要定期维护。在 70 年代，电动汽车电机驱动技术发展的初期阶段，主要采用的是直 流电机驱动。由于直流电机拥有优秀的速度控制性能和高效率特性，因此在当时大部 分电动汽车中都采用了直流电机驱动技术。当前直流电机技术主要应用在电池、电动载具、电力和电池组等方面，在 电动车领域也有发展，但是占比并不算高，这也和。但直流电机有明显的缺陷：一是 受笨重耗能的电刷限制，二是占用太多空间和重量，使车辆的运行性能受到了很大的 限制。解决方案是 80 年代，一些厂家开始采用 AC 异步电机驱动技术，成功地克服了 直流电机所面临的问题。AC 异步电机采用变频器或者称为频率转换器，使电动汽车的 运行更加高效、低噪音和低能耗，因此成为电动汽车电机驱动技术发展的又一重要里 程碑。

2. 交流电机专利技术

交流异步电机专利技术

2009 年之前专利申请量不足 100 件，交 流异步电机发展比较缓慢。当时，世界各地的许多汽车制造商开始推出电动汽车，并开始研究和开发各种类型的电动机。异步电机在这个阶段被广泛应用，因为它们具有 较高的可靠性和耐久性，并且相对于其他类型的电动机来说成本较低。例如，日本的 丰田汽车公司在 2008 年推出了第一代普锐斯插电混合动力车型，该车型采用了异步电 机作为驱动系统。此外，美国的特斯拉公司也在 2008 年推出了第一款电动汽车 Roadster，该车型同样采用了异步电机作为驱动系统。2010 年至今之间，在这个阶段， 伴随着随着新能源汽车市场的快速发展，越来越多的汽车制造商开始采用异步电机作 为驱动系统。特斯拉公司的 Model S（2012 年发布）和 Model X（2015 年发布）等车型 采用了异步电机，并且取得了相当大的成功。同时，其他一些汽车制造商也开始推出 采用异步电机的新能源汽车，这些车型在性能、续航里程和可靠性方面都取得了显著 的进步，所以导致在 2010 年以后关于交流异步电机的专利申请量激增，以 2022 年为 例，其年专利申请量为 400 多件，是 2009 年的将近 4 倍。

特斯拉 使用的就是交流异步电机，为什么特斯拉喜欢使用交流异步电机？其实不光是特斯拉， 很多欧洲品牌的电动车都喜欢用异步电机，至于特斯拉等国外品牌放 弃优势明显的同步电机的原因，目前有几种推论，第一是异步电机更适用恶劣的环境， 而特斯拉这种定位较高的车型可能会比家用车更多的经历激烈驾驶等情况，那么异步 电机不易退磁的特性就更加契合了。第二是永磁同步电机的核心材料稀土的问题，对 于我国和日本而言，我国拥有不错的稀土资源，日本则是稀土产业大国，世界销量前 三的钕铁硼公司：住友特殊金属公司、新越化学实业公司和 TDK 集团都是日本的公司， 实力可见一斑。而反观欧美国家可能就无法随心所欲的使用稀土材料了。第三也就是最关键的一点，特斯拉在交流异步电机上有自己的专利，解决了异步电机的缺点，比 如铜芯转子的技术。

交流同步电机专利技术

(1)永磁同步电机的专利技术现状

进入 21 世纪，随着永磁技术和电子技术的不断发展，AC 永磁同步电机开始在电 动汽车中大量应用。AC 永磁同步电机具有体积小、重量轻、功率密度大、效率高、成 本低、响应快等优点，同时由于使用永磁材料，使在同样的轴功率下，转矩更大，始 终能够提供更为均衡的驱动力矩，因此目前主流的电动汽车车型都选择了 AC 永磁同步 电机作为驱动动力。永磁同步电机在新能源汽车应用的初级阶段可以追溯到 2010 年左 右，在 2010 年之前，专利申请量 不足300件，始终保持在一个较低水平。这个时期标志着许多汽车制造商开始在其电动 汽车中开始逐渐采用永磁同步电机作为驱动系统。特斯拉公司的 Model S（2012 年发布） 和 Model X（2015 年发布）等车型采用了永磁同步电机，并且取得了相当大的成功。 同时，其他一些汽车制造商也开始推出采用永磁同步电机的新能源汽车，这些车型在 性能、续航里程和可靠性方面都取得了显著的进步。在 2011 年之后至今，专利申请量 开始有显著增长，越来越多的汽车制造商开始采用永磁同步电机作为驱动系统。特斯 拉公司的 Model 3（2017 年发布）以及许多其他主流汽车制造商推出的电动汽车都采用 了永磁同步电机。请量较大。原因在于我国和日本而言，我国拥有不错的稀土资源，日本则是稀土产业 大国，世界销量前三的钕铁硼公司：住友特殊金属公司、新越化学实业公司和 TDK 集 团都是日本的公司，实力可见一斑。而反观欧美国家可能就无法随心所欲的使用稀土 材料。

(2)开关磁阻电机的专利技术

开关磁阻电机是一种具有结构简单、坚固、高效等优点的电机，适用于高转速、 高负载的运行场合。其转子上没有绕组、磁钢或滑环，因此可以高速运行，并且具有 较高的效率。这些特点使得开关磁阻电机成为电动汽车驱动系统中的一种重要选择。 开关磁阻电机驱动系统的研发和应用也已取得了重要的进展。一方面，通过合理设计 电机结构、改进控制技术，产品性能已经达到整车需求的基本水平。另一方面，部分 公司已经具备了年产 2000 套的生产能力，能够满足小批量配套需求。目前，部分开关 磁阻电机产品已经成功地应用于整车上，示范运行效果良好。然而，开关磁阻电机驱动系统的发展仍然面临着一些挑战。例如，电机的噪音和振动问题需要得到有效解决， 以满足更高的驾驶体验需求。此外，开关磁阻电机的控制策略和调速技术需要进一步 优化，以提高系统的效率和可靠性。由此从图 36：全球开关磁阻电机专利申请趋势中 可以看出，专利申请量虽然逐年上涨，但是每年的申请量都并不大。同步开关磁阻电 机在新能源汽车中专利申请量可以看出在 2010 年左右才有显著提升。当时，一些汽车 制造商开始尝试在新能源汽车中采用同步开关磁阻电机作为驱动系统的一部分。这一 阶段的初期应用主要是为了测试和验证这种电机技术在汽车领域的可行性，以及评估 其在新能源汽车中的性能表现。