近期，智慧芽创新研究中心发布了《2023年度全球动力电池科创力坐标报告》（以下简称“报告”），对动力电池创新全景和生态进行了研究，本期小编带大家看一看这篇报告的精华。
动力电池是新能源汽车的核心环节，市场规模增长迅速，是电池材料技术、结构技术方面的研究重点之一。
从整体看，目前“成本”和“安全”是动力电池技术研发过程中亟待解决的重点问题。在中、日、美、德、韩五个主要的动力电池技术来源国和目标市场国中，中国是最大的技术来源国也是最大的目标市场国，虽然目前日本是第二大技术来源国，但随着美国近年来相关专利受理量的高速增加，日本有可能被超过。
近20年来，锂离子电池是动力电池的主流技术选择，如前所言，“提升安全性”是锂离子电池技术发展需要重点解决的问题。而钠离子电池的研究关键则是“提升性能”，此外，钠离子电池也是近10年来发展速度最快的动力电池技术。
根据报告，在电池结构技术方面，由于对能量密度和空间利用率的更高要求，传统的模组电池CTM结构在逐步被取代。宁德时代提出的CTP结构是目前的主流。美国整车企业特斯拉提出的CTC结构则成为整车厂、电池厂的下一个角力点。
新能源汽车主要的驱动方式采用了电力驱动，通过动力电池带动车辆的电动机，从而实现车辆行驶的目的。
所以可以说，动力电池是新能源电池的“心脏”，约占整车成本的40%~60%。随着原材料的上涨，这个比例仍在不停增加。
2012年起，以特斯拉、比亚迪为代表的新能源汽车高度发展，动力电池进入了爆发期。根据SNE searche、EVTank、GGII等机构的数据，2011年全球动力电池出货量1.08GWh（千兆瓦时），到了2022年，出货量增长近500倍，达到517.9GWh。
目前市面上90%以上的动力电池都是锂电池。但电池级锂材料价格为每吨50-60万元，和行业爆发初期每吨3-5万元相比，上涨了10余倍，这也就导致了动力电池成本的上涨。
因而，电池材料创新和电池结构创新就成了锂离子动力电池降本增效的必由之路。材料方面，目前钠离子电池和固态电池是两大创新方向，结构上，也在由传统模式向CTP、CTC、甚至是CTB转变。
从下图可以看出，目前锂离子动力电池的原材料主要包括锂、钴镍、铁、磷、锰、石墨、硅等，如果原材料成本上升，制作成本自然会增加。
生产出电芯后，还需要经过封装系统组成电池模组或电池包，与电池管理系统一起装载在新能源电池整车上，才可以被使用。
电池有使用寿命，动力电池退役后，需要对废旧的动力电池进行会后再利用。随着动力电池出货量和需求量的增加，废旧电池的回收和再利用也极具发展潜力。
从报告数据来看，根据动力电池相关关键词检索，目前全球累计研发11.3万项技术[1]，申请13.5万件专利[1]，其中5.7万件专利获得授权。 2002年至2022年，全球共研发10万项技术、申请11.8万件专利，授权5.2万件，均占到历史累计总量的90%。 数据来源：智慧芽专利数据库（统计时间截至2023年6月，按照公开/公告日统计） 申请量的增加与各国推动相关政策以及整车厂、电池企业合作创新有关。进入21世纪，中、日、美、韩、欧盟陆续出台了很多推动动力电池发展的政策，尤其是最近的10年。 2012年中国发布的《节能与新能源汽车产业发展规划（2021-2035）》中明确提出“到2030年，动力电池应满足500km以上纯电动汽车需求。”这就需要在技术上有更深一步的发展。 其次日本侧重固态电池研发，提出要在2030年前普及第二代全固态电池。韩国则是在《2030未来汽车产业发展战略》中规定“到2030年，所售新车中1/3为电动汽车或氢燃料电池汽车。” 美国在《国家锂电池发展蓝图（2021-2030）》中也提出要在2030完成动力电池制造成本进一步降低50%。欧盟也一样在2022年提出《电池2030+》，要联合整个欧洲来应对电池研发过程中的挑战。 不难看出，对于主要的国家和地区，在研发动力电池方面，2030年是一个关键节点。 另一方面，整车厂和电池企业之间跨界合作研发日益密切。特斯拉ModelS车型上装载的高镍三元NCA18650电池，就是特斯拉与松下合作研发的。而宝马在大中华地区的电池供应商，也是著名的电池研发企业宁德时代。 在和宝马合作的过程中，宁德时代积累了大量的动力电池核心技术，使全球第一动力电池供应厂商的桂冠戴在了自己身上。 如前文所言，对于大多数动力电池研发企业来说，“成本”和“安全”是动力电池需要解决的关键问题。 近20年来，全球累计申请了9141件专利用于降低动力电池成本、8778件专利用于提高动力电池安全性。 成本降低自然有利于利润的增加，而安全性提高对于消费者来说也是一大吸引点。除了成本与安全，电池寿命和电池结构也是需要关心的问题。 目前，中、日、美、德、韩是最主要的五大动力电池技术来源国，也是主要的技术目标国，两者中最大的均是中国。 2009年中国出台《汽车产业调整与振兴规划》，发布“十城千辆节能与新能源汽车示范推广应用工程”，极大促进了中国动力电池的发展，自此中国动力电池专利申请量基本以30%的年均复合增速高速增长。 日美德在动力电池技术上的竞争近几年来愈发激烈。近20年来，日本共申请8949件动力电池专利，美国6794件，德国4775件。在2020至2022年间，美国申请1840件动力电池专利，日本1554件，德国1155件。三国之间差距逐渐缩小，美国的申请量已经实现小范围反超。 五大主要国家之间的技术交流和竞争是比较激烈的。从海外布局的专利数量来看，技术全球化布局最广的是中国，中国申请人在动力电池相关海外专利申请达到58857件。不过，从向海外布局的专利占比来看，技术全球化布局最深的是美国，动力电池相关的海外专利申请占总量的61.5%。 反过来，美国也是海外企业动力电池专利进入最多的国家。从数量上看，美国本土有4402件动力电池相关专利来自海外。在美国整体专利申请量中，海外专利占比57.3%，是唯一一个占比超过50%的主要国家。 从技术发展来看，已经实现量产的动力电池按照电芯的不同可以分为铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、钠离子电池。 现阶段，镁离子电池、氟离子电池、钙离子电池等新一代电池技术尚在研发中，所以报告中并未进行特别分析。 铅酸蓄电池1859年就被发明出来，因具备容量高、工作温度范围宽、大电流放电性能好、自放电功率低、安全性能好、成本低等优势，成为全球第一代电动汽车广泛使用的动力电池。 但铅酸蓄电池能量密度不高、循环寿命短、污染严重，因此被后来的镍氢电池、锂离子电池取代。不过，电动汽车起动领域，铅酸蓄电池的地位依旧不可撼动，目前几乎所有的电动汽车都采用铅酸蓄电池作为起动电池。 镍镉电池虽然具备使用寿命长、可在极端环境工作的优点，但镍镉电池还有大量金属镉，属于危险废物，对环境极其不友好。此外，镍镉电池在充放电过程中如果处理不得当，会产生严重的“记忆效应”[2]，导致电池的服务寿命大大降低。 镍氢电池由镍镉电池改良而来。商业化层面上，与锂离子电池相比，镍氢电池充电效率更高、使用温度范围更宽、寿命更长、安全性也更加，因此目前99%的混合动力汽车都采用镍氢动力电池，最具代表性的就是丰田的普锐斯。 与前几种电池相比，在相同体积和重量下，锂离子电池可以存储更多能量，更适用于纯电动汽车使用。主流的磷酸铁锂电池的能量密度[3]在200Wh/kg以下，三元锂电池的能量密度则在200-300Wh/kg之间，约是铅酸蓄电池的10倍、镍氢电池的5倍。 但锂元素在地壳中含量约为0.0065%，而目前商业锂的开采基本上来自陆地上的矿石和盐水，动力电池发展以及其他产业对锂的需求，使得锂日益稀缺，这也是导致锂离子电池成本增加的原因之一。 不过，因为钠的含量是锂的440倍，且分布广泛、提炼简单，因此钠离子电池被视为锂离子电池的替代品，而逐渐获得更广泛的关注。 但钠离子电池能量密度低，循环使用寿命较短，因此还需要进一步的技术创新和突破。 总体来说，锂离子电池相关技术的发展一直是更为突出和迅速的。进入21世纪后，锂离子电池的技术发展几乎是以“指数级”的增长形式在发展。 截至目前，全球共有6.7万项锂离子电池技术，1万项铅酸蓄电池技术，4327项镍氢电池技术，2314项镍镉电池技术，2254项钠离子电池技术。 主要的电池结构为CTM、JTM、CTP、CTC、CTB五种。2019年开始，主流发展方向开始转向JTM、CTP、CTC、CTB等新型电芯集成方式，CTC和CTP则是主流中的主流。 目前，宝创新能源、蜂巢能源、中创新航、LG新能源等电池企业和江淮汽车、上汽、哪吒汽车等整车企业，更偏向于CTP技术研发。 CTC的主要研发者则包含了捷威动力、中创新航、LG新能源、大众汽车、沃尔沃、宝马等。 注释 [1]报告中技术商数量按照简单同族统计，全球1组简单同族即全球1项技术。 [2]电池记忆效应（Battery memory effect）：是指如果电池属镍镉电池，长期不彻底充电、放电，易在电池内留下痕迹，降低电池容量的现象。 [3]能量密度：指在单位一定的空间或质量物质中储存能量的大小。电池的能量密度也就是电池平均单位体积或质量所释放出的电能。电池的能量密度一般分重量能量密度和体积能量密度两个维度。 特别说明：本文中所统计的数据、文字整合来源于智慧芽创新研究中心发布的《2023年度全球动力电池科创力坐标报告》，发布时间为2023年7月。不含有“智慧芽”水印的图片为斐尔德根据报告内容进行制作，含有“智慧芽”水印的图片则直接从报告中截取。 本文截取报告中部分内容进行分享，完整报告内容可至智慧芽创新研究中心获取，不确定官方下载方式的，可以斐尔德顾问联系（扫描下方二维码或拨打下方电话即可）。相关数据、文字的注释说明请见“注释”。
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