[电池完全征服]⑫NCM强国韩国，核心专利掌握在美国手中

View original image

位于美国中部伊利诺伊州莱蒙特的阿贡（Argonne）国家实验室隶属于美国能源部，但实际运营由芝加哥大学负责。阿贡国家实验室因其核能研究而闻名。第二次世界大战激战正酣的1942年，美国为制造核弹，在全美秘密推进“曼哈顿计划”。战后1946年，美国政府将其中若干处改为国立机构，阿贡国家实验室就是其中之一。

阿贡国家实验室并非只因核能而著称，这里也在开展用于电动汽车的电池研究。阿贡在锂离子、锂空气、锂硫、钠离子、液流电池等正负极材料领域拥有125项专利。韩国具有优势的NCM（镍·钴·锰）正极材料的基础原始专利也掌握在这里。

1991年索尼率先在全球实现锂离子电池商业化之后，阿贡国家实验室的年轻研究人员便专注于提升锂离子电池性能的研究。该研究由曾在牛津大学担任Goodenough教授博士后研究员的Michael Thackeray主导。

他们对改进Goodenough教授开发的锂钴氧化物（LCO）正极材料尤为感兴趣。理论上，使用LCO作为正极材料时，其单位质量容量为274毫安时/克（mAh/g），但由于发生锂离子脱嵌现象，实际性能只有理论值的一半左右，即约150mAh/g。以LCO为正极的电池用于智能手机等小型电子设备绰绰有余，但并不适合用作中大型电池。因此，许多科学家都在寻找提升LCO正极材料容量的方法。

Thackeray及其同事发现，如果在LCO中减少钴（Co）含量，改为加入锰酸锂（Li2MnO3）和镍（Ni），就能稳定地提升锂离子电池的容量。由此诞生的便是NCM（在西方也称为NMC）正极材料。NCM降低了价格昂贵的钴的比例，因此还能降低制造成本。

发现NCM正极材料的美国阿贡国家实验室研究人员。照片中自左起为 Karil Amine、Michael Thackeray、Christopher Johnson。阿贡国家实验室供图

View original image

Thackeray与同事Christopher Johnson、Kalil Amine等人于2000年6月在美国申请并获得相关专利。专利题目为“用于锂电池的锂金属氧化物电极”（Lithium metal oxide electrodes for lithium cells and batteries, U.S. Patent 6,677,082）。

在该专利申请人名单中，除上述三人外，还可以看到Kim Jaekook教授的名字。Kim教授自2004年起任全南大学新材料工学部教授，2022年曾担任韩国电池学会会长。他在得克萨斯大学获得博士学位后，于1999年至2003年在美国阿贡国家实验室工作，并参与了这项研究。

阿贡国家实验室于2000年6月提交的NCM专利地图。

View original image

在提交这项专利时，他们可能还未意识到，这项专利将改变全球二次电池和电动汽车产业。虽然目前价格低廉的LFP（磷酸铁锂）电池市占率大幅提高，但电动汽车市场的绝大多数仍由采用NCM正极材料的电池占据。市场调研机构EV Volumes的数据显示，截至2022年，采用NCM正极材料的锂离子电池市占率高达61.3%。

2000年代后期，随着电池产业发展壮大、NMC正极材料技术被广泛采用，阿贡国家实验室开始积极行使其专利权。2009年，德国化工企业巴斯夫（BASF）和日本的户田工业（Toda）率先与阿贡国家实验室签署许可协议。

随后，他们将目光投向韩国。当时LG化学在2007年率先实现NCM523（镍50%、钴20%、锰30%）电池量产，并正与美国通用汽车（GM）就锂离子电池供应进行谈判。得知这一情况后，阿贡国家实验室方面与LG化学取得了联系。必须向美国供应NCM体系电池的LG化学于2010年与阿贡国家实验室签署了许可协议。此后，GM也与阿贡就NCM专利签订了许可协议。

另一方面，与阿贡国家实验室签订NCM专利许可的户田工业于2011年与三星精密化学合资成立了STM，进军二次电池正极材料开发领域。初始股权比例为5:5，之后三星精密化学将持股比例提高到58%。STM在蔚山工厂生产正极材料，供应给三星SDI。2015年，三星集团出售石油化工子公司时，三星精密化学的电池材料事业部和STM一并划转至三星SDI。STM目前仍是三星SDI的全资子公司。

EcoPro于2004年参与了由第一毛织主导的政府项目“超高容量锂二次电池开发联合体”。2006年，第一毛织退出二次电池材料业务，EcoPro收购相关技术后，正式进军正极材料业务。三星SDI在2014年收购第一毛织，强化材料业务。此后，三星SDI于2020年与EcoPro BM成立正极材料合资公司EcoPro EM，双方一直保持紧密合作关系。

另一家持有NCM正极材料基础专利的企业是全球化工公司3M。3M于2000年与加拿大达尔豪斯（Dalhousie）大学的Jeff Dahn教授合作，注册了NCM专利，比阿贡国家实验室申请专利仅晚3个月。3M的专利涉及NCM111（镍、钴、锰比例为1:1:1）的组成。

与阿贡国家实验室不同，3M作为一家私营企业，非常清楚这项专利的商业价值。3M不仅在美国，还在中国、日本、韩国等地完成了相关专利布局。此后数年间，3M先后以专利侵权为由起诉索尼、松下、三洋，并最终达成和解。

韩国正极材料企业如要稳定开展全球业务，也不得不取得3M的专利授权。L&F和EcoPro分别在2012年和2013年、LG化学则在2015年与3M签订了许可协议。2014年，美国专利商标局（USPTO）确认阿贡国家实验室和3M的NCM专利各自具备新颖性。

随着锂离子电池市场扩大，专利战也愈演愈烈。比利时知名材料企业优美科（Umicore）于2010年与3M签订许可协议，试图解决专利纠纷。但巴斯夫和阿贡国家实验室并不认可这一点，两家企业于2015年3月联合起诉优美科侵犯其专利。

阿贡国家实验室的专利将NCM描述为由两相晶体氧化物构成的材料。阿贡方面主张，优美科的正极材料使用了他们的专利技术。相反，优美科辩称，其NCM属于3M专利所保护的单相固溶体。2016年，美国国际贸易委员会（ITC）采纳了巴斯夫和阿贡国家实验室的主张。最终，优美科不得不从阿贡国家实验室购买专利权。

此后，优美科又于2017年从3M手中收购了所有与NCM相关的专利，扩展其正极材料业务。曾经剑拔弩张的巴斯夫与优美科如今已成为专利同盟。两家公司于2021年5月就电池正极材料签署了非独占交叉许可协议，允许双方共同使用彼此持有的专利。两家公司表示，该协议适用于包括韩国在内的欧洲、美国、中国、日本等地申请的100多项专利。

2023年11月，SK On与巴斯夫在电池领域签署了全面业务合作协议，其中也包括正极材料使用相关内容。预计SK On今后将从巴斯夫采购正极材料。

韩国NCM正极材料企业早期虽依赖海外技术，但逐步形成了自身实力。尤其是国内企业通过提高镍含量来提升电池能量密度。SK Innovation和LG化学分别于2014年和2017年实现NCM622（镍60%、钴20%、锰20%）正极材料商业化。EcoPro的正极材料子公司EcoPro BM则在2018年与SK Innovation共同率先实现用于电动汽车的NCM811（镍80%、钴10%、锰10%）电池商业化。

韩国NCM811正极材料采用了汉阳大学Sun Yangkuk教授的“浓度梯度（concentration gradient）”技术。所谓浓度梯度，是指通过改变浓度，在正极材料中心提高镍的比例，在外层提高锰和钴的比例。利用该技术，可以防止在提高镍含量时出现的正极材料开裂现象。EcoPro于2009年从汉阳大学获得了该技术的转让及独占实施权。EcoPro与该技术的原始开发团队——汉阳大学Sun Yangkuk教授团队以及美国阿贡国家实验室共同获得了“2012美国R&D 100大奖”。

业界认为，韩国高镍正极材料仍未能完全避开海外专利。过去两三年间，韩国正极材料企业陆续与美国CAMX签订专利许可协议。据悉，继2020年的三星SDI之后，LG能源解决方案于2022年、L&F则在今年5月分别与CAMX就“GEMX平台”签署了专利协议。公司方面表示，该技术能够以较低成本为高镍正极材料提供高性能和高稳定性。比利时优美科也于今年5月与CAMX签订了许可协议。

在NCM电池相关领域曾饱受多家海外企业“围攻”的韩国企业，正集中力量开展下一代电池的研究开发（R&D），积极布局知识产权。代表性方向包括锂固态电池、锂金属电池、锂硫电池等。

韩国专利战略开发院对11个二次电池类别中，自2008年起申请并于2021年6月前公开的共11万4984件专利（涵盖韩国、美国、日本、欧洲、中国5国及世界知识产权组织）进行分析后发现，LG化学拥有的专利数量仅次于日本丰田汽车（4366件），位居第二。LG化学的专利主要集中在锂固态电池 → 锂硫电池 → 锂金属电池 → 锂离子电池这一顺序。

三星电子在锂固态电池和金属空气电池领域拥有大量专利。与三星电子不同，三星SDI的专利则依次集中在锂离子电池 → 锂金属电池 → 锂固态电池 → 锂硫电池。

在二次电池相关专利数量上居首的是日本丰田汽车，其专利主要分布在锂固态电池 → 锂离子电池 → 金属空气电池 → 锂硫电池等领域。中国的宁德时代（CATL）和比亚迪（BYD）的专利则集中在锂离子电池。现代汽车也被确认在锂固态电池和锂硫电池方面拥有大量专利。

值得注意的是，与早期由美国等西方国家占据优势不同，目前大部分二次电池专利已被韩国、中国、日本等亚洲国家掌控。这清楚地表明，全球二次电池产业今后将不可避免地在韩、中、日三国之间形成竞争格局。

View original image