科学家开发出创新的PVPA粘合剂：显著提高锂电池性能和耐用性【附锂电池技术赛道观察图谱】

瞻观前沿

锂离子电池广泛用于各种应用，但需要改进的粘合剂来增强其性能，以满足不断变化的需求。这是因为氧化硅(SiO)作为一种具有高容量和低成本的有前景的负极材料，面临着一些挑战。这些问题包括导电性差，导致充电速率变慢，以及充电过程中的显着膨胀。因此，有效的粘合剂对于解决这些问题并确保锂离子电池系统的性能增强和耐久性延长至关重要。

在2024年2月8日《ACS应用能源材料》杂志上发表的一项最新研究中，日本先进科学技术研究所（JAIST）的 Noriyoshi Matsumi （松見紀佳）教授、博士生 Noriyuki Takamori、前高级讲师 Rajashekar Badam、Tejkiran Pindi Jayakumar 博士（前学生）以及丸善石化有限公司的研究人员利用聚乙烯基膦酸(PVPA)作为微型SiO电极的粘合剂，与传统电池相比，实现了卓越的性能。

Matsumi 教授表示：“事实证明，PVPA粘合剂对于延长高性能锂离子二次电池的使用寿命非常有用。特别是在电动汽车的应用中，人们对实现锂离子二次电池的长寿命有着浓厚的兴趣。PVPA的使用将为市售粘合剂提供改进的替代品，例如聚丙烯酸(PAA)和聚偏二氟乙烯(PVDF)等。”

该研究涉及制造含有PVPA、PAA和PVDF作为粘合剂的电极，并通过电化学实验和密度泛函理论评估其性能。与传统PAA (2.03 N/m) 相比，PVPA对铜支架的附着力(3.44 N/m) 明显增强，从而显着提高了锂离子电池的耐用性。

200次循环后，基于PVPA的电池的放电容量几乎是基于PAA的电池的两倍，基于PVPA的半电池在相同的循环次数后达到了1300mAhg -1 SiO。即使在200个充放电循环之后，在扫描电子显微镜中也没有观察到集流体的剥落，这与PVDF或PAA粘合剂不同。此外，PVPA更强的附着力有助于稳定SiO基阳极，即使在体积显着膨胀的情况下也能防止其剥落。

Matsumi 教授展望道：“像这样的工业上可行的高性能粘合剂将有助于高度耐用和高能量密度电池技术的开发。这将导致电动汽车在全球范围内得到更广泛的采用，而无需担心性能在较长时间内下降。这些材料未来还可以应用于火车、轮船、飞机等各种电动车辆。”

图片来源：JAIST 的 Noriyoshi Matsumi

技术价值观察

锂电池行业上游的原材料主要包括正负极材料、电解液、隔离膜等。其中，正极材料是锂电池最为关键的原材料，直接决定了电池的安全性能和电池能否大型化，同时也是锂电池成本占比最高的材料，约占锂电池电芯材料成本的40%左右。锂电池行业的中游包括电池系统的研发制造、电池系统集成组装等。锂电池行业下游的应用领域主要为消费电池、动力电池和储能电池。

研究人员利用聚乙烯基膦酸(PVPA)作为微型SiO电极的粘合剂，显著提高了锂离子电池性能和耐用性。因此，从锂电池产业链上看，该技术处于产业链的上游环节，对原材料产生较大影响

宏观市场观察

——全球动力锂电池出货量及装机量情况

在中国、欧洲、日韩、美国等主要国家大力发展全球新能源汽车的背景下，全球动力锂电池市场近年来出货量保持高速增长的趋势。根据EVTank披露的数据，2022年全球动力锂电池出货量为684.2GWh，同比增长84.4%。

装车量方面，根据SNE Research披露的数据，全球动力锂电池装机量已从2019年的115.2GWh增长至2022年的517.9GWh。2023年1-11月，全球锂电池装机量达624.4GWh。整体来看，全球动力锂电池装机量保持高速增长态势。

——中国锂电池企业全球专利活跃度

从全球锂电池行业专利申请数量排名来看，前十申请人中有五家是中国的企业，可见中国企业在全球锂电池技术创新活跃性较高。分别是国轩高科、比亚迪、国家电网、珠海冠宇和宁德时代。其中，国轩高科以2410项专利申请数量排名全球第二。

——中国锂电池企业全球专利创新力

截至7月初，2023年全球锂电池行业专利申请排名前十的均为中国企业和高校，可见中国企业在全球锂电池技术创新力较强。

——中国锂电池企业国内专利排名情况

从我国锂电池行业专利申请情况来看，该技术领域内的主要公司有合肥国轩高科动力能源有限公司、比亚迪股份有限公司、国家电网公司、珠海冠宇电池股份有限公司、国家电网有限公司、宁德新能源科技有限公司、蜂巢能源科技股份有限公司、惠州亿纬锂能股份有限公司、宁德时代新能源科技股份有限公司和天津力神电池股份有限公司。

其中，合肥国轩高科动力能源有限公司锂电池相关专利申请数量最多，2404项。比亚迪股份有限公司专利申请量排名第二，锂电池相关专利申请数量超过940项。

——企业核心技术布局

从企业技术布局情况来看，目前我国锂电池企业均有布局三元锂电池和磷酸铁锂电池。其中，宁德时代主要以三元锂电池为主，比亚迪以磷酸铁锂电池为主。

中国锂电池技术赛道热力图

根据前瞻产业热力图显示，与锂电池关键技术强关联的城市集群主要集中在华南地区，并且以深圳、东莞市为重点发展区域，未来锂电池技术及其他相关技术的发展路径，极大可能性在于华南地区优先导入，其中可重点关注广东省深圳市龙华区和宝安区、广东省东莞市所处锂电池的相关企业，以及该地方对于锂电池的产业发展投资环境、供给市场的潜力空间。

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更多本行业研究分析详见前瞻产业研究院《中国锂电池行业发展前景与投资战略规划分析报告》。

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