材料中國專利分析

，潘薇，劉會(huì)景038；萬方數(shù)據(jù)股份有限公司，北京 100038）

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材料中國專利分析

2，潘薇2，劉會(huì)景2038；2萬方數(shù)據(jù)股份有限公司，北京 100038）

摘要：通析，總結(jié)了鋰離子電池負(fù)極材料的專利申請(qǐng)情況、行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、地結(jié)果表明，鋰離子電池負(fù)極材料經(jīng)過幾年的持續(xù)增長后，專利申請(qǐng)趨到中國本土申請(qǐng)人和日本申請(qǐng)人申請(qǐng)了大量的專利；國內(nèi)申請(qǐng)人主要析一些重點(diǎn)企業(yè)申請(qǐng)的專利技術(shù)布局可以了解目前市場(chǎng)上的負(fù)極材料技術(shù)熱點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；負(fù)極材料；數(shù)據(jù)挖掘；專利分析

第一作者及聯(lián)系人：王仙寧（1988—），女，碩士。E-mail xnlight@ 163.com。

隨著便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)汽車的高速發(fā)展，人們對(duì)高能量、長壽命和高功率鋰離子電池的需求不斷增加，而負(fù)極材料作為鋰離子電池重要組成部分，直接制約著鋰離子電池的電化學(xué)性能[1]。目前，市場(chǎng)上普遍應(yīng)用的負(fù)極材料主要為碳材料，然而，碳材料的理論比容量僅為372mAh/g，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際的應(yīng)用需求。開發(fā)新的高容量鋰離子電池負(fù)極材料顯得極為迫切和重要[2-3]。隨著市場(chǎng)需求的變化，負(fù)極材料的科研投入也在不斷加大，市場(chǎng)份額逐步在全球范圍內(nèi)改變和擴(kuò)大[4-6]。

鋰離子電池負(fù)極材料主要包括碳材料、合金化金屬材料、金屬氧化物及以上材料的復(fù)合物等材料。當(dāng)前開發(fā)和使用的碳負(fù)極材料主要有石墨、軟碳、硬碳；合金化金屬材料主要指Si，Sn、Bi、Al等金屬，此類材料的理論比容量一般在1000 mAh/g以上，具有較大的應(yīng)用潛力；常見的金屬氧化物負(fù)極材料有Fe2O3、SnO2及Co3O4等。但是目前商業(yè)化生產(chǎn)的負(fù)極材料僅有碳材料，原因在于碳材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、電化學(xué)性能優(yōu)、價(jià)格低廉、安全性高[7]。

科研的投入固然重要，然而對(duì)鋰離子電池負(fù)極材料的發(fā)展大局的掌握更為迫切。只有了解市場(chǎng)的發(fā)展?fàn)顩r及技術(shù)成熟度，才能把握方向，抓住發(fā)展機(jī)遇。

本文從鋰離子電池負(fù)極材料中國發(fā)明專利入手，通過對(duì)專利申請(qǐng)趨勢(shì)、專利技術(shù)布局、重點(diǎn)申請(qǐng)人等指標(biāo)來分析負(fù)極材料的發(fā)展情況、專利的技術(shù)分布概況及申請(qǐng)人的科研實(shí)力等，為公司后續(xù)發(fā)展及科研投入提供信息支持和參考。

1　專利檢索數(shù)據(jù)庫

本文采用的鋰離子電池負(fù)極材料技術(shù)專利分析數(shù)據(jù)來源于中國國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的ISTIC專利分析數(shù)據(jù)庫，利用主題詞檢索方法，采集1985年09月至2014年09月相關(guān)發(fā)明專利樣本，經(jīng)過計(jì)算機(jī)檢索和人工篩選，得到1353項(xiàng)檢索結(jié)果，將其作為本次專利分析的基本數(shù)據(jù)。通過構(gòu)建專利申請(qǐng)趨勢(shì)、重點(diǎn)申請(qǐng)人等信息指標(biāo)對(duì)專利信息進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)檢索日期為2015年01月。由于中國發(fā)明專利申請(qǐng)公布一般是在申請(qǐng)日后18個(gè)月，所以2013年和2014年申請(qǐng)的專利數(shù)據(jù)僅作參考。

2　專利技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

鋰離子電池自1992年經(jīng)日本Sony公司商業(yè)化后便開始迅速發(fā)展。2000年以前，世界上的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)基本掌握在日本手里。近年來，隨著中國和韓國工業(yè)技術(shù)的崛起，日本一枝獨(dú)秀的局面逐漸被打破[8]。

圖1為鋰離子電池負(fù)極材料的技術(shù)發(fā)展時(shí)間趨勢(shì)圖。從圖中可以看出，2003年之前，專利申請(qǐng)及公開數(shù)量增長緩慢，此階段日本獨(dú)占整個(gè)鋰離子電池市場(chǎng)，中國在該領(lǐng)域的技術(shù)處于起步期。2003年以后，鋰離子電池負(fù)極材料的專利申請(qǐng)量不斷增多，這是由中國鋰離子電池市場(chǎng)份額提升、大眾需求擴(kuò)大及國內(nèi)科研投入力度加大所帶動(dòng)的。2009年被認(rèn)為是分水嶺，從這一年開始，負(fù)極材料專利申請(qǐng)及公開數(shù)量得到大幅增長，這與電池行業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)。2009年起，智能手機(jī)和電動(dòng)汽車得到了不斷推廣[9]，它們對(duì)電池的容量要求更高，而市場(chǎng)上的負(fù)極材料不能滿足需求，促使負(fù)極材料的科研投入加大，專利申請(qǐng)量達(dá)到一個(gè)巔峰。發(fā)展至2012年時(shí)，智能手機(jī)進(jìn)入相對(duì)平穩(wěn)的發(fā)展階段，加上經(jīng)過前四年的技術(shù)儲(chǔ)備，負(fù)極材料的專利數(shù)量已達(dá)新高，技術(shù)普及明顯。2013年以后，專利申請(qǐng)及公開數(shù)量發(fā)展平緩，到2014年可能會(huì)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，此時(shí)，技術(shù)瓶頸成為最大的制約，亟需創(chuàng)新突破。

圖1　中國鋰離子電池負(fù)極材料技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)圖

3　國家和地區(qū)競(jìng)爭分析

3.1專利申請(qǐng)國家分布

我國鋰離子電池負(fù)極材料專利申請(qǐng)的國家分布情況如圖2所示。專利申請(qǐng)量在一定程度上反映出各個(gè)國家對(duì)該領(lǐng)域的戰(zhàn)略部署及技術(shù)水平。由圖可知，在中國，該領(lǐng)域申請(qǐng)量較大的國家為中國和日本，符合目前的市場(chǎng)情況[10]，兩國申請(qǐng)量約占總申請(qǐng)量的98%，表明中國和日本的研發(fā)實(shí)力較強(qiáng)，且該領(lǐng)域技術(shù)集中程度高。另外，也說明日本重視我國國內(nèi)市場(chǎng)，注重技術(shù)保護(hù)。

圖2　鋰離子電池負(fù)極材料專利申請(qǐng)國家分布

3.2我國各省份專利分布

鋰離子電池負(fù)極材料在我國各省份的分布情況如圖3所示。專利申請(qǐng)量較高的省份集中在廣東、北京、上海、浙江，占總申請(qǐng)量的56%。負(fù)極材料專利申請(qǐng)量較高的省份，其共同之處在于它們都是電池生產(chǎn)企業(yè)和名校的聚集地。廣東省內(nèi)有眾多鋰離子電池負(fù)極材料生產(chǎn)商，如貝特瑞、比亞迪、東莞新能源、比克電池等，這類企業(yè)的存在大大提高了廣東省在該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量。北京匯聚了科研能力較為突出的知名高校，如目前清華大學(xué)和北京科技大學(xué)在此領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量已分別達(dá)到31件和30件。上海市僅復(fù)旦大學(xué)的專利申請(qǐng)量就已達(dá)到31件，浙江省情況與其類似，浙江大學(xué)的申請(qǐng)量達(dá)60件，同時(shí)上海和浙江還有多數(shù)企業(yè)參與鋰離子電池負(fù)極材料的研發(fā)，申請(qǐng)了大量專利。

圖3　我國各省份專利申請(qǐng)分布情況

4　重點(diǎn)專利權(quán)人技術(shù)競(jìng)爭分析

4.1重點(diǎn)高等院校專利權(quán)人分析

圖4為專利申請(qǐng)量排名前十的重點(diǎn)高等院校的專利申請(qǐng)情況。如圖4，按照專利申請(qǐng)情況，重點(diǎn)高等院校可以被分為3個(gè)梯隊(duì)：60件專利的浙江大學(xué)、申請(qǐng)量30件左右以及申請(qǐng)量小于20件的大學(xué)。

圖4　鋰離子電池負(fù)極材料重點(diǎn)高等院校專利申請(qǐng)量

目前各大高校的研究重點(diǎn)都集中在材料的改性方面，包括對(duì)材料形貌及組成的控制等。而鋰離子電池負(fù)極材料廣泛應(yīng)用的仍然是碳材料，但是碳材料理論比容量較低，限制了它的進(jìn)一步應(yīng)用。金屬氧化物及硅類材料具備高的理論比容量，電導(dǎo)率卻較低。近來的研究熱點(diǎn)為制備金屬氧化物或硅材料與碳材料的復(fù)合材料，使得復(fù)合材料既具備金屬氧化物或硅材料的高比容量，同時(shí)又具備碳材料的高導(dǎo)電性[11]。研究各個(gè)高等院校申請(qǐng)的專利，近幾年申請(qǐng)的專利材料主要為各類金屬氧化物與石墨烯的復(fù)合材料。硅材料是這兩年新興的負(fù)極材料，目前還處于研究的初期，各個(gè)高校也都開始關(guān)注并研究硅類材料，目前已出現(xiàn)了一些硅類負(fù)極材料的專利。當(dāng)前硅類負(fù)極材料已是研究的一大熱點(diǎn)，將來也必將是鋰離子電池負(fù)極材料專利申請(qǐng)的熱點(diǎn)之一。

4.2重點(diǎn)企業(yè)專利權(quán)人分析

對(duì)企業(yè)專利申請(qǐng)人進(jìn)行分析，得到國內(nèi)排名前十的重點(diǎn)企業(yè)專利申請(qǐng)情況，如表1。由表1可知，專利申請(qǐng)量排名前三的企業(yè)分別為上海杉杉科技、深圳貝特瑞及比亞迪。上海杉杉科技擁有負(fù)極的中間相炭微球技術(shù)，且該技術(shù)已延伸并生產(chǎn)出一系列產(chǎn)品。結(jié)合各個(gè)公司的市場(chǎng)情況及專利申請(qǐng)量可知，只有掌握了關(guān)鍵技術(shù)，才能進(jìn)一步鞏固企業(yè)的市場(chǎng)地位。深圳貝特瑞是國內(nèi)鋰電池碳負(fù)極材料標(biāo)準(zhǔn)制定者，其市場(chǎng)占有率達(dá)80%，處于鋰離子電池負(fù)極材料的研發(fā)前沿，代表著石墨深加工的方向，推出了一系列高容量負(fù)極材料。

表1　鋰離子電池負(fù)極材料重點(diǎn)企業(yè)專利申請(qǐng)量

此外，對(duì)比排名前10的重點(diǎn)高校和企業(yè)的專利申請(qǐng)數(shù)量，發(fā)現(xiàn)高校的申請(qǐng)量普遍大于企業(yè)。雖然當(dāng)前市場(chǎng)上負(fù)極材料的生產(chǎn)商不計(jì)其數(shù)，然而高校仍舊是鋰離子電池負(fù)極材料的科研主力[12]，未來通過高校的科技創(chuàng)新，必能突破當(dāng)前鋰離子電池發(fā)展的瓶頸。

對(duì)排名前三的企業(yè)專利申請(qǐng)方向進(jìn)行了分析，進(jìn)而了解三大企業(yè)的專利技術(shù)布局及技術(shù)側(cè)重點(diǎn)，其專利技術(shù)分布情況如圖5所示。

圖5　排名前三的企業(yè)專利技術(shù)分布

從圖5中得知，三大公司的研發(fā)重點(diǎn)基本一致，主要集中在碳材料、復(fù)合金屬氧化物及錫/硅類復(fù)合材料，碳材料類及錫/硅類復(fù)合材料的研究成果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于復(fù)合金屬氧化物。專利申請(qǐng)量的分布在一定程度上反映出各個(gè)公司的技術(shù)布局，從圖5中可以看出，三大公司都比較重視碳材料及錫/硅類復(fù)合材料的研發(fā)，碳材料的研發(fā)成果更多，原因在于碳材料還是當(dāng)前商業(yè)化負(fù)極的主流材料，短期內(nèi)難以被其他負(fù)極材料取代，企業(yè)只有不斷在碳材料方面投入研究，優(yōu)化碳材料性能，才能保證企業(yè)在市場(chǎng)中的地位屹立不倒。錫/硅類復(fù)合材料是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，也是最有潛力替代碳材料的新一代負(fù)極材料，各個(gè)企業(yè)在此方面的投入相當(dāng)于是在搶占未來市場(chǎng)。

5　結(jié)　語

通過檢索和分析鋰離子電池負(fù)極材料的中國發(fā)明專利數(shù)據(jù)，得出鋰離子電池負(fù)極材料的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及市場(chǎng)競(jìng)爭情況。分析表明，經(jīng)過幾年的持續(xù)增長，當(dāng)前專利申請(qǐng)趨勢(shì)放緩；不同國家在我國的戰(zhàn)略技術(shù)布局不同，其中，日本最為重視我國國內(nèi)市場(chǎng)及技術(shù)保護(hù)；國內(nèi)負(fù)極材料生產(chǎn)技術(shù)集中程度高，主要集中在廣東、北京、上海、浙江四省市；高校和企業(yè)在負(fù)極材料領(lǐng)域投入了大量研發(fā)精力，并取得了較大進(jìn)展，其中高校浙江大學(xué)已申請(qǐng)專利60件，企業(yè)上海杉杉科技有限公司申請(qǐng)專利45件；企業(yè)和高校的研發(fā)側(cè)重點(diǎn)不同，這是由兩者的目標(biāo)導(dǎo)向不同造成的。

日后，隨著電動(dòng)汽車等消費(fèi)品的不斷推廣，市場(chǎng)會(huì)對(duì)鋰離子電池提出了更高的挑戰(zhàn)，而鋰離子電池負(fù)極材料的性能對(duì)于整個(gè)電池容量的發(fā)揮起著至關(guān)重要的作用，只有實(shí)現(xiàn)負(fù)極材料的容量突破，才能真正意義上解決當(dāng)前鋰離子電池的問題。經(jīng)過專利分析也可以看出，關(guān)鍵技術(shù)的掌握與企業(yè)市場(chǎng)地位息息相關(guān)，新公司若想取得發(fā)展，必須得從技術(shù)入手，掌握關(guān)鍵技術(shù)才能掌控市場(chǎng)。

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·行業(yè)新聞·

Chinese patent analysis on anode materials for lithium-ion battery

WANG Xianning1，LING Feng2，PAN Wei2，LIU Huijing2
（1Institute of Scientific and Technical Information of China，Beijing 100038，China;2WanFang Data Co.，Ltd.，Beijing 100038，China）

Abstract：Based on the data mining and patentometric analysis of Chinese invention patents，an overview of anode materials for lithium-ion battery is presented. The results show that the lithium ion battery anode materials have achieved sustained growth for several years，but now the growth speed has slowed down. According to the nationality analysis of the applicants，a large number of patents are from Chinese and Japanese applicants and the domestic applicants are mainly from Guangdong，Shanghai，Beijing and Zhejiang. In addition，with analysis of the patents from key companies，we can better understand the technology hotspots distribution of anode materials for lithium-ion battery.

Key words：lithium-ion battery; anode materials; data mining; patent analysis

基金項(xiàng)目：科技部國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAH21B01）。

收稿日期：2015-04-15；修改稿日期：2015-07-30。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.01.046

中圖分類號(hào)：TM 912

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000–6613（2016）01–0336–04