摘 要：鋰離子電池是一種充電電池，主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作。高比特性高壓鋰離子電池具有循環(huán)性能好、低自放電、無(wú)記憶效應(yīng)、比能量高和綠色環(huán)保等性能優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)能電池研究的重點(diǎn)。針對(duì)高比特性高壓鋰離子電池組的專利申請(qǐng)趨勢(shì)和技術(shù)生命周期進(jìn)行了分析，梳理出高比特性高壓鋰離子電池組專利申請(qǐng)的地域分布和全球主要專利申請(qǐng)人，通過(guò)對(duì)主要專利申請(qǐng)人的專利布局進(jìn)行分析，指導(dǎo)相關(guān)研究單位有效進(jìn)行專利布局和避免產(chǎn)生專利糾紛，降低研發(fā)過(guò)程中的專利侵權(quán)風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)通過(guò)技術(shù)功效分析尋求重點(diǎn)研發(fā)方向的技術(shù)創(chuàng)新。
關(guān)鍵詞：鋰電池；專利分析；申請(qǐng)人；專利布局
高比特性和高壓是鋰電池兩個(gè)重要的性能參數(shù)，高比特性也稱為高比能量，一般要求鋰電池的質(zhì)量比能量達(dá)到100W·h/kg以上，高壓要求單體鋰電池的電壓在3 V以上[1]。高比特性高壓鋰離子電池組是目前最具發(fā)展前景的高效二次電池和發(fā)展最快的化學(xué)儲(chǔ)能電源，被廣泛應(yīng)用于電力輸配、航空航天、輔助服務(wù)、分布式微網(wǎng)、國(guó)防工業(yè)、可再生能源并網(wǎng)以及電動(dòng)汽車充換電等儲(chǔ)能領(lǐng)域的各個(gè)方面[2]。隨著電源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)的市場(chǎng)需求將保持高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，而研究高比特性高壓儲(chǔ)能電池也成為各國(guó)競(jìng)相競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)熱點(diǎn)。高比特性高壓鋰離子電池組的主要技術(shù)包括電極材料技術(shù)、電解液技術(shù)、電池組管理技術(shù)等[3]。本文從高比特性高壓鋰離子電池組的專利申請(qǐng)趨勢(shì)、區(qū)域分布、申請(qǐng)人、技術(shù)功效等多個(gè)角度進(jìn)行專利分析，有利于指導(dǎo)相關(guān)企業(yè)從高價(jià)值專利中尋找技術(shù)研發(fā)思路，同時(shí)降低技術(shù)研發(fā)過(guò)程中的知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)。
1 專利分析方法
技術(shù)譜系的構(gòu)建是正確制定專利檢索策略的基礎(chǔ)，通過(guò)構(gòu)建技術(shù)譜系可以實(shí)現(xiàn)專利檢索的精確性，本文結(jié)合高比特性高壓鋰離子電池組技術(shù)具體的應(yīng)用環(huán)境，制定出技術(shù)譜系如表1所示，將高比特性高壓鋰離子電池組技術(shù)分解成蓄電池組技術(shù)和故障容錯(cuò)管理技術(shù)兩個(gè)二級(jí)技術(shù)，三級(jí)技術(shù)是對(duì)二級(jí)技術(shù)的進(jìn)一步分解。
表1 高比特性高壓鋰離子電池組技術(shù)譜系
Table 1 Technical pedigree of high-specification and high-voltage lithium-ion battery pack
以Incopat專利數(shù)據(jù)庫(kù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，在全球范圍內(nèi)對(duì)技術(shù)譜系中的每個(gè)技術(shù)分支進(jìn)行逐一檢索，從專利被引頻次、同族數(shù)量、重要技術(shù)首次申請(qǐng)、涉及法律訴訟的申請(qǐng)等角度考慮，并結(jié)合技術(shù)專家的觀點(diǎn)，經(jīng)分類、統(tǒng)計(jì)、采用人工閱讀的方式，共篩選出相關(guān)專利566件（由于專利公開(kāi)的時(shí)滯等原因，近兩年的數(shù)據(jù)收錄不完全，僅供參考，下文同）。
2 專利申請(qǐng)趨勢(shì)分析
圖1為高比特性高壓鋰離子電池組專利年度申請(qǐng)趨勢(shì)，包括全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)和中國(guó)專利申請(qǐng)趨勢(shì)，通過(guò)專利申請(qǐng)趨勢(shì)能夠反映出高比特性高壓鋰離子電池組受關(guān)注程度以及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。高比特性高壓鋰離子電池組的專利申請(qǐng)趨勢(shì)大致經(jīng)歷了3個(gè)主要階段。
圖1 高比特性高壓鋰離子電池組專利申請(qǐng)趨勢(shì)
Fig.1 Patent application trend of high-specification and high-voltage lithium-ion battery pack
，專利數(shù)量增長(zhǎng)趨于穩(wěn)定，僅2014年申請(qǐng)人數(shù)量較前一年小幅回調(diào)，不能說(shuō)明總體申請(qǐng)人減少趨勢(shì)?？傮w來(lái)看仍處于技術(shù)成長(zhǎng)期。
圖2 高比特性高壓鋰離子電池組技術(shù)生命周期圖
Fig.2 Technical life cycle diagram of high-specification and high-voltage lithium-ion battery pack
4 專利申請(qǐng)區(qū)域分析
專利申請(qǐng)人除了在本國(guó)進(jìn)行專利保護(hù)外，為了在國(guó)外生產(chǎn)、銷售產(chǎn)品，專利申請(qǐng)人往往也在國(guó)外申請(qǐng)同族專利以求獲得知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。因此，一個(gè)國(guó)家在特定技術(shù)領(lǐng)域的專利數(shù)量整體上反映了該國(guó)在該特定領(lǐng)域的市場(chǎng)前景和競(jìng)爭(zhēng)程度[6]。通過(guò)對(duì)高比特性高壓鋰離子電池組技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)區(qū)域進(jìn)行分析，揭示出各個(gè)國(guó)家和區(qū)域的技術(shù)實(shí)力和市場(chǎng)前景。圖3對(duì)高比特性高壓鋰離子電池組主要的專利申請(qǐng)區(qū)域進(jìn)行了分析，其中中國(guó)專利申請(qǐng)量位列第一，有312件專利申請(qǐng)，占專利申請(qǐng)總量的55.12%；日本專利申請(qǐng)量位列第二，表明日本申請(qǐng)人也具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)；排在第三位的是韓國(guó)，第四位為美國(guó)，這是由于韓國(guó)在鋰離子電池領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展較快，因此，韓國(guó)也成為主要的專利申請(qǐng)國(guó)家。
圖3 主要專利申請(qǐng)國(guó)/地區(qū)
Fig.3 Major patent application countries and regions
5 重要申請(qǐng)人分析
如圖4所示，對(duì)高比特性高壓鋰離子電池組專利申請(qǐng)量在10件及以上的申請(qǐng)人進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，共有11位申請(qǐng)人，數(shù)據(jù)表明：全球范圍內(nèi)，申請(qǐng)量在10件及以上的申請(qǐng)人包括6家日本公司、3家中國(guó)公司、1家英國(guó)公司和1家韓國(guó)公司。雖然從專利申請(qǐng)量來(lái)看，中國(guó)的專利申請(qǐng)量大幅領(lǐng)先于日本，但是從主要申請(qǐng)人來(lái)看，中國(guó)則與日本仍存在較大差距，中國(guó)的專利申請(qǐng)人較為分散，導(dǎo)致各個(gè)申請(qǐng)人的專利申請(qǐng)量較少，而日本的專利申請(qǐng)人較為集中，形成技術(shù)優(yōu)勢(shì)企業(yè)主導(dǎo)技術(shù)研發(fā)的態(tài)勢(shì)。在主要專利申請(qǐng)人中，日本住友株式會(huì)社有28件專利申請(qǐng)，接近排名第二的上?？臻g電源研究所專利申請(qǐng)量的2倍，可見(jiàn)住友株式會(huì)社在鋰離子電池領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)處于領(lǐng)先地位。英國(guó)BAE系統(tǒng)公司是一家國(guó)防軍工企業(yè)，其專利申請(qǐng)時(shí)間較早，所研發(fā)的技術(shù)多與國(guó)防軍工技術(shù)相關(guān)[7]。韓國(guó)LG化學(xué)公司在鋰離子電池制造技術(shù)方面已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平，但其材料和核心技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力還不及日本。
圖4 主要申請(qǐng)人排名
Fig.4 Ranking of main applicants
在基礎(chǔ)研究與技術(shù)發(fā)展的支持下，中國(guó)的高比特性高壓鋰離子電池技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，重要申請(qǐng)人的數(shù)量?jī)H次于日本[8]。國(guó)內(nèi)的上海空間電源研究所和中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所作為軍工企業(yè)，在空間電源技術(shù)領(lǐng)域具有先進(jìn)的技術(shù)研發(fā)能力，寧德時(shí)代在動(dòng)力和儲(chǔ)能電池領(lǐng)域，材料、電芯、電池系統(tǒng)等領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
圖5對(duì)主要申請(qǐng)人的主要目標(biāo)國(guó)進(jìn)行了分析，數(shù)據(jù)表明：申請(qǐng)人將其所在國(guó)作為目標(biāo)國(guó)的比重最大，例如：日本本土公司住友、索尼、松下、豐田等均重視其在日本本土的專利布局，而三菱化學(xué)的專利布局則與其他日本企業(yè)有所不同，在中國(guó)有10件專利，其在本土僅有1件專利，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析可知，三菱化學(xué)在中國(guó)申請(qǐng)的這10件專利其實(shí)是2項(xiàng)同族專利。韓國(guó)LG化學(xué)公司在中國(guó)、美國(guó)和韓國(guó)均有專利布局，且在美國(guó)和韓國(guó)的專利申請(qǐng)量多于在中國(guó)的專利申請(qǐng)量，表明LG化學(xué)公司更加重視在美國(guó)和韓國(guó)的專利布局[9]。英國(guó)BAE公司的專利布局較為廣泛，在中國(guó)、日本、美國(guó)和韓國(guó)均有一定數(shù)量的專利申請(qǐng)。國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人中上?？臻g電源研究所和中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究的專利布局僅限于國(guó)內(nèi)，尚未在海外進(jìn)行專利布局，這是由于這兩家單位屬于國(guó)防軍工單位，產(chǎn)品主要應(yīng)用于國(guó)防領(lǐng)域，因此并不關(guān)注海外專利布局，而寧德時(shí)代公司除了在本土布局大量專利外，由于其產(chǎn)品還面向國(guó)際市場(chǎng)，因此在日本和美國(guó)也申請(qǐng)了相關(guān)專利。
圖5 主要申請(qǐng)人專利布局分析
Fig.5 Analysis of patent layout of main applicants
6 技術(shù)功效分析
針對(duì)566件高比特性高壓鋰離子電池組專利，按照技術(shù)手段和技術(shù)效果標(biāo)引后，得到如圖6所示的鋰離子電池技術(shù)功效圖。從技術(shù)手段來(lái)看，高功率電解液技術(shù)和高功率電極材料技術(shù)是高比特性高壓鋰離子電池組專利技術(shù)布局的重點(diǎn)，分別占專利申請(qǐng)總量的43.1%和37.8%，高功率電解液和高功率電極材料是高比特性高壓鋰電池技術(shù)的基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)外申請(qǐng)人已經(jīng)在該領(lǐng)域布局了較多數(shù)量的專利。其次是均衡管理技術(shù)領(lǐng)域，這是電池組管理技術(shù)的重點(diǎn)，也是提高高壓蓄電池組壽命的關(guān)鍵技術(shù)[10]。
圖6 高比特性高壓鋰離子電池組技術(shù)功效圖
Fig.6 Technology effect diagram of high-efficiency and high-voltage lithium-ion battery pack
從技術(shù)效果來(lái)看，提高高壓鋰電池組的可靠性和功率是鋰離子電池專利主要取得的技術(shù)效果，提高可靠性包括提高鋰電池組的高壓安全性、高溫穩(wěn)定性等，提高功率包括提高鋰電池高倍率放電、提高電導(dǎo)率、提高放電比容量等。其次提高鋰電池組性能和提高鋰電池組壽命也是專利布局的重點(diǎn)，提高鋰電池組性能包括提高鋰電池的電導(dǎo)率、高溫循環(huán)性能等，提高鋰電池組壽命也是鋰電池技術(shù)一直追求的目標(biāo)，這直接關(guān)系到高比特性高壓鋰離子電池組的壽命。同時(shí)提高鋰離子電池組的可靠性和壽命關(guān)系較為緊密，往往是同一個(gè)技術(shù)手段同時(shí)達(dá)到的技術(shù)效果。
具體來(lái)看，采用各個(gè)技術(shù)手段所取得的技術(shù)效果存在差異，其中高功率電極材料和高功率電解液專利重點(diǎn)解決的是鋰電池的功率和性能的問(wèn)題，通過(guò)提高單體鋰電池的功率和性能從而提高鋰離子蓄電池組的高比特性和高壓性能。而均衡管理通過(guò)使電池組中每個(gè)單體電池都達(dá)到一致均衡的狀態(tài)，從而達(dá)到提高蓄電池組壽命和可靠性的目的，同時(shí)通過(guò)選擇恰當(dāng)?shù)木夥绞?，還可以提高電池均衡的效率。
高壓鋰電池依賴于高功率電極材料和高功率電解液，在高功率電極材料中正極材料專利占專利申請(qǐng)總量的58.54%，高于負(fù)極材料的專利申請(qǐng)量，如圖7所示，正極材料中三元材料專利申請(qǐng)所占比例最高，達(dá)到17.03%，三元材料基于其高能量密度等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為正極材料研究的熱點(diǎn)，其次是鈷系材料，占10.46%。負(fù)極材料專利申請(qǐng)占29.20%，其中碳素材料碳材料具有高比容量，低的電極電位，高的循環(huán)效率，仍然是目前研究熱點(diǎn)和專利申請(qǐng)的重點(diǎn)方向，硅基材料具有較高的能量密度和低的電化學(xué)電勢(shì)，近年來(lái)也有一定比例的專利申請(qǐng)。
圖7 高功率電極材料專利技術(shù)分布
Fig.7 Patent application technology distribution of high power electrode material
圖8為高功率電解液專利申請(qǐng)的技術(shù)分布，從圖中可以看出，添加劑領(lǐng)域的專利申請(qǐng)最多，占59.06%，其中與高功率相關(guān)的專利申請(qǐng)是添加劑專利申請(qǐng)的主體，占專利申請(qǐng)總量的31.16%；有機(jī)溶劑專利申請(qǐng)中碳酸酯專利申請(qǐng)的比例最高，其次為氟代溶劑；鋰鹽領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量相對(duì)較少，占專利申請(qǐng)總量的14.86%。
圖8 高功率電解液專利技術(shù)分布
Fig.8 Patent application technology distribution of high power electrolyte
7 結(jié) 論
通過(guò)以上專利分析可以看出，高比特性高壓鋰離子電池組相關(guān)專利申請(qǐng)經(jīng)過(guò)前期的積累，整體上仍處于不斷增長(zhǎng)的階段，技術(shù)仍處在快速發(fā)展階段。總結(jié)出高比特性高壓鋰離子電池組專利布局的重點(diǎn)主要體現(xiàn)以下兩個(gè)方面。
（1）高功率電極材料和電解液是高壓蓄電池組技術(shù)的基礎(chǔ)。高比特性高壓鋰離子電池組需要通過(guò)串聯(lián)高壓?jiǎn)误w鋰電池獲得，而高壓?jiǎn)误w鋰電池依賴于高功率電極材料，尤其是高功率電極材料和高功率電解液。專利分析信息表明，高功率電極材料和電解液是專利布局的重點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外申請(qǐng)人將石墨烯作為電極導(dǎo)電劑添加到鋰離子電極材料中，用于改善電極材料導(dǎo)電性能、提高鋰電池功率，目前該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成熟。
（2）主動(dòng)均衡技術(shù)是目前電池組均衡管理技術(shù)專利布局的重點(diǎn)，混合均衡技術(shù)未來(lái)極具潛力。在高比特性高壓鋰離子電池組管理技術(shù)的專利申請(qǐng)中，均衡管理技術(shù)（包括混合均衡管理技術(shù)、主動(dòng)均衡管理技術(shù)和被動(dòng)均衡管理技術(shù)）這一技術(shù)分支的專利申請(qǐng)量最大，占專利申請(qǐng)總量的75.8%，這表明均衡管理技術(shù)是電池組管理技術(shù)的關(guān)鍵[11]。其中，大部分高壓鋰離子蓄電池組采用主動(dòng)均衡的方式，在均衡管理技術(shù)的專利申請(qǐng)中，主動(dòng)均衡管理技術(shù)的專利申請(qǐng)量最多，占57.58%。另外，混合均衡技術(shù)繼承了主動(dòng)均衡的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)將主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡有效地結(jié)合起來(lái)，能夠有效延長(zhǎng)電池組使用壽命，成為近年來(lái)均衡管理技術(shù)專利申請(qǐng)的熱點(diǎn)，未來(lái)發(fā)展極具潛力。
引用本文： 圣冬冬,王海濤,施穎杰等.高比特性高壓鋰離子電池組技術(shù)專利分析[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2020,09(04):1214-1219. (SHENG Dongdong,WANG Haitao,SHI Yingjie,et al.Patent analysis of the high-specification and high-voltage lithium-ion battery technology[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(04):1214-1219.)
第一作者：圣冬冬（1984—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹教祀娫醇夹g(shù)，E-mail：1228109004@qq.com。
