陳文福

(惠州市超越知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所（普通合伙），廣東 惠州 516000)

隨著社會和科技的高速發(fā)展，我國對能源的需求量日益增加，石油等不可再生化石能源的供給量和需求量之間的供需矛盾日益凸顯，同時化石能源對環(huán)境的傷害也越來越大，急需新能源和“低碳經(jīng)濟(jì)”等來填補(bǔ)空缺。鋰離子動力電池作為重要的清潔動力源，在近些年已經(jīng)逐漸應(yīng)用到了包括電動汽車在內(nèi)的各個領(lǐng)域，展現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿2]。鋰離子動力電池的正極材料是其中的關(guān)鍵材料，其發(fā)展直接影響鋰離子電池的能效及應(yīng)用，目前主要的正極材料包括鈷酸鋰，錳酸鋰，鎳鈷錳酸鋰，磷酸鐵鋰，富鋰錳基材料和三元材料等。另一方面，專利是反映創(chuàng)新能力和創(chuàng)新速度的重要指標(biāo)，因此本文將對鋰離子動力電池正極材料相關(guān)專利在中國申請情況進(jìn)行分析，以揭示該技術(shù)在中國的發(fā)展趨勢[1]。

本次研究是在中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局專利檢索平臺和SooPAT 專利檢索網(wǎng)站中，根據(jù)鋰離子動力電池正極材為研究對象對相關(guān)專利進(jìn)行檢索，檢索時間為2019 年5 月25 日，經(jīng)過整體統(tǒng)計，在該時間段內(nèi)在華申請相關(guān)專利數(shù)總量為8514 件，申請人數(shù)為2166 人，平均每人專利數(shù)為3.93 件；發(fā)明人數(shù)為10849 人，平均專利數(shù)0.74 件；大組數(shù)為258 件，平均專利數(shù)25.02件；整體上對鋰離子動力電池正極材料的專利數(shù)呈上升趨勢。由于2019 年全年數(shù)據(jù)還不完整，因此本文將以2000 年至2018 年符合要求的專利文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)作為樣本進(jìn)行重點分析。

1 年申請量變化趨勢分析

鋰離子動力電池正極材料相關(guān)專利在華申請數(shù)量隨時間變化趨勢如圖1 所示，2000 年到2006 年，每年的相關(guān)專利申請數(shù)從10 件開始緩慢增長，持續(xù)到2006 年的97 件，到2007 年，相關(guān)專利申請數(shù)開始有較大幅度地增加，數(shù)量突破100 件，相比2006 年增幅達(dá)57.73%。2011 年的增幅達(dá)到最大，相比2010 年增加了91.87%。但是從2011 到2012 年，以及2013 到2015 年，專利申請數(shù)量不增反降，原因可能是由于專利申請延遲公開，導(dǎo)致數(shù)量下降。此后幾年相關(guān)專利申請數(shù)量持續(xù)增長，并于2016 年申請量突破1000 件。從申請數(shù)量的發(fā)展趨勢可以看出，在2007 以前，關(guān)于鋰電池正極材料相關(guān)研究并不多，且相關(guān)技術(shù)還很不成熟；2007 年之后，我國越來越重視鋰離子動力電池技術(shù)，并逐漸加大對其正極材料相關(guān)理論的研究，因此相關(guān)的專利數(shù)量有較大幅度的增加；最近5 年的專利申請數(shù)量占整體申請量的50.29%，這反映出在最近幾年鋰電池的發(fā)展更為迅速，相關(guān)應(yīng)用也越來越多。

圖1 鋰離子動力電池正極材料相關(guān)專利在華年申請數(shù)量隨時間變化趨勢

2 申請國家分布情況分析

在所有申請的專利中，包括來自各個國家的申請，申請國家分布如圖2 所示。從圖2（a）可以看出，中國國內(nèi)申請人提交的相關(guān)專利申請數(shù)量要多于國外申請人提交的申請，共提交申請了5687 件專利，占所有專利申請數(shù)量的67.8%，而國外申請人提交申請了2827 件專利，占所有專利申請數(shù)量的33.2%。在2000 年至2003 年期間，日本在中國的相關(guān)專利申請量超過其他國家，而在此之后，國內(nèi)申請人提交的年專利申請量迅速增加，趕超了日本，這表明日本在早期鋰離子動力電池領(lǐng)域是處于絕對領(lǐng)先地位的，而后受到包括中國在內(nèi)的全球國家的激烈競爭，其統(tǒng)治地位不復(fù)存在。但是在國外申請人提交的申請數(shù)量中，日本還是占比最大的，如圖2（b）所示。國外申請的國家主要有日本、韓國、美國、德國等國家，日本的申請數(shù)量為1781 件，占國外申請數(shù)量的63%。這說明在鋰離子動力電池正極材料的發(fā)展中，日本還是擁有較強(qiáng)的實力。而我過經(jīng)過近些年的高速發(fā)展，在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，并且目前依然保持良好的發(fā)展態(tài)勢。

圖2 鋰離子動力電池正極材料相關(guān)專利申請國家分布情況

3 申請人情況分析

圖3 為排名前十的申請人情況，其中排名前四的都是中國國內(nèi)申請人，其中中南大學(xué)最多，申請量為167 件，占全部申請量的1.75%；第五位是日本的三洋電機(jī)株式會社，申請專利數(shù)為82件，占全部申請量的0.86%，這也是排名前十位的申請人中唯一的國外申請人。除了排名前兩位的申請人，其他的申請人所申請的專利量占比均不足1%。從圖3 中的統(tǒng)計看出，我國國內(nèi)申請人中，有3 個是高校，其余6 個是企業(yè)，雖然高校的排名都比較靠前，但是企業(yè)在相關(guān)專利的申請數(shù)量已經(jīng)超過高校；而在2011 年之前，國內(nèi)申請人中57%高校，9%為科研單位，企業(yè)申請僅占29%。這說明經(jīng)過近些年的發(fā)展，我國在鋰離子動力電池正極材料領(lǐng)域取得了突破，已經(jīng)從理論研究階段（研究主體為高校和科研單位）向應(yīng)用階段（研究主體為企業(yè)）發(fā)展。

圖3 鋰離子動力電池正極材料相關(guān)專利申請人情況

4 正極材料類別發(fā)展方向分析

我們對鋰離子動力電池正極材料類別進(jìn)行統(tǒng)計分析，如圖4 所示。圖4 中看出磷酸鐵鋰的相關(guān)專利數(shù)量最多，達(dá)到2637 件，占總量的30.97%，這跟我國國內(nèi)前期對磷酸鐵鋰的研究熱潮相關(guān)，其中比亞迪股份有限公司的磷酸鐵鋰材料相關(guān)專利數(shù)量最多，也跟該企業(yè)的發(fā)展方向有關(guān)[3]。近些年國內(nèi)企業(yè)對三元材料（例如鎳鈷錳三元材料，鎳鈷鋁三元材料等）的研究越來越多，因此三元材料的相關(guān)專利數(shù)量在近幾年增長迅速，目前總數(shù)量僅次于磷酸鐵鋰材料。

我們對鋰離子動力電池正極材料在中國的申請專利所在行業(yè)按比重進(jìn)行分析，排名第一的是H 電學(xué)，專利數(shù)量占所有專利數(shù)的77.73%；第二是C 化學(xué)、冶金，占比為14.90%，其它行業(yè)的專利數(shù)量均不足1%。由此我們可以看出，對鋰離子動力電池的正極材料的研究主要集中在電學(xué)和化學(xué)方向。

圖4 鋰離子動力電池正極材料類別分布圖

5 結(jié)論及建議

正極材料是引發(fā)鋰離子電池安全隱患的主要原因，尋找熱穩(wěn)定性較好、能量密度高的正極材料是鋰離子電池的關(guān)鍵。正極材料主要有鎳酸鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元正極材料。而我國鋰離子動力電池正極材料相關(guān)專利主要集中于磷酸鐵鋰和三元正極材料，近幾年國內(nèi)外對于三元材料的研發(fā)投入均處于快速增長階段。究其原因，是由于電動車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對動力電池的容量性能提出了更高的要求，雖然磷酸鐵鋰電池在循環(huán)穩(wěn)定性及成本上有較大的優(yōu)勢，但其容量和能量密度卻限制其進(jìn)一步發(fā)展，相比磷酸鐵鋰，三元材料在此方面更勝一籌。但總體來看，國內(nèi)申請人針對三元材料的投入相對欠缺，行業(yè)集中度較低，缺乏核心領(lǐng)導(dǎo)力，相較于國外申請還具有相當(dāng)?shù)牟罹?，為此，本文作者從專利角度給出以下幾點參考性建議：

1）注重三元材料安全性問題，提升核心競爭力。目前，三元材料主要存在的問題有以下幾方面：①循環(huán)性能不高；②產(chǎn)氣現(xiàn)象較嚴(yán)重，安全性不高：③由于鈷資源稀缺，價格居高不下，三元材料相對于鎳酸鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰成本較高。目前，解決上述問題的主要手段有原子摻雜、表面包覆、與其它種類活性材料混合、改進(jìn)制備方法等手段。圖5 為摻雜、包覆、混合等技術(shù)手段在三元材料改性上的專利申請分布圖。

圖5 三元材料改性相關(guān)專利申請統(tǒng)計

從圖5 可以看出，由于與其它種類活性材料混合這一技術(shù)手段可以改善三元鋰電池的循環(huán)性能、倍率性能和首次充放電性能，因此其專利申請量占絕對優(yōu)勢，這說明在目前三元材料的研發(fā)中，其主要著眼點為提高其電化學(xué)性能。而針對三元材料的安全性的材料改性專利申請量較低，可見在提高安全性方面還沒有得到有效的技術(shù)突破。目前針對三元材料的安全性進(jìn)行材料改性的專利申請并不多，特別是國外重點申請人圍繞三元材料的安全性專利布局還沒有形成完善體系，發(fā)展空間很大，國內(nèi)申請人可以將三元材料安全性作為重點研究方向。

2）我國與日、韓等鋰電強(qiáng)國相比，雖然在專利申請數(shù)量上已呈現(xiàn)出趕超之勢，但在核心技術(shù)的競爭中仍處于劣勢，鋰電池基礎(chǔ)材料的核心專利大多被國外巨頭掌握。最早的三元材料制備專利是日本電池株式會社于1997 年申請的采用共沉淀法制備的NCA 三元材料和NCM 三元材料。美國IIion Technology 公司在2001 年申請采用固相法制備NCM 三元材料的專利，3M 創(chuàng)新公司的美國專利US6964828B2 中公開的NCM 制備方法可控制NCM 三元材料中中Ni 的含量，從而顯著提高了三元材料的性能，成為三元材料的基礎(chǔ)核心專利，至今制約著中國鋰電行業(yè)內(nèi)三元材料的發(fā)展[4]。因此目前三元材料的制備方法主要有共沉淀法和固相法，目前也是大規(guī)模生產(chǎn)優(yōu)選的方法。由于基礎(chǔ)核心專利屬于外國公司，因此國內(nèi)申請人的專利布局應(yīng)可以將三元材料新的合成方法和基于現(xiàn)有方法的改進(jìn)作為主要方向。目前全球三元材料制備方法的專利仍主要集中在共沉淀法、固相法和溶液相法，并且這幾種方法制備的三元材料類型仍主要是NCM 三元材料，而噴霧熱解法、模板法、溶液相法、溶劑熱法和靜電紡絲法等新型合成方法的專利申請量不多，新的合成方法以及合成NCA 的方法專利發(fā)展空間很大，因此國內(nèi)申請人可以多關(guān)注新興方法的專利申請。在現(xiàn)有的合成技術(shù)改進(jìn)方面，三星SDI于2002 年申請的專利公開了一種采用現(xiàn)有合成方法制備磷酸鋁包覆的NCM 三元材料的方法，大大提高了其容量、循環(huán)壽命和熱穩(wěn)定性，打開了三元材料合成方法的新思路。國內(nèi)企業(yè)可以基于現(xiàn)有的三元材料合成技術(shù)，通過優(yōu)化其合成工藝參數(shù)以及增加改性工藝，制備性能更好的三元材料并申請相關(guān)專利。

3）注重知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，提升專利申請質(zhì)量分析。國內(nèi)申請人應(yīng)當(dāng)積極組建自己的專利團(tuán)隊，提升專利撰寫水平，并積極進(jìn)行專利布局，尤其是海外專利布局，為今后在國際市場上的發(fā)展打好基礎(chǔ)。國內(nèi)企業(yè)一方面應(yīng)該繼續(xù)加強(qiáng)研發(fā)投入，增強(qiáng)自身核心競爭力，同時也可另辟蹊徑，在一些國外同行較少關(guān)注的細(xì)分領(lǐng)域進(jìn)行布局，例如通過三元鋰電池回收得到稀缺資源鈷從而降低三元材料的成本，而涉及三元材料成本降低的專利申請非常少，相關(guān)技術(shù)非常欠缺，因此，這對國內(nèi)企業(yè)來說，可以在鋰電池回收處理方面進(jìn)行布局。

綜上所述，鋰離子動力電池正極材料相關(guān)專利在華申請數(shù)量正穩(wěn)步增加，并且國內(nèi)企業(yè)申請人占大部分，這表明我國越來越重視鋰電池的發(fā)展，同時在鋰電池正極材料方面也取得了很大進(jìn)步，正在從基礎(chǔ)研究向應(yīng)用研究發(fā)展；另一方面國外申請人在華申請的相關(guān)專利數(shù)量也逐年遞增，這說明我國的巨大市場正吸引著來自全球各國的企業(yè)，鋰離子動力電池正極材料在華的研究也越來越深入，未來將研發(fā)更多新型材料，并在我國實現(xiàn)應(yīng)用。