陳文福

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

隨著社會(huì)和科技的高速發(fā)展，我國(guó)對(duì)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(shí)化石能源對(duì)環(huán)境的傷害也越來(lái)越大，急需新能源和“低碳經(jīng)濟(jì)”等來(lái)填補(bǔ)空缺。鋰離子動(dòng)力電池作為重要的清潔動(dòng)力源，在近些年已經(jīng)逐漸應(yīng)用到了包括電動(dòng)汽車在內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域，展現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿2]。鋰離子動(dòng)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(duì)鋰離子動(dòng)力電池正極材料相關(guān)專利在中國(guó)申請(qǐng)情況進(jìn)行分析，以揭示該技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展趨勢(shì)[1]。

本次研究是在中華人民共和國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利檢索平臺(tái)和SooPAT 專利檢索網(wǎng)站中，根據(jù)鋰離子動(dòng)力電池正極材為研究對(duì)象對(duì)相關(guān)專利進(jìn)行檢索，檢索時(shí)間為2019 年5 月25 日，經(jīng)過(guò)整體統(tǒng)計(jì)，在該時(shí)間段內(nèi)在華申請(qǐng)相關(guān)專利數(shù)總量為8514 件，申請(qǐng)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(duì)鋰離子動(dòng)力電池正極材料的專利數(shù)呈上升趨勢(shì)。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(diǎn)分析。

1 年申請(qǐng)量變化趨勢(shì)分析

鋰離子動(dòng)力電池正極材料相關(guān)專利在華申請(qǐng)數(shù)量隨時(shí)間變化趨勢(shì)如圖1 所示，2000 年到2006 年，每年的相關(guān)專利申請(qǐng)數(shù)從10 件開(kāi)始緩慢增長(zhǎng)，持續(xù)到2006 年的97 件，到2007 年，相關(guān)專利申請(qǐng)數(shù)開(kāi)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(qǐng)數(shù)量不增反降，原因可能是由于專利申請(qǐng)延遲公開(kāi)，導(dǎo)致數(shù)量下降。此后幾年相關(guān)專利申請(qǐng)數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)，并于2016 年申請(qǐng)量突破1000 件。從申請(qǐng)數(shù)量的發(fā)展趨勢(shì)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(guó)越來(lái)越重視鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)，并逐漸加大對(duì)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(qǐng)數(shù)量占整體申請(qǐng)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(lái)越多。

圖1 鋰離子動(dòng)力電池正極材料相關(guān)專利在華年申請(qǐng)數(shù)量隨時(shí)間變化趨勢(shì)

2 申請(qǐng)國(guó)家分布情況分析

在所有申請(qǐng)的專利中，包括來(lái)自各個(gè)國(guó)家的申請(qǐng)，申請(qǐng)國(guó)家分布如圖2 所示。從圖2（a）可以看出，中國(guó)國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人提交的相關(guān)專利申請(qǐng)數(shù)量要多于國(guó)外申請(qǐng)人提交的申請(qǐng)，共提交申請(qǐng)了5687 件專利，占所有專利申請(qǐng)數(shù)量的67.8%，而國(guó)外申請(qǐng)人提交申請(qǐng)了2827 件專利，占所有專利申請(qǐng)數(shù)量的33.2%。在2000 年至2003 年期間，日本在中國(guó)的相關(guān)專利申請(qǐng)量超過(guò)其他國(guó)家，而在此之后，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人提交的年專利申請(qǐng)量迅速增加，趕超了日本，這表明日本在早期鋰離子動(dòng)力電池領(lǐng)域是處于絕對(duì)領(lǐng)先地位的，而后受到包括中國(guó)在內(nèi)的全球國(guó)家的激烈競(jìng)爭(zhēng)，其統(tǒng)治地位不復(fù)存在。但是在國(guó)外申請(qǐng)人提交的申請(qǐng)數(shù)量中，日本還是占比最大的，如圖2（b）所示。國(guó)外申請(qǐng)的國(guó)家主要有日本、韓國(guó)、美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家，日本的申請(qǐng)數(shù)量為1781 件，占國(guó)外申請(qǐng)數(shù)量的63%。這說(shuō)明在鋰離子動(dòng)力電池正極材料的發(fā)展中，日本還是擁有較強(qiáng)的實(shí)力。而我過(guò)經(jīng)過(guò)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(shì)。

圖2 鋰離子動(dòng)力電池正極材料相關(guān)專利申請(qǐng)國(guó)家分布情況

3 申請(qǐng)人情況分析

圖3 為排名前十的申請(qǐng)人情況，其中排名前四的都是中國(guó)國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人，其中中南大學(xué)最多，申請(qǐng)量為167 件，占全部申請(qǐng)量的1.75%；第五位是日本的三洋電機(jī)株式會(huì)社，申請(qǐng)專利數(shù)為82件，占全部申請(qǐng)量的0.86%，這也是排名前十位的申請(qǐng)人中唯一的國(guó)外申請(qǐng)人。除了排名前兩位的申請(qǐng)人，其他的申請(qǐng)人所申請(qǐng)的專利量占比均不足1%。從圖3 中的統(tǒng)計(jì)看出，我國(guó)國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人中，有3 個(gè)是高校，其余6 個(gè)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(qǐng)數(shù)量已經(jīng)超過(guò)高校；而在2011 年之前，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人中57%高校，9%為科研單位，企業(yè)申請(qǐng)僅占29%。這說(shuō)明經(jīng)過(guò)近些年的發(fā)展，我國(guó)在鋰離子動(dòng)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(dòng)力電池正極材料相關(guān)專利申請(qǐng)人情況

4 正極材料類別發(fā)展方向分析

我們對(duì)鋰離子動(dòng)力電池正極材料類別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(guó)國(guó)內(nèi)前期對(duì)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(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)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(lái)越多，因此三元材料的相關(guān)專利數(shù)量在近幾年增長(zhǎng)迅速，目前總數(shù)量?jī)H次于磷酸鐵鋰材料。

我們對(duì)鋰離子動(dòng)力電池正極材料在中國(guó)的申請(qǐng)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(duì)鋰離子動(dòng)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(dòng)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(guó)鋰離子動(dòng)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(guó)內(nèi)外對(duì)于三元材料的研發(fā)投入均處于快速增長(zhǎng)階段。究其原因，是由于電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)動(dòng)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(shì)，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(lái)看，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人針對(duì)三元材料的投入相對(duì)欠缺，行業(yè)集中度較低，缺乏核心領(lǐng)導(dǎo)力，相較于國(guó)外申請(qǐng)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(diǎn)參考性建議：

1）注重三元材料安全性問(wèn)題，提升核心競(jìng)爭(zhēng)力。目前，三元材料主要存在的問(wèn)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(jià)格居高不下，三元材料相對(duì)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(wèn)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(qǐng)分布圖。

圖5 三元材料改性相關(guān)專利申請(qǐng)統(tǒng)計(jì)

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(qǐng)量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，這說(shuō)明在目前三元材料的研發(fā)中，其主要著眼點(diǎn)為提高其電化學(xué)性能。而針對(duì)三元材料的安全性的材料改性專利申請(qǐng)量較低，可見(jiàn)在提高安全性方面還沒(méi)有得到有效的技術(shù)突破。目前針對(duì)三元材料的安全性進(jìn)行材料改性的專利申請(qǐng)并不多，特別是國(guó)外重點(diǎn)申請(qǐng)人圍繞三元材料的安全性專利布局還沒(méi)有形成完善體系，發(fā)展空間很大，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人可以將三元材料安全性作為重點(diǎn)研究方向。

2）我國(guó)與日、韓等鋰電強(qiáng)國(guó)相比，雖然在專利申請(qǐng)數(shù)量上已呈現(xiàn)出趕超之勢(shì)，但在核心技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)中仍處于劣勢(shì)，鋰電池基礎(chǔ)材料的核心專利大多被國(guó)外巨頭掌握。最早的三元材料制備專利是日本電池株式會(huì)社于1997 年申請(qǐng)的采用共沉淀法制備的NCA 三元材料和NCM 三元材料。美國(guó)IIion Technology 公司在2001 年申請(qǐng)采用固相法制備NCM 三元材料的專利，3M 創(chuàng)新公司的美國(guó)專利US6964828B2 中公開(kāi)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(guó)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(guó)公司，因此國(guó)內(nèi)申請(qǐng)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(qǐng)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(guó)內(nèi)申請(qǐng)人可以多關(guān)注新興方法的專利申請(qǐng)。在現(xiàn)有的合成技術(shù)改進(jìn)方面，三星SDI于2002 年申請(qǐng)的專利公開(kāi)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(kāi)了三元材料合成方法的新思路。國(guó)內(nèi)企業(yè)可以基于現(xiàn)有的三元材料合成技術(shù)，通過(guò)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(qǐng)相關(guān)專利。

3）注重知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，提升專利申請(qǐng)質(zhì)量分析。國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人應(yīng)當(dāng)積極組建自己的專利團(tuán)隊(duì)，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(guó)際市場(chǎng)上的發(fā)展打好基礎(chǔ)。國(guó)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(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)也可另辟蹊徑，在一些國(guó)外同行較少關(guān)注的細(xì)分領(lǐng)域進(jìn)行布局，例如通過(guò)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(qǐng)非常少，相關(guān)技術(shù)非常欠缺，因此，這對(duì)國(guó)內(nèi)企業(yè)來(lái)說(shuō)，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(dòng)力電池正極材料相關(guān)專利在華申請(qǐng)數(shù)量正穩(wěn)步增加，并且國(guó)內(nèi)企業(yè)申請(qǐng)人占大部分，這表明我國(guó)越來(lái)越重視鋰電池的發(fā)展，同時(shí)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(guó)外申請(qǐng)人在華申請(qǐng)的相關(guān)專利數(shù)量也逐年遞增，這說(shuō)明我國(guó)的巨大市場(chǎng)正吸引著來(lái)自全球各國(guó)的企業(yè)，鋰離子動(dòng)力電池正極材料在華的研究也越來(lái)越深入，未來(lái)將研發(fā)更多新型材料，并在我國(guó)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。