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極之間移動來工作。高比特性高壓鋰離子電池具有循環(huán)性能好、低自放電、無記憶效應(yīng)、比能量高和綠色環(huán)保等性能優(yōu)勢，成為當前國內(nèi)外儲能電池研究的重點。針對高比特性高壓鋰離子電池組的專利申請趨勢和技術(shù)生命周期進行了分析，梳理出高比特性高壓鋰離子電池組專利申請的地域分布和全球主要專利申請人，通過對主要專利申請人的專利布局進行分析，指導(dǎo)相關(guān)研究單位有效進行專利布局和避免產(chǎn)生專利糾紛，降低研發(fā)過程中的專利侵權(quán)風險；同時通過技術(shù)功效分析尋求重點研發(fā)方向的技術(shù)創(chuàng)新。
關(guān)鍵詞：鋰電池；專利分析；申請人；專利布局
高比特性和高壓是鋰電池兩個重要的性能參數(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)、國防工業(yè)、可再生能源并網(wǎng)以及電動汽車充換電等儲能領(lǐng)域的各個方面[2]。隨著電源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，鋰離子電池儲能技術(shù)的市場需求將保持高速增長態(tài)勢，而研究高比特性高壓儲能電池也成為各國競相競爭的技術(shù)熱點。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趨勢、區(qū)域分布、申請人、技術(shù)功效等多個角度進行專利分析，有利于指導(dǎo)相關(guān)企業(yè)從高價值專利中尋找技術(shù)研發(fā)思路，同時降低技術(shù)研發(fā)過程中的知識產(chǎn)權(quán)風險。
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)，通過構(gòu)建技術(shù)譜系可以實現(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)和故障容錯管理技術(shù)兩個二級技術(shù)，三級技術(shù)是對二級技術(shù)的進一步分解。
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)庫作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，在全球范圍內(nèi)對技術(shù)譜系中的每個技術(shù)分支進行逐一檢索，從專利被引頻次、同族數(shù)量、重要技術(shù)首次申請、涉及法律訴訟的申請等角度考慮，并結(jié)合技術(shù)專家的觀點，經(jīng)分類、統(tǒng)計、采用人工閱讀的方式，共篩選出相關(guān)專利566件（由于專利公開的時滯等原因，近兩年的數(shù)據(jù)收錄不完全，僅供參考，下文同）。
2 專利申請趨勢分析
圖1為高比特性高壓鋰離子電池組專利年度申請趨勢，包括全球?qū)＠暾堏厔莺椭袊鴮＠暾堏厔?，通過專利申請趨勢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。高比特性高壓鋰離子電池組的專利申請趨勢大致經(jīng)歷了3個主要階段。
圖1 高比特性高壓鋰離子電池組專利申請趨勢
Fig.1 Patent application trend of high-specification and high-voltage lithium-ion battery pack
，專利數(shù)量增長趨于穩(wěn)定，僅2014年申請人數(shù)量較前一年小幅回調(diào)，不能說明總體申請人減少趨勢?？傮w來看仍處于技術(shù)成長期。
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 專利申請區(qū)域分析
專利申請人除了在本國進行專利保護外，為了在國外生產(chǎn)、銷售產(chǎn)品，專利申請人往往也在國外申請同族專利以求獲得知識產(chǎn)權(quán)保護。因此，一個國家在特定技術(shù)領(lǐng)域的專利數(shù)量整體上反映了該國在該特定領(lǐng)域的市場前景和競爭程度[6]。通過對高比特性高壓鋰離子電池組技術(shù)領(lǐng)域的專利申請區(qū)域進行分析，揭示出各個國家和區(qū)域的技術(shù)實力和市場前景。圖3對高比特性高壓鋰離子電池組主要的專利申請區(qū)域進行了分析，其中中國專利申請量位列第一，有312件專利申請，占專利申請總量的55.12%；日本專利申請量位列第二，表明日本申請人也具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢；排在第三位的是韓國，第四位為美國，這是由于韓國在鋰離子電池領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展較快，因此，韓國也成為主要的專利申請國家。
圖3 主要專利申請國/地區(qū)
Fig.3 Major patent application countries and regions
5 重要申請人分析
如圖4所示，對高比特性高壓鋰離子電池組專利申請量在10件及以上的申請人進行了統(tǒng)計分析，共有11位申請人，數(shù)據(jù)表明：全球范圍內(nèi)，申請量在10件及以上的申請人包括6家日本公司、3家中國公司、1家英國公司和1家韓國公司。雖然從專利申請量來看，中國的專利申請量大幅領(lǐng)先于日本，但是從主要申請人來看，中國則與日本仍存在較大差距，中國的專利申請人較為分散，導(dǎo)致各個申請人的專利申請量較少，而日本的專利申請人較為集中，形成技術(shù)優(yōu)勢企業(yè)主導(dǎo)技術(shù)研發(fā)的態(tài)勢。在主要專利申請人中，日本住友株式會社有28件專利申請，接近排名第二的上?？臻g電源研究所專利申請量的2倍，可見住友株式會社在鋰離子電池領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)處于領(lǐng)先地位。英國BAE系統(tǒng)公司是一家國防軍工企業(yè)，其專利申請時間較早，所研發(fā)的技術(shù)多與國防軍工技術(shù)相關(guān)[7]。韓國LG化學(xué)公司在鋰離子電池制造技術(shù)方面已經(jīng)達到世界先進水平，但其材料和核心技術(shù)的競爭力還不及日本。
圖4 主要申請人排名
Fig.4 Ranking of main applicants
在基礎(chǔ)研究與技術(shù)發(fā)展的支持下，中國的高比特性高壓鋰離子電池技術(shù)已經(jīng)取得了長足的進展，重要申請人的數(shù)量僅次于日本[8]。國內(nèi)的上?？臻g電源研究所和中國電子科技集團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)域具有先進的技術(shù)研發(fā)能力，寧德時代在動力和儲能電池領(lǐng)域，材料、電芯、電池系統(tǒng)等領(lǐng)域已經(jīng)達到國際先進水平。
圖5對主要申請人的主要目標國進行了分析，數(shù)據(jù)表明：申請人將其所在國作為目標國的比重最大，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，在中國有10件專利，其在本土僅有1件專利，經(jīng)過進一步分析可知，三菱化學(xué)在中國申請的這10件專利其實是2項同族專利。韓國LG化學(xué)公司在中國、美國和韓國均有專利布局，且在美國和韓國的專利申請量多于在中國的專利申請量，表明LG化學(xué)公司更加重視在美國和韓國的專利布局[9]。英國BAE公司的專利布局較為廣泛，在中國、日本、美國和韓國均有一定數(shù)量的專利申請。國內(nèi)申請人中上?？臻g電源研究所和中國電子科技集團公司第十八研究的專利布局僅限于國內(nèi)，尚未在海外進行專利布局，這是由于這兩家單位屬于國防軍工單位，產(chǎn)品主要應(yīng)用于國防領(lǐng)域，因此并不關(guān)注海外專利布局，而寧德時代公司除了在本土布局大量專利外，由于其產(chǎn)品還面向國際市場，因此在日本和美國也申請了相關(guān)專利。
圖5 主要申請人專利布局分析
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，分別占專利申請總量的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)，國內(nèi)外申請人已經(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，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，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，這直接關(guān)系到高比特性高壓鋰離子電池組的壽命。同時提高鋰離子電池組的可靠性和壽命關(guān)系較為緊密，往往是同一個技術(shù)手段同時達到的技術(shù)效果。
具體來看，采用各個技術(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解決的是鋰電池的功率和性能的問題，通過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。而均衡管理通過使電池組中每個單體電池都達到一致均衡的狀態(tài)，從而達到提高蓄電池組壽命和可靠性的目的，同時通過選擇恰當?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總量的58.54%，高于負極材料的專利申請量，如圖7所示，正極材料中三元材料專利申請所占比例最高，達到17.03%，三元材料基于其高能量密度等優(yōu)點，已經(jīng)成為正極材料研究的熱點，其次是鈷系材料，占10.46%。負極材料專利申請占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和專利申請的重點方向，硅基材料具有較高的能量密度和低的電化學(xué)電勢，近年來也有一定比例的專利申請。
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的技術(shù)分布，從圖中可以看出，添加劑領(lǐng)域的專利申請最多，占59.06%，其中與高功率相關(guān)的專利申請是添加劑專利申請的主體，占專利申請總量的31.16%；有機溶劑專利申請中碳酸酯專利申請的比例最高，其次為氟代溶劑；鋰鹽領(lǐng)域的專利申請量相對較少，占專利申請總量的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)專利申請經(jīng)過前期的積累，整體上仍處于不斷增長的階段，技術(shù)仍處在快速發(fā)展階段?？偨Y(jié)出高比特性高壓鋰離子電池組專利布局的重點主要體現(xiàn)以下兩個方面。
（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串聯(lián)高壓單體鋰電池獲得，而高壓單體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，國內(nèi)外申請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，目前該項技術(shù)已經(jīng)成熟。
（2）主動均衡技術(shù)是目前電池組均衡管理技術(shù)專利布局的重點，混合均衡技術(shù)未來極具潛力。在高比特性高壓鋰離子電池組管理技術(shù)的專利申請中，均衡管理技術(shù)（包括混合均衡管理技術(shù)、主動均衡管理技術(shù)和被動均衡管理技術(shù)）這一技術(shù)分支的專利申請量最大，占專利申請總量的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均衡的方式，在均衡管理技術(shù)的專利申請中，主動均衡管理技術(shù)的專利申請量最多，占57.58%。另外，混合均衡技術(shù)繼承了主動均衡的優(yōu)點，同時將主動均衡和被動均衡有效地結(jié)合起來，能夠有效延長電池組使用壽命，成為近年來均衡管理技術(shù)專利申請的熱點，未來發(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，高級工程師，主要研究方向為航天電源技術(shù)，E-mail：[email protected]。
