锂离子动力电池正极材料在中国专利申请情况分析
陈文福
(惠州市超越知识产权代理事务所（普通合伙），广东 惠州 516000)
摘 要： 基于锂离子动力电池正极材料相关在中国专利申请数据，从年申请量的变化、申请国家分布情况、申请人情况以及正极材料类别四个方面对相关专利进行数据统计和分析。得出锂离子动力电池正极材料相关专利在中国申请数量正稳步增加；国内申请人的专利申请数量已经远超国外申请人的申请数量；国内企业的申请数量正迅速增加，已经超过高校和科研单位的申请量；目前研究的锂电池正极材料的类别中，三元材料的研究势头良好，近几年专利数量迅速增加。
关键词： 锂离子电池；正极材料；专利分析
随着社会和科技的高速发展，我国对能源的需求量日益增加，石油等不可再生化石能源的供给量和需求量之间的供需矛盾日益凸显，同时化石能源对环境的伤害也越来越大，急需新能源和“低碳经济”等来填补空缺。锂离子动力电池作为重要的清洁动力源，在近些年已经逐渐应用到了包括电动汽车在内的各个领域，展现出了巨大的发展潜力[2]。锂离子动力电池的正极材料是其中的关键材料，其发展直接影响锂离子电池的能效及应用，目前主要的正极材料包括钴酸锂，锰酸锂，镍钴锰酸锂，磷酸铁锂，富锂锰基材料和三元材料等。另一方面，专利是反映创新能力和创新速度的重要指标，因此本文将对锂离子动力电池正极材料相关专利在中国申请情况进行分析，以揭示该技术在中国的发展趋势[1]。
本次研究是在中华人民共和国国家知识产权局专利检索平台和SooPAT 专利检索网站中，根据锂离子动力电池正极材为研究对象对相关专利进行检索，检索时间为2019 年5 月25 日，经过整体统计，在该时间段内在华申请相关专利数总量为8514 件，申请人数为2166 人，平均每人专利数为3.93 件；发明人数为10849 人，平均专利数0.74 件；大组数为258 件，平均专利数25.02件；整体上对锂离子动力电池正极材料的专利数呈上升趋势。由于2019 年全年数据还不完整，因此本文将以2000 年至2018 年符合要求的专利文献和数据作为样本进行重点分析。
1 年申请量变化趋势分析
锂离子动力电池正极材料相关专利在华申请数量随时间变化趋势如图1 所示，2000 年到2006 年，每年的相关专利申请数从10 件开始缓慢增长，持续到2006 年的97 件，到2007 年，相关专利申请数开始有较大幅度地增加，数量突破100 件，相比2006 年增幅达57.73%。2011 年的增幅达到最大，相比2010 年增加了91.87%。但是从2011 到2012 年，以及2013 到2015 年，专利申请数量不增反降，原因可能是由于专利申请延迟公开，导致数量下降。此后几年相关专利申请数量持续增长，并于2016 年申请量突破1000 件。从申请数量的发展趋势可以看出，在2007 以前，关于锂电池正极材料相关研究并不多，且相关技术还很不成熟；2007 年之后，我国越来越重视锂离子动力电池技术，并逐渐加大对其正极材料相关理论的研究，因此相关的专利数量有较大幅度的增加；最近5 年的专利申请数量占整体申请量的50.29%，这反映出在最近几年锂电池的发展更为迅速，相关应用也越来越多。
图1 锂离子动力电池正极材料相关专利在华年申请数量随时间变化趋势
2 申请国家分布情况分析
在所有申请的专利中，包括来自各个国家的申请，申请国家分布如图2 所示。从图2（a）可以看出，中国国内申请人提交的相关专利申请数量要多于国外申请人提交的申请，共提交申请了5687 件专利，占所有专利申请数量的67.8%，而国外申请人提交申请了2827 件专利，占所有专利申请数量的33.2%。在2000 年至2003 年期间，日本在中国的相关专利申请量超过其他国家，而在此之后，国内申请人提交的年专利申请量迅速增加，赶超了日本，这表明日本在早期锂离子动力电池领域是处于绝对领先地位的，而后受到包括中国在内的全球国家的激烈竞争，其统治地位不复存在。但是在国外申请人提交的申请数量中，日本还是占比最大的，如图2（b）所示。国外申请的国家主要有日本、韩国、美国、德国等国家，日本的申请数量为1781 件，占国外申请数量的63%。这说明在锂离子动力电池正极材料的发展中，日本还是拥有较强的实力。而我过经过近些年的高速发展，在相关技术领域已经取得了很大进步，并且目前依然保持良好的发展态势。
图2 锂离子动力电池正极材料相关专利申请国家分布情况
3 申请人情况分析
图3 为排名前十的申请人情况，其中排名前四的都是中国国内申请人，其中中南大学最多，申请量为167 件，占全部申请量的1.75%；第五位是日本的三洋电机株式会社，申请专利数为82件，占全部申请量的0.86%，这也是排名前十位的申请人中唯一的国外申请人。除了排名前两位的申请人，其他的申请人所申请的专利量占比均不足1%。从图3 中的统计看出，我国国内申请人中，有3 个是高校，其余6 个是企业，虽然高校的排名都比较靠前，但是企业在相关专利的申请数量已经超过高校；而在2011 年之前，国内申请人中57%高校，9%为科研单位，企业申请仅占29%。这说明经过近些年的发展，我国在锂离子动力电池正极材料领域取得了突破，已经从理论研究阶段（研究主体为高校和科研单位）向应用阶段（研究主体为企业）发展。
图3 锂离子动力电池正极材料相关专利申请人情况
4 正极材料类别发展方向分析
正极材料是引发锂离子电池安全隐患的主要原因，寻找热稳定性较好、能量密度高的正极材料是锂离子电池的关键。正极材料主要有镍酸锂、钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元正极材料。而我国锂离子动力电池正极材料相关专利主要集中于磷酸铁锂和三元正极材料，近几年国内外对于三元材料的研发投入均处于快速增长阶段。究其原因，是由于电动车产业的迅速发展，对动力电池的容量性能提出了更高的要求，虽然磷酸铁锂电池在循环稳定性及成本上有较大的优势，但其容量和能量密度却限制其进一步发展，相比磷酸铁锂，三元材料在此方面更胜一筹。但总体来看，国内申请人针对三元材料的投入相对欠缺，行业集中度较低，缺乏核心领导力，相较于国外申请还具有相当的差距，为此，本文作者从专利角度给出以下几点参考性建议：
1）注重三元材料安全性问题，提升核心竞争力。目前，三元材料主要存在的问题有以下几方面：①循环性能不高；②产气现象较严重，安全性不高：③由于钴资源稀缺，价格居高不下，三元材料相对于镍酸锂、钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂成本较高。目前，解决上述问题的主要手段有原子掺杂、表面包覆、与其它种类活性材料混合、改进制备方法等手段。图5 为掺杂、包覆、混合等技术手段在三元材料改性上的专利申请分布图。
图4 锂离子动力电池正极材料类别分布图
5 结论及建议
我们对锂离子动力电池正极材料类别进行统计分析，如图4 所示。图4 中看出磷酸铁锂的相关专利数量最多，达到2637 件，占总量的30.97%，这跟我国国内前期对磷酸铁锂的研究热潮相关，其中比亚迪股份有限公司的磷酸铁锂材料相关专利数量最多，也跟该企业的发展方向有关 [3]。近些年国内企业对三元材料（例如镍钴锰三元材料，镍钴铝三元材料等）的研究越来越多，因此三元材料的相关专利数量在近几年增长迅速，目前总数量仅次于磷酸铁锂材料。
1.2 材料及设备 3shape Trios口内扫描仪(3shape，丹麦)，3shape 模型扫描仪 (3shape， 丹麦)，IPS E-max Press铸瓷系统(Ivoclar，列支敦士登)，加聚型硅橡胶印模材(DMG，德国)，超硬石膏(贺利氏，美国)。
首先将本文方法所需数据量与文献[5]中基于矩阵分析的方法、文献[10]中基于GFFT的方法和文献[11]中基于Gröbner基改进的GFFT方法进行对比，m取值为3～8，仍然选取与图4中相同的6种RS码进行研究，且每种RS码对应误比特率分别为0.02、0.01、0.005、0.002、0.001和0.0004.本文方法在各种条件下所需数据量可由式(32)获得；对于文献[5]中方法，其分析矩阵必须满足行数大于列数，因此所需数据量至少为m2n2；基于GFFT的方法至少需要50组完整码字，相应的数据量为50mn.最终，得到对比结果如表4所示.可以看出，相同条件下本文方法所需数据量更小.
我们对锂离子动力电池正极材料在中国的申请专利所在行业按比重进行分析，排名第一的是H 电学，专利数量占所有专利数的77.73%；第二是C 化学、冶金，占比为14.90%，其它行业的专利数量均不足1%。由此我们可以看出，对锂离子动力电池的正极材料的研究主要集中在电学和化学方向。
图5 三元材料改性相关专利申请统计
从图5 可以看出，由于与其它种类活性材料混合这一技术手段可以改善三元锂电池的循环性能、倍率性能和首次充放电性能，因此其专利申请量占绝对优势，这说明在目前三元材料的研发中，其主要着眼点为提高其电化学性能。而针对三元材料的安全性的材料改性专利申请量较低，可见在提高安全性方面还没有得到有效的技术突破。目前针对三元材料的安全性进行材料改性的专利申请并不多，特别是国外重点申请人围绕三元材料的安全性专利布局还没有形成完善体系，发展空间很大，国内申请人可以将三元材料安全性作为重点研究方向。
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2）我国与日、韩等锂电强国相比，虽然在专利申请数量上已呈现出赶超之势，但在核心技术的竞争中仍处于劣势，锂电池基础材料的核心专利大多被国外巨头掌握。最早的三元材料制备专利是日本电池株式会社于1997 年申请的采用共沉淀法制备的NCA 三元材料和NCM 三元材料。美国IIion Technology 公司在2001 年申请采用固相法制备NCM 三元材料的专利，3M 创新公司的美国专利US6964828B2 中公开的NCM 制备方法可控制NCM 三元材料中中Ni 的含量，从而显著提高了三元材料的性能，成为三元材料的基础核心专利，至今制约着中国锂电行业内三元材料的发展 [4]。因此目前三元材料的制备方法主要有共沉淀法和固相法，目前也是大规模生产优选的方法。由于基础核心专利属于外国公司，因此国内申请人的专利布局应可以将三元材料新的合成方法和基于现有方法的改进作为主要方向。目前全球三元材料制备方法的专利仍主要集中在共沉淀法、固相法和溶液相法，并且这几种方法制备的三元材料类型仍主要是NCM 三元材料，而喷雾热解法、模板法、溶液相法、溶剂热法和静电纺丝法等新型合成方法的专利申请量不多，新的合成方法以及合成NCA 的方法专利发展空间很大，因此国内申请人可以多关注新兴方法的专利申请。在现有的合成技术改进方面，三星SDI于2002 年申请的专利公开了一种采用现有合成方法制备磷酸铝包覆的NCM 三元材料的方法，大大提高了其容量、循环寿命和热稳定性，打开了三元材料合成方法的新思路。国内企业可以基于现有的三元材料合成技术，通过优化其合成工艺参数以及增加改性工艺，制备性能更好的三元材料并申请相关专利。
当前我国还不具备功能完善的行业协会。在摩擦不断出现的情况下，我国应当对行业协会的职能进行完善，实施有效的应对策略，进一步了解行业的信息。规范行业内企业的出口标准，凭借着建立贸易壁垒预警系统，掌握国际行业的动态，适当地发布预警信息，通过专家进一步的研究对会员和行业的利益进行维护。
3）注重知识产权保护，提升专利申请质量分析。国内申请人应当积极组建自己的专利团队，提升专利撰写水平，并积极进行专利布局，尤其是海外专利布局，为今后在国际市场上的发展打好基础。国内企业一方面应该继续加强研发投入，增强自身核心竞争力，同时也可另辟蹊径，在一些国外同行较少关注的细分领域进行布局，例如通过三元锂电池回收得到稀缺资源钴从而降低三元材料的成本，而涉及三元材料成本降低的专利申请非常少，相关技术非常欠缺，因此，这对国内企业来说，可以在锂电池回收处理方面进行布局。
综上所述，锂离子动力电池正极材料相关专利在华申请数量正稳步增加，并且国内企业申请人占大部分，这表明我国越来越重视锂电池的发展，同时在锂电池正极材料方面也取得了很大进步，正在从基础研究向应用研究发展；另一方面国外申请人在华申请的相关专利数量也逐年递增，这说明我国的巨大市场正吸引着来自全球各国的企业，锂离子动力电池正极材料在华的研究也越来越深入，未来将研发更多新型材料，并在我国实现应用。
参考文献：
[1]陈晴.我国纯电动汽车动力电池专利技术分析[D].重庆：重庆理工大学，2018.
[2]李英,胡剑.基于专利分析的我国电动汽车电池技术发展趋势研究[J].科技管理研究,2015(19).
[3]姜静,王云飞,初志勇.锂离子电池正极材料磷酸铁锂改性技术专利分析[J].中国科技信息,2016(16).
[4]汤雁,刘攀,徐友龙.锂离子电池正极材料的研究现状与发展趋势[J].电子元件与材料,2014(08).
Analysis on Patent Application of cathode m aterial for Lithium Ion Pow er Battery in China
Chen Wenfu
(Huizhoushi Choyes Intellectual Property Rights Office(General Partnership),Huizhou,Guangdong 516000)
Abstract: Based on the patent application data of lithium ion kilometer battery cathode materials in China,data statistics and analysis were carried out on related patents from four aspects:the change in the number of annual application,the distribution of application countries,the applicant's situation and the positive electrode material category.It is concluded that the number of patents related to lithium-ion battery positive electrode materials is increasing steadily；the number of patent applications filed by domestic applicants has far exceeded the number of foreign applicants；the number of patent applications filed by domestic enterprises is rapidly increasing,which has exceededthat filed by universities and research institutes；among the categories of lithium battery cathode materials currently under study,the research status of ternary materials is good,and the number of patents has increased rapidly in recent years.
Key words: Lithium-ion battery；cathode material；patent analysis
中图分类号： TM912.9
文献标志码： A
文章编号： 1004-275X（2019）06-126-04
doi： 10.3969/j.issn.1004-275X.2019.06.050
收稿日期： 2019-05-01
作者简介： 陈文福（1984-），广东潮州人，本科，专利代理人，研究方向：专利检索分析、专利导航、知识产权分析评议、知识产权代理等。