基于专利分析的动力型锂离子电池发展态势分析

王云飞　初志勇　管　泉　谭思明　厉　娜　刘　瑾

(青岛科学技术信息研究所，山东?青岛 266003)

基于专利分析的动力型锂离子电池发展态势分析

王云飞初志勇管泉谭思明厉娜刘瑾

(青岛科学技术信息研究所，山东?青岛 266003)

〔摘要〕为了更好地服务于动力型锂离子电池产业发展的需要，本文开展了动力型锂离子电池专利分析研究。研究基于德温特专利数据，采用文献调研、技术生命周期、企业竞争六要素等分析方法，对动力型锂离子电池技术领域全球专利的总体发展趋势、细分技术、专利布局以及重要申请人进行了分析。结果显示动力型锂离子电池技术有步入成熟期的迹象，且存在下游产业整合上游产业的趋势；细分技术中电池组管理系统与隔膜原材料技术略显热门；在申请人方面，日本厂商占据技术优势，韩国厂商发展迅猛，中国厂商数量多，但专利分散，核心专利少，且尚未形成规模；此外，值得注意的是日本和韩国已开始在中国进行专利布局，而中国仍然主要针对本国市场。

〔关键词〕动力锂电池；专利地图；专利布局

锂离子电池是当今国际公认的理想化学能源，已成为电动汽车动力电池的首选，在新能源汽车时代将发挥主导作用，产业发展前景广阔。目前我国动力型锂离子电池产业仍处于研究开发和产业化起步阶段，随着新能源汽车等七大战略性新兴产业发展规划的实施，将进一步带动动力型锂离子电池产业的发展[1-2]。针对动力型锂离子电池的专利分析有助于掌握该项技术的发展趋势、重要专利、区域分布以及申请人情况，为政府、企业以及研究人员提供有益参考与支持。

1　数据与方法

动力型锂离子电池的制造经历电池材料、电芯制造、电池组集成、终端应用等环节[3]。技术体系的上游主要包括电极材料、电解质(电解液)、隔膜等关键原材料；中游主要包括锂电池的制造和电池成组，具体涉及电极板制作、电池芯封装、电池成组集成、电池组性能测试、电池组保护装置等；下游为应用[4]。

检索专利的范围包括动力型锂离子电池技术体系的上游及中游。专利数据来源为德温特专利数据库，采用主题、国际专利分类号以及德温特专利分类号相结合的方式进行检索，检索策略为总分式检索，技术具体分解为电极、电解质(电解液)、隔膜、电池单体和电池组。总检索式为：(ALLD=((lithium or Li-ion)same(cell*or battery or batteries or accumulator*))or IC=(H01M0010052*)or(IC=(H01M0010*)and ALLD=(Lithium or Li-ion or Li-accumulator*))or MC=(X16-B01F1*))and(ALLD=(electric*adj vehicle*or hybrid adj vehicle*or hybrid adj electric*adj vehicle*or electric*adj motor adj vehicle*or hybrid adj car*or electric*adj car*or hybrid or IC=(B60K0001*or B60K0006*or B60L*or B60w*)or MC=(X21-A01*))，再通过批量去噪和人工阅读去噪，截止至2014年6月30日，共检索相关德温特专利族14 339项。细分技术是在总技术主题检索的检索结果中进行个技术分支的检索，其中共检索电极德温特专利族5 262项、电解质(电解液)德温特专利族552项、隔膜德温特专利族509项、电池单体德温特专利族6 043项，电池组德温特专利族1 973项。

分析工具上，综合应用了汤森路透公司的TDA、TI专利地图、Innography、Incopat以及国家知识产权局出版社专利分析软件等。

2　结　果

2.1总体趋势

图1揭示的是动力型锂离子电池全球专利的年度变化趋势。考虑到专利从申请到公开需要1年半至3年的时间，因此图1中的数据截止至2012年。可以看出，全球专利申请大致经历了以下3个阶段：第一阶段技术萌芽期(20世纪90年代中期之前)，在此期间，每年的专利申请数量只有几件；平稳增长期(20世纪90年代中期至21世纪初)，这一时期，全球专利申请量平稳增长，日本和美国在申请和研发方面独占鳌头。1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸铁锂(LiFePO4)，比传统的正极材料更具安全性，尤其耐高温，其性能远超过传统锂离子电池材料，目前已成为当前主流的大电流放电的动力锂电池的正极材料；快速增长期(21世纪初至今)这一时期全球申请量快速增长。德国、韩国、中国的专利申请量快速增长。研发的热点涉及广泛包括锂离子电池产业上游原材料如电极、电解质(电解液)、隔膜等以及中游产品电池单体、电池组以及在下游产品在电动汽车、混合动力汽车上的应用。中国和韩国是今年专利申请数量增长最快的国家。

图1　动力型锂离子电池全球专利申请趋势

图2为动力型锂离子电池全球专利技术生命周期图，横坐标为申请人数量，纵坐标为专利族数量。动力型锂离子电池经历了1970-1995年的技术萌芽期，1995-2010年的技术成长期后，在2011年，出现了申请人数量降低的趋势，在2012年出现了申请人数量明显减少的现象，且专利申请数量相比与2011年有所下降，这说明动力型锂离子电池有进入技术成熟期的迹象，表明日前技术竞争趋向激烈，行业进入门槛不断提高。

2.2细分技术

由图3中的饼图可以看出动力型锂离子电池细分技术中单体和电极的专利规模最大，分别占总数的42%和37%，其次为电池组，专利数量最少的是电解质(电解液)和隔膜。从曲线图中可以看出，这5项细分技术都随年代呈现出增长的趋势，其中有关电极和电池单体的专利增长速度最快。电池组的专利起步较晚，但后期增长快。进一步分析显示；电极技术中活性材料是研发热点；隔膜材料已聚烯烃为主，其次为尼龙、纤维及无机粒子等材料；电池成组重点技术为电池组管理系统及剩余电荷估算。对中国专利分析显示：电极专利占据专利总数的54%，与全球专利技术相比，在充放电技术、电池测试技术上专利数量较少，但整体仍然为增长趋势。

图2动力型锂离子电池全球专利技术生命周期

图3动力型锂离子电池全球专利细分技术分布及发展趋势

2.3区域分布

专利申请人一般在其所在国首先申请专利，然后在1年内利用优先权，申请国外专利，因此，从专利优先权所属国的数量可以反映各国在该领域的技术实力[5]。图4为优先权专利申请的国家分布，动力型锂离子电池技术主要集中在日本、美国、韩国、中国及德国。其中，日本基本垄断了大部分的产业技术，优先权专利数量达到9 195项，占65%。美国相关专利族为1 260项，占9%，居第二。我国相关专利族为981项，占7%，名列第四，落后韩国，与第五名德国接近。

图4动力型锂离子电池优先权专利国

日本、美国作为动力型锂离子电池专利族规模最大的国家，其对市场竞争也非常激烈，因此除在本国进行专利保护外，为了在国外生产、销售产品，其必须在国外地区申请相关专利以获得知识产权保护，相应的这个国家或地区成为专利公开国，同时该国同族专利的申请也可以反映出其市场战略。图5中纵坐标为优先权国，横坐标为公开国，其中公开国中的世界是指申请了国际专利合作条约(PCT)专利，气泡的大小代表专利族数量。由此可以了解到，日本除在本国申请专利外，重点布局美国与中国市场，同时申请了大量的PCT专利。美国专利布局广泛，重点关注中国市场。中国、韩国、德国在专利申请总量上差距不大，但之间的专利保护策略上有所不同。德国、韩国在本国专利保护同时注重主要国外市场，拥有一定数量的PCT专利；而中国主要针对本国市场，在国外市场少有专利布局。

目前，日本在中国的专利布局共601项、美国139项、韩国143项、德国26项。近年来，来华专利数量基本呈现逐年增加的趋势，专利权人集中在日本、韩国与美国，主要的有日本丰田、三洋电机以及韩国的LG化学和三星SDI公司。来华专利技术重点在电极和隔膜，在电池组和单体领域的专利布局较少。国内企业应抓住这一契机，通过追踪电池组和单体领域的研发动向，有针对性地选取研发重点，加大研发投入并进行专利申请。

图5主要领先国家专利全球布局优先权vs公开国

2.4主要申请人

企业综合竞争力评估方面，根据Dialog Innograph专利分析平台提供的分析模型，给出了企业竞争力六要素分析图(图6)。其中，横坐标代表企业技术竞争力，涉及的参数包括企业的专利数量、专利分类数量、专利被引次数；纵坐标代表企业实力，涉及的参数包括营业收入、专利布局、专利侵权情况；气泡大小表示专利数量。可以看出：丰田汽车位于图6中的第Ⅰ象限，说明在动力型锂离子电池行业中该企业综合实力最强。其次是松下电器、日立、日产汽车、东芝，位于第Ⅳ象限，说明这些企业在技术竞争力方面较强，但在企业实力方面，略微逊色。韩国Lg化学、韩国三星SDI、德国博世等企业位于第Ⅲ象限，在企业技术竞争力和企业实力方面稍微落后。中国专利数量位列第4位，但企业竞争力六要素分析中却未有中国企业上榜，说明在企业技术竞争力以及企业实力方面均落后于日本、美国、韩国与德国。

图6动力型锂离子电池全球专利竞争力六要素分析图

为具体分析主要申请人情况，表1给出了申请人列表。列表包括申请人名称、专利数量、专利布局、主要发明人、专利申请持续时间以及相关的技术领域，表格中方框内的数字代表专利族数量。排名前10的企业中，日本企业7家，占据据绝对优势。韩国LG化学公司排名第5位，韩国三星SDI公司排名第7位，德国罗伯特博世公司排名第9位。汽车厂商排名靠前，反映出下游产业有整合上游产业的趋势。

此外，拥有100项以上专利的企业已占到46%，但在中国专利数量小于2项的企业则占据了企业总数的57%，说明从全球的市场上看，动力型锂离子电池技术已趋于成熟，而在中国，动力型锂离子电池技术处在发展阶段，专利技术非常分散，尚未集中到大型企业和公司。

表1　动力型锂离子电池专利申请数量排名前10位申请人列表

动力型锂离子电池技术日趋成熟，关注申请人的变化趋势有助于掌握技术的发展方向，因此表2给出了动力型锂离子电池近三年来申请人的情况，包括活跃申请人、新出现的申请人以及未出现的申请人。近三年来活跃的申请人包括日本丰田、德国的罗伯特博世、韩国三星SDI公司等，说明近年来韩国和德国的公司表现活跃，有超过日本公司的势头。在近三年来新出现的申请人中，中国公司占据大半，说明锂离子电池在中国出于快速增长的时期，同时反映了中国的申请人比较分散。此外，值得注意的是，韩国第一毛织株式会社在锂离子电池领域主要申请的专利为隔膜，2014年被韩国三星公司收购。在近三年来未出现在申请人中的A123系统公司是美国一家专业开发和生产汽车锂电池和能量存储系统的公司，已被中国万向集团收购。

表2　动力型锂离子电池全球专利近三年来专利权人发展趋势

3　结　论

3.1产业研发处于发展时期，有步入成熟期的迹象

随着动力型锂离子电池技术的高速发展，新技术快速涌现，新的研究人员不断加入，各国在动力型锂离子电池技术领域，投入了大量人力和物力。2012年相比2011年，出现专利数量与申请人数量开始减少的现象，从趋势上看，有进入第三阶段技术成熟期的迹象。相对而言，中国专利专利申请起步晚，但发展速度快，目前仍处于发展阶段。

3.2技术发展均衡，电池组系统管理、隔膜原材料技术略显热门

分析专利研发热点显示，动力型锂离子电池各项技术发展较为均衡，专利数量最多的为电极和电池单体，较为热门技术为电池组系统管理以及隔膜原材料的制备。值得注意的是，来华专利集中在电极和隔膜，但在电池组领域较少布局，国内企业应抓住这一契机，通过追踪电池组和单体领域的研发动向，有针对性的选取研发重点，加大研发投入并进行专利申请。

3.3日本引领产业技术，美国、韩国、德国与中国紧随其后

根据专利数量以及专利强度分析显示，日本在动力型锂离子电池领域细分技术方面专利数量都处在第一位，且掌握重要专利；美国的重要专利集中在隔膜、电池组技术；韩国的重要专利集中在电极和电池组技术；德国的重要专利集中在电池单体领域。中国目前掌握的重要专利较少，极少在国外进行专利布局，且与其他国家相比，中国的研究机构申请专利所占比例最高，不利于技术转化。

3.4日本厂商为行业创新和竞争主体，韩国厂商发展迅猛，中国厂商分散

专利技术集中在大中型企业，技术开始走向成熟，在专利权人的排名中，汽车厂商排名靠前，说明目前存在下游产业有整合上游产业的趋势。日本企业目前占据绝对优势。韩国公司近年来表现活跃，2012年韩国超越了日本，成为锂离子电池产销第一大国[6]。此外，一些公司也出现收购、并购等情况。在动力型锂离子电池领域，中国今年来出现了大量的公司，主要集中在广东省，但专利数量大多在2～5条。

参考文献

[1]毛国龙.锂离子动力电池发展现状及应用前景[J].中国电子商情：基础电子,2009,(8):14-14.

[2]安平.锂离子二次电池的应用和发展[J].北京大学学报：自然科学版,2006,(S1):1-7.

[3]阳如坤.锂电制造发展路线图探析[J].新材料产业,2012,(9):95-96.

[4]和祥运,刘恩华,张嘉禾.锂离子动力电池产业链研究[J].北京汽车,2011,(4):9-11.

[5]顾震宇,卞志昕.应用领域专利地图的方法及实证研究[J].情报杂志,2009,28(9):21-26.

[6]三胜咨询.2014-2018年锂电池行业竞争格局与投资价值评估分析报告[R].2014.

(本文责任编辑：郭沫含)

Development Trends Analysis of Power Lithium-Ion Battery Based on Patents Analysis

Wang YunfeiChu ZhiyongGuan QuanTan SimingLi NaLiu Jin

(Qingdao Institute of Scientific and Technical Information，Qingdao 266003，China)

〔Abstract〕In order to provide better information and reference for government and companies on power lithium-ion battery industry development,patent analysis of power lithium-ion battery was carried out.Based on Derwent Innovation Index(DII),patents of power lithium-ion battery were analyzed and studied from aspects of overall development trends,subdivision technologies including positive and negative electrode,electrolyte,membrane,battery and battery set,patent geographic distribution and top assignees separately,using methods of science and technology literature studies,patent technology life cycle analysis,comprehensive competitive analysis of six elements of organization and priority and publication patent country distribution and so on with TDA and Innography analysis system.It is found that power lithium-ion battery technologies have signs of becoming matured;and also have trends of downstream industry integration of upstream industry.In branch technology, battery manage system(BMS)and separator materials are relative hot technologies.In terms of patent assignees,most top ones are from Japan,Korean companies are also developing rapidly,numbers of Chinese companies is large,however,Chinese companies are with little important patents and have not yet formed the scale.In addition,it is worth noting that Japanese and South Korean companies have begun to apply patents in China,while China is still pay attention to domestic market.

〔Key words〕power lithium-ion battery;patent map;patent geographic distribution

〔中图分类号〕G255.53

〔文献标识码〕A

〔文章编号〕1008-0821(2015)06-0102-05

DOI：10．3969/j．issn．1008-0821．2015．06．019

作者简介：王云飞(1980-)，女，副研究员，博士，研究方向：专利分析、文献计量等。

基金项目：青岛市应用基础研究项目“基于知识计量学的产业技术创新资源挖掘方法研究”(项目编号：14-2-4-38-jch)。

收稿日期：2014-11-27

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