超级电容器储能专利分析

李莉华，马廷灿，戴炜轶，瞿海妮，赵三姗

（1国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437；2中国科学院武汉文献情报中心，湖北 武汉 430071）

超级电容器储能，顾名思义，就是利用超级电容器存储能量的技术。超级电容器（supercapacitor，ultracapacitor）是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，其结构和电池的结构类似，主要包括双电极、电解质、集流体和隔离物四大 部分。

超级电容器有多种分类方式，如可以按电极材料、电解质类型、储能机理等进行分类，比较普遍的是按储能机理分类。根据储能机理的不同，超级电容器主要可以分为三大类：① 双电层电容器（electrical double-layer capacitor，EDLC），正、负电极都以双电层为主要储能机制；② 法拉第准电容器，正、负电极都以准电容（pseudo-capacitor，也称“赝电容”）为主要储能机制；③ 混合型超级电容器，正、负电极分别以双电层和准电容为主要储能机制[1-3]。

与传统电容器相比，超级电容器具有充电速度快、容量大、使用寿命长、工作温度范围宽等优点；而与蓄电池相比，它具有高比功率、充放电速度快、环境友好等优点。不过，由于其自身结构特征，超级电容器也有其缺点和局限。如① 能量密度相对于电化学电池仍然较低；② 自放电率大大高于电化学电池；③ 工作电压低；④ 内阻较大，不适于交流电路等[4-5]。

超级电容器可广泛应用于混合动力汽车、可再生能源发电、不间断电源以及便携式激光探测器等军事应用领域。此外，超级电容器还广泛应用于快速充放电的消费电子以及长时间持续放电的计算机存储器后备电源等[6]。

目前，超级电容器储能技术的主要发展趋势是进一步提高超级电容器的能量密度和功率密度。超级电容器储能的主要关键技术包括混合超级电容器技术、高性能电极材料技术、超级电容封装和模块化技术以及超级电容器与新能源的耦合技术等。

本文以超级电容器储能技术国际专利为对象，从专利申请的时序分布、来源国家/地区、技术主题、重点申请人等方面进行了分析，对超级电容器储能技术的国际发展现状、态势进行了梳理，以期为我国在该领域的研发提供参考。

1 超级电容器储能专利申请趋势分析

超级电容器的研究始于20世纪60年代。1957年，美国通用电气公司（General Electric）的Becke.H申请了世界上第一个超级电容器专利，他提出了将高比表面积的多孔碳材料包覆在金属集流体上作为电极材料，首先提出了可以将较小的电容器用作储能器件。但通用电气并没有继续开展后续进一步的研究。随后，美国标准石油公司（Standard Oil of Ohio，SOHIO）开展了相关研究，但也没有进行商业化，而是将相关技术转让给了日本NEC公司。1971年，日本NEC公司制备了水系电解液超级电容器，并首次应用于商业化设备[7]。1979 年，NEC公司开始生产超级电容器用于电动汽车的启动系统。几乎与NEC同时，日本松下公司设计了以活性炭为电极材料，以有机溶液为电解质的超级电容器。他们开启了超级电容器的规模化商业应用，并掀起全球范围的研究开发热潮，超级电容器技术日新月异，应用范围也不断扩大[8]。

通过在DII数据库中对全球超级电容器储能专利进行检索，共得到相关专利（族）19364项（数据检索时间为2014年11月25日，检索结果以DII 专利为单位）。图1给出了超级电容器储能相关专利数量随申请年的变化趋势。可以看出，在超级电容器出现后的最初10多年间，全球相关专利申请数量屈指可数。直到20世纪70年代末，随着NEC、松下等日本公司将超级电容器推向市场，全球相关专利申请在20世纪80年代才出现较快增长，但在90年代初又有所回落。不过，随着90年代混合电动汽车的兴起，超级电容器作为电动汽车中（如启停系统）重要的能量存储缓冲单元，日益受到重视。全球相关专利申请数量从20世纪90年代中期开始，在过去近20年中呈现持续上升趋势。特别是近几年，受到中国相关专利申请数量快速增长的推动，全球超级电容器储能相关专利的申请数量呈现激增。

图2、图3分别给出了超级电容器储能专利技术发明人及其相关技术条目（基于IPC）的年度变化情况。由图2可知，近10多年来，每年都有大量的新发明人涌入超级电容器储能技术领域，这些新的研究力量将推动超级电容器储能技术的不断进步。由图3可知，近年来，超级电容器储能领域每年都有较多的新技术条目涌现，这说明超级电容器储能技术仍在较快发展，应用领域仍在不断扩展。综合考虑图1～图3的信息，可知超级电容器储能技术仍处于较快的发展阶段。可以预期，在未来几年中，全球超级电容器储能相关专利的申请数量将会维持较快的增长速度，该技术领域的竞争也将会更加激烈。

图1 超级电容器储能专利申请数量的年度分布Fig.1 The number of supercapacitor energy storage patent applications，1961-2014

图2 超级电容器储能专利新发明人的时序分布Fig.2 The number of supercapacitor energy storage patent inventors，1961-2014

图3 超级电容器储能专利新技术条目的时序分布Fig.3 The number of new technology on supercapacitor energy stoage patent，1961-2014

2 超级电容器储能专利技术主题分析

国际专利分类（IPC）是国际通用的、标准化的专利技术分类体系，蕴含着丰富的专利技术信息。通过对超级电容器储能专利的IPC进行统计分析，可以准确、及时地获取该领域涉及的主要技术主题和研发重点。

本次检索到的1.9万多项超级电容器储能技术专利共涉及7000多个IPC分类号（小组），其中专利申请数量不少于1000项的IPC小组有11个，专利申请数量不少于500项的IPC小组有60多个，专利申请数量不少于100项的IPC小组则有150多个，可见超级电容器储能技术专利申请涉及的技术面较宽，也反映出超级电容器储能技术的应用领域很广。

由于超级电容器相关专利申请数量急剧增加，2013版IPC中，将IPC大组—H01G9/00（电解电容器、整流器、检波器、开关器件、光敏器件或热敏器件及其制造方法）下属的IPC一级小组—H01 G-009/155（双层电容器）独立出来，新增超级电容器专属IPC大组—H01G11/00[混合电容器，即具有不同正极和负极的电容器；双电层（EDL）电容器；其制造方法或其零部件的制造方法]，H01G9/00下的H01G9/038（双层电容器专用电解质）和H01G9/058（双层电容器专用电极）和H01G9/016（双层电容器专用的引出端）3个三级小组也分别转入H01G11/00下设的对应小组中，如H01G11/54（电解质）和H01G-011/22（电极）等。

表1列出了超级电容器储能专利申请量大于200项的前28个IPC分类号（大组）及其申请情况，这些分类号涵盖了1.67万项专利，约占全部分析专利的86%。可以看出，超级电容器储能技术的相关专利申请主要集中在以下两大方面：① 超级电容器及其制造，特别是电极、电解质及相关材料的制备；② 超级电容器的应用，如用于电网储能，用于混合动力汽车的启动、牵引等。

表1 超级电容器储能专利技术主题及其申请情况（申请量>200项）Table 1 The subject and applications of supercacitor energy storage（patent applications>200）

考虑到IPC分类号对具体技术细节的揭示不足，故而采用ProQuest Dialog公司的Innography专利检索与分析平台的文本挖掘功能，对专利说明书的非结构化内容进行了分析，从申请人的文字表述中提取出必要的技术要点，对这些要点进行归纳和聚类，提取出超级电容器储能专利技术的研究主题，如图4所示。由图4可知，超级电容器储能领域的技术主题（热点）可以分为：① 超级电容器整体技术；② 电极技术（正电极、负电极、极化电极、电极内阻等）及电极材料（高比表面积活性材料、复合材料、活性炭、碳纤维等）；③ 非水电解质（有机聚合物电解质等）；④ 锂离子（超级）电容器；⑤ 超级电容器应用（电能储存、储能单元、电源、超级电容器模组等）。

图4 超级电容器储能专利技术研发主题布局Fig.4 The subject distribution of supercepacitor technology

3 超级电容器储能专利申请国家/地区分布

图5给出了超级电容器储能专利申请数量最多的10个国家和地区以及相关专利受理数量较多的国家和机构。从专利申请数量可以看出，全球超级电容器储能技术的研发主要集中在日本、中国、美国、韩国、德国、法国、中国台湾、俄罗斯等国家和地区。其中，日本、中国、美国、韩国四国的超级电容器储能相关专利申请数量占到全球申请总量的 90%以上，仅日本就占到全球申请总量的50%以上。

从专利受理数量来看，日本、中国、美国三国的超级电容器储能相关专利受理数量也是分别位列第1～3位，韩国位列第5。而世界知识产权组织、欧专局两个机构的超级电容器储能相关专利受理数量分别位列第4位和第6位。此外，超级电容器储能相关专利申请数量较少的澳大利亚、加拿大和印度等国家的相关专利受理数量也较多。表明这些国家和地区也是该超级电容器储能相关专利技术的重要保护区域和目标市场。

图5 主要国家和地区超级电容器储能专利申请与受理情况Fig.5 The quantity of supercapacitor patents application and acceptance in the main countries/regions

图6给出了主要国家和地区超级电容器储能相关专利申请数量的年度变化情况。可以看出，日本的超级电容器储能相关专利申请起步很早，其年度专利申请量变化趋势也与全球总体变化趋势基本一致；美国的超级电容器储能相关专利申请虽然起步最早，但相关专利申请数量增长较慢，与日本一直有较大的差距，不过其相关专利申请数量在过去20多年中也一直在比较平稳地增长；德国和法国的超级电容器储能相关专利申请起步也较早，并在过去20多年中持续有一定数量的相关专利申请，但相对日本和美国，德国和法国专利申请数量一直较少，近年增长相对较快；相对于上述国家，中国进入超级电容器储能技术领域较晚，相关专利申请始于20世纪90年代中后期，21世纪初相关专利申请达到一定规模，但与日本、美国差距依旧很大。2006年起，中国相关专利申请数量开始快速增长，近几年更是激增，2009年相关专利申请数量赶上并超过美国，成为仅次于日本的全球第二大超级电容器储能相关专利申请国。目前申请量已经与日本差距不大，未来两年甚至可能会超过日本。此外，俄罗斯和英国进入超级电容器储能技术领域也较早。韩国和中国台湾地区进入超级电容器储能技术领域较晚。

表2给出了专利申请量前10位的国家和地区（日本、中国、美国、韩国、德国、法国、中国台湾、俄罗斯、英国、印度）在超级电容器储能领域的技术布局情况。具体来看，日本、中国、美国和韩国4个最主要国家的技术布局如下。

（1）日本在超级电容器储能领域的技术构成最为完备，各技术分支均有较多产出，最重要的技术类别包括H01G-009、H01M-010、H01G-011、H01M-004、H01M-002等，即日本的专利申请主要是集中在电容器及其制造、电极等，应用型专利占比较少。此外，多数电解质/电解液方面的专利申请都来自日本。

图6 主要国家和地区超级电容器储能专利申请量年度分布Fig.6 Annual patent applications on supercapacitors energy storage in the main countries/regions

表2 主要国家和地区在超级电容器储能领域的技术布局Table 2 The technology distribution of super capactor energy storage in the main countries/regions 单位：项

（2）中国的相关专利申请主要集中在H01G- 009、H01G-011、H02J-007、C01B-031、H02J-015、H01M-004、H01M-010等领域。可以看出，相对日本，中国申请的相关专利中应用型专利占比较高，如超级电容器在电网储能等领域中的应用专利多半都是来自中国。此外，中国在电极纳米材料技术方面的相关专利申请也较多，与美国比较接近，多于日本。

（3）美国的相关专利申请主要集中在H01G- 009、H01M-004、H01M-010、H01G-011、H02J-007、C01B-031等领域。虽然美国的相关专利申请总量少于中国，但其在电容器电极、电解质/电解液方面的专利申请数量多于中国。此外，电极表面涂层以获得优异电性能方面的专利申请多数都是来自美国。

（4）韩国的相关专利申请主要集中在H01G- 009、H01G-011、H01M-010、H01M-004、C01B-031、H01M-002等领域，即韩国的专利申请主要也是集中在电容器及其制造、电极技术等领域。

表3从专利数量、被引次数、专利族大小、保护区域数量、专利宽度（技术保护范围）、PCT专利申请数量、三方专利申请数量等几个指标对主要国家和地区（日本、中国、美国、韩国、德国、法国、中国台湾、俄罗斯、英国、印度、澳大利亚）的超级电容器储能相关专利的质量及其保护力度进行了对比。由表3可以看出，日本的超级电容器储能相关专利的整体质量及其保护力度都很突出。如其申请的所有专利40%已经被引用，其在平均被引次数、平均专利宽度、平均保护区域数量等指标的表现也都不错，其PCT专利（申请）数量占到了全部的40%以上，三方专利数量占到了全部的50%以上。美国的超级电容器储能相关专利申请数量虽然仅约为日本的1/5，但其专利申请的质量及其保护力度非常突出。如专利总被引次数与日本差距不大，平均被引次数则大幅领先于日本，平均专利宽度、平均保护区域数量也都明显领先于日本，显示出美国在该领域的研究质量非常高，整体影响力很高。德国和法国也非常值得关注，其相关专利申请质量较高，也比较注重在全球范围内的保护。此外，英国、澳大利亚两国虽然专利申请数量较少，但其 专利申请质量较高，也比较注重在全球范围内的保护。相比之下，我国的超级电容器储能专利平均 被引次数则很低，专利的技术范围和区域范围的 保护强度也都明显落后于欧、美、日，显示出我国的相关研发工作和专利申请质量亟待提升，专利权人对其专利技术的重视程度和保护意识有待 增强。

表3 主要国家和地区超级电容器储能专利质量及专利保护力度对比Table 3 The comparison of supercapacitor patents quality and protection in the main countries/regions

图7从专利申请数量（气泡大小）和专利族平均被引次数、专利族平均保护区域数量三个维度展示了日本、中国、美国、中国台湾等国家和地区的超级电容器储能相关专利质量对比。横轴表示专利自身的技术影响力，纵轴表示申请人对该专利的重视程度。可以看出，美国位于右方偏上，其专利综合质量很高；澳大利亚位于右上角，其专利平均质量非常高①调研发现，该国的相关专利技术研发和申请主要集中在：CAP-XX有限公司和联邦科学与工业研究组织（CSIRO），这两个机构非常重视专利保护工作，在该领域有较高的知名度。，但专利体量相对很小，影响力相对有限；德国、法国、英国比较接近，位于中上方，其专利综合质量较高；日本、韩国、中国、中国台湾、俄罗斯和印度五个国家和地区位于左下方，相对上述国家，它们的专利平均质量偏低。但如前所述，日本的专利总体质量很高。而且在这五个国家和地区中，日本的综合表现明显优于其它4个，其次是韩国。

图7 主要国家和地区超级电容器储能专利质量对比Fig.7 The comparison of supercapacitor energy storage patents quality in the main countries/regions

4 超级电容器储能专利申请人分析

全球超级电容器储能相关专利申请人可以分为企业、个人、大学、科研机构4种类型，它们的超级电容器储能相关专利申请数量所占比例分别为77.76%、16.09%、11.85%、5.62%。可见，企业是超级电容器储能相关专利的申请主体。图8给出了 主要国家和地区不同类型的专利申请人专利数量构成情况。可以看出：在日本，企业是超级电容器储能相关专利申请的绝对主力；在中国，企业的相关专利申请量大约占到50%。而相比其它国家和地区，中国大学的专利申请量占比非常高；其它主要国家和地区的相关专利申请主要都是来自企业和个人。

图8 主要国家和地区不同类型申请人超级电容器储能专利数量构成Fig.8 The proportion of different type of supercapacitor patent applications in the main countries/regions

从全球范围来看，超级电容器储能相关专利申请数量居前的申请人以企业为主，而且绝大多数都是来自日本。表4列出了全球超级电容器储能专利申请数量不少于60项的50多个申请机构及其专利申请情况。可以看出，日本机构最多（40家），申请量最多的前10位机构中，日本占据了9位。其次是中国（6家）、韩国（3家）、美国（2家）和法国（2家）。

表4 主要超级电容器储能专利申请机构及其专利申请情况Table 4 The condition of the main supercapacitor patent application agency

续表

具体来看，日本超级电容器储能相关专利申请数量最多的两个机构是松下和NEC。如前所述，它们在20世纪70年代就开始了超级电容器储能技术的研发和专利申请，属于超级电容器储能技术的开拓者和领跑者，开启了超级电容器的规模化商业应用，并在过去40多年中持续有较多数量的相关专利申请。相比松下和NEC，丰田进入超级电容器储能技术领域较晚，但藉由其在混合动力技术研发和产业化方面的基础和优势，近年来其超级电容器储能相关专利申请增长迅速，申请数量已经超过松下和NEC。东芝、日立的相关专利申请主要集中在超级电容器电极、电解质、隔膜等技术。旭哨子进入超级电容器储能技术领域较早，其相关专利申请主要集中在2000年以前，近年来相关专利申请相对较少。本田、富士重工、昭和电工、日清纺、日本电子等公司的相关专利申请总体质量也都较高。五十铃的相关专利基本都集中在2000年以前，依娜、碍子、日本电子近年的相关专利申请数量也都较少。而JSR、汤浅、住友电气、半导体能源研究所、大金工业、宇部兴产等机构的相关专利申请大都集中在2006年以来。显示出日本企业之间在超级电容器储能技术领域中的竞争也非常激烈。

中国的6家机构包括深圳海洋王照明科技股份有限公司、中国科学院、清华大学、南车集团、国家电网和上海奥威科技开发有限公司。从专利申请时间分布情况来看，中国科学院、清华大学和上海奥威科技开发有限公司3家机构在2000—2005年期间有少数专利申请，其它专利申请集中在2006年以后，表明我国进入超级电容器储能技术领域较晚。从专利申请质量来看，我国6家机构的专利总体质量较低，中国科学院、清华大学和上海奥威科技开发有限公司3家机构的表现相对较好。

韩国的3家机构是三星、LG和VinaTech公司，它们的相关专利申请主要也都是集中在2006年以后。其中，VinaTech公司成立于1999年，致力于超级电容器的生产制造，Hy-Cap是其超级电容器产品品牌。

美国的两家机构是麦斯韦尔（Maxwell）和通用电气，两家机构的相关专利申请质量都很高。其中通用电气最先开始超级电容器相关技术的研究，但中间中断了较长时间，20世纪90年代中后期才重新开始相关技术研究。Maxwell是业界领先的超级电容器储能及输电解决方案开发商和制造商科技公司，其核心专利技术为干电极技术，所生产的超级电容器从成本、产品质量控制、性能表现都具有很强的竞争优势，其生产的超级电容器储能产品已广泛应用于汽车、重型运输、可再生能源（风和太阳能）、后备能源、无线通信、消费业和工业电子等领域。

法国的两家机构是标志雪铁龙公司和法国科研中心，其中法国科研中心进入超级电容器储能技术领域相对较早，而且专利申请质量较高。

此外，德国的主要专利申请机构包括西门子和EPCOS。其中，EPCOS的前身是由德国西门子和日本松下于1989年联合成立的西门子松下合资公司，1999年更名为EPCOS，是世界上最大的电子元器件制造商之一。2006年被TDK收购，现为日本TDK集团下属的TDK-EPC公司。

5 结 语

规模化储能技术在电力系统中的广泛应用将成为未来智能电网发展的一个必然趋势。超级电容器储能是适于电网规模储能的主要物理储能技术之一，具有广阔应用前景和良好发展前景。通过分析，可以看出以下趋势。

（1）超级电容器的研究始于20世纪60年代。全球相关专利申请数量在20世纪90年代中期以来的20年中呈现持续上升趋势。特别是近几年，全球超级电容器储能相关专利申请数量呈现激增。目前，超级电容器储能技术仍处于较快的发展阶段。在未来几年中，全球超级电容器储能相关专利的申请数量将会继续维持较快的增长速度，该领域的竞争也将会更加激烈。

（2）超级电容器储能专利申请主要集中在：① 超级电容器整体技术；② 电极技术（正电极、负电极、极化电极、电极内阻等）及电极材料（高比表面积活性材料、复合材料、活性炭、碳纤维等）；③ 非水电解质（有机聚合物电解质等）；④ 锂离子（超级）电容器；⑤ 超级电容器应用（电能储存、储能单元、电源、超级电容器模组）等。

（3）全球超级电容器储能技术的研发主要集中在日本、中国、美国、韩国、德国、法国、中国台湾、俄罗斯等国家和地区。其中，日本、美国、俄罗斯等在超级电容器领域的研究起步较早，在产业化方面处于世界前列。我国进入超级电容器储能领域相对较晚，特别是在产业化发展方面明显落后。目前，国内从事超级电容器研发的厂商有很多，然而能够大规模生产并达到实用化的厂家不多，市场竞争力不足。

（4）全球超级电容器储能相关专利申请数量居前的申请人以企业为主，而且绝大多数都是来自日本、韩国、美国等。企业虽然也是我国超级电容器储能专利申请的主力军，但近十年来，大学所占份额呈现逐渐上升趋势，而企业所占份额则呈现出下降趋势，反映出国内企业研发力量的相对不足。而且，相比美、欧、日国家，我国超级电容器储能相关专利申请的整体质量较差、保护力度普遍很弱。此外，日本、美国和韩国等主要技术国家在我国的相关专利申请和保护力度都已经很大，近年来的相关来华专利申请数量还在不断上升。这对我国超级电容器储能技术的大规模产业化发展和应用可能不是非常有利，应引起我国相关部门、机构的重视，及时制定相关政策、措施，促进我国大学和科研机构的相关专利技术的转移转化，帮助企业通过官产学研的途径，进一步提升技术研究和开发能力，以推动我国超级电容器储能产业健康、快速发展。我国相关机构也应该继续加大技术研发和成果保护力度，为我国未来超级电容器储能产业的发展保驾护航。

[1]陈海生.国际电力储能技术分析（七）——超级电容储能 [N/OL].[2014-11-10].http://www.iet.cas.cn/hdzt/135zl/ghssdt/dgmkqcnjs/ 201 208/ t20120823_3631480.html.

[2]国家能源局.能源科技热词：超级电容器[N/OL].[2014-11-10].http://www.nea.gov.cn/2013-05/22/c_132386137.htm.

[3]Liu Haijing（刘海晶），Xia Yongyao（夏永姚）.Research progress of hybrid capacitor super[J].Progress in Chemistry（化学进展），2011，23（2/3）：595-604.

[4]超级电容器的储能特点[N/OL].[2014-11-10].http://www.escn.com.cn/ news/ show-31694.html.

[5]超级电容器优缺点分析[N/OL].[2014-11-10].http://www.escn.com.cn/news/show-31677.html.

[6]超级电容的应用领域[N/OL].[2014-11-11].http://www.escn.com.cn/news/show-31692.html.

[7]Wikipedia.Supercapacitor[EBIOL].http://en.wikipedia.org/wiki/Superca pacitor.

[8]超级电容的分类[N/OL].http://www.escn.com.cn/ news/show- 31693.html.