噴墨打印應(yīng)用在電池制造中的專利分析

姜峰+周小沫+吳冰+胡明軍+嚴(yán)薇+張施露

摘 要：噴墨打印已經(jīng)被作為一種微尺寸成型技術(shù)而廣泛應(yīng)用，該文對噴墨打印在電池制造中應(yīng)用的中國專利申請信息進(jìn)行了統(tǒng)計分析，詳細(xì)介紹了國內(nèi)該領(lǐng)域中的專利申請現(xiàn)況，以此為基礎(chǔ)，為國內(nèi)在該領(lǐng)域的發(fā)展提出一些建議，為我國技術(shù)研發(fā)和政策制定提供相關(guān)參考。

關(guān)鍵詞：噴墨打印 電池 專利 分析

中圖分類號：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（b）-0048-03

隨著微電子技術(shù)和集成電路規(guī)模化的快速發(fā)展，對于電池尺寸的微型化提出了更高的要求。傳統(tǒng)電池制造技術(shù)如疊層、卷繞等技術(shù)在微尺寸上無法實現(xiàn)精細(xì)化的精確操作，在制作微型電池時不僅存在巨大的挑戰(zhàn)和難度，也無法滿足快速增長地微電池規(guī)模化生產(chǎn)的需求。因此，開發(fā)一種能夠在微尺寸維度內(nèi)進(jìn)行精細(xì)化控制的制造技術(shù)成為關(guān)鍵問題。

噴墨打印作為一種計算機(jī)控制的數(shù)字印刷技術(shù)，其原理是通過微米級尺寸的打印頭，將墨水分散成墨水滴，同時依據(jù)計算機(jī)預(yù)先設(shè)定的打印程式，將墨水滴打印沉積在載體上，進(jìn)而呈現(xiàn)出圖案或文字[1-2]。近些年來，噴墨打印作為一種可以實現(xiàn)在微米級尺度上精確控制的圖案化技術(shù)，已經(jīng)被越來越廣泛地應(yīng)用于生物技術(shù)[3-5]、發(fā)光器件[6-8]、傳感器[9-10]、晶體管[11-12]等領(lǐng)域，特別是電池制造[13-19]領(lǐng)域。

中國作為制造和消費(fèi)大國，擁有巨大的電池能源市場，實現(xiàn)電池領(lǐng)域的中國創(chuàng)造，不僅要清楚行業(yè)現(xiàn)狀，更要掌握技術(shù)的發(fā)展趨勢。本文以噴墨打印在電池領(lǐng)域中應(yīng)用的中國專利申請數(shù)據(jù)為樣本，從時間分布、地域分布、技術(shù)分布以及申請人分布等多角度詳細(xì)分析了國內(nèi)在該領(lǐng)域中的發(fā)展現(xiàn)狀，進(jìn)而為國內(nèi)該領(lǐng)域的發(fā)展提出一些建議，為技術(shù)研發(fā)和政策制定提供相關(guān)參考。

1 數(shù)據(jù)分析

1.1 申請整體概況

本文以CNABS專利文摘數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，通過分類號和關(guān)鍵詞的組合檢索方式，檢索統(tǒng)計得到涉及噴墨打印在電池領(lǐng)域中應(yīng)用的專利申請總量為56件（檢索截止時間為2014年1月3日，截至上述檢索日，2012年7月3日以后的申請中，可能存在部分申請由于未滿十八個月尚未公布，因此，涉及2012年7月3日以后的專利申請數(shù)據(jù)僅供參考）。

從總申請量來看，目前該領(lǐng)域?qū)＠暾埲云伲卜从吵鰢鴥?nèi)在該領(lǐng)域仍處在發(fā)展初期，成熟的專利布局尚未形成，也意味著仍有較大的發(fā)展空間。

該領(lǐng)域首次中國專利申請由美國申請人斯里國際提出，申請日為1998年11月24日，申請?zhí)枮镃N1314829A，涉及燃料電池膜電極組件的制造。佐證了美國在全球技術(shù)發(fā)展與革新的帶動作用和領(lǐng)先地位；首位中國內(nèi)地申請人為中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，申請時間為1999年4月7日，申請?zhí)枮镃N1269429A，涉及燃料電池膜電極組件制造。第一個國內(nèi)申請人的申請時間落后于國外申請人僅半年，說明國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究雖然仍處于落后地位，但可以緊跟世界范圍內(nèi)的技術(shù)最新發(fā)展趨勢。

1.2 申請人分布

1.2.1 申請人屬性分布

圖1顯示了申請人屬性的整體狀況。從全部申請人來看，高校/科研機(jī)構(gòu)申請人占比26.32%，企業(yè)申請人占比68.42%，個人申請人僅占比5.26%。在申請人的群體中，企業(yè)依然是專利申請的主體，反映出企業(yè)作為社會生產(chǎn)的實踐者，其對于先進(jìn)技術(shù)的需求最直接，對技術(shù)發(fā)展革新的趨勢也最敏銳，也反映出相對于高校/科研機(jī)構(gòu)，企業(yè)擁有更強(qiáng)的技術(shù)專利化保護(hù)意識。

1.2.2 申請人地域分布

圖2顯示了申請人的地域分布情況。其中，中國內(nèi)地申請人（不包括港澳臺地區(qū)）的申請量占比21.43%，國外申請人占比8.57%。美國占比14.29%，歐盟地區(qū)占比28.57%，日本占比25%，韓國占比8.93%，美、歐、日、韓四地區(qū)申請人的申請量合計占總申請量的62.5%，占國外申請人總申請量的79.55%，占據(jù)了國內(nèi)該領(lǐng)域?qū)＠暾埖闹黧w。上述四地區(qū)均為發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，工業(yè)化程度高，工業(yè)技術(shù)發(fā)展研究均處于領(lǐng)先地位，在該領(lǐng)域所呈現(xiàn)出的主體地位也是可以理解的。

1.2.3 重要申請人

表1列出了該領(lǐng)域中排名前10的申請人。外國申請人占據(jù)了前8，具有絕對的技術(shù)優(yōu)勢。其中，有三位申請人來自日本，包括排在第一位的日產(chǎn)自動車株式會社，反映出日本在該領(lǐng)域中的領(lǐng)先地位。外國申請人均來自美國、日本、歐盟和韓國，由此也不難理解四地區(qū)在該領(lǐng)域中的強(qiáng)勢地位。外國申請人中只有排名第6的精工愛普生株式會社主要涉及打印機(jī)領(lǐng)域，其余分布在電子設(shè)備、汽車、能源等領(lǐng)域，均與電池領(lǐng)域密切相關(guān)，由此可見，其在該領(lǐng)域中的領(lǐng)先地位與其積極的投入是分不開的。前10中僅有2位中國申請人，分別是武漢理工大學(xué)和漢能科技有限公司。漢能科技有限公司業(yè)務(wù)涉及燃料電池、能源轉(zhuǎn)化方面，其占有的重要位置也受益于企業(yè)戰(zhàn)略層面的重視。

1.3 申請技術(shù)分布

專利申請技術(shù)分布如圖3所示。可以看出，噴墨打印技術(shù)重點分布在燃料電池、太陽能電池以及鋰二次電池三個電池領(lǐng)域，從現(xiàn)有專利申請的內(nèi)容來看，這主要與電池結(jié)構(gòu)和制造過程有關(guān)。燃料電池的膜電極組件中，通過在質(zhì)子交換膜表面覆合催化劑層而制成，催化劑一般為貴金屬納米材料，可以溶解于溶劑而制作成噴墨打印用墨水，同時質(zhì)子交換膜由有機(jī)材料組成，也可以分散于有機(jī)溶劑而制作墨水。鋰二次電池的電極常規(guī)制作工藝中，電極經(jīng)歷預(yù)混合電極物質(zhì)與添加劑成電極漿料等程序，其中電極漿料經(jīng)過進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化也可制成噴墨打印墨水。太陽能電池中，以聚合物太陽能電池為主，源于聚合物太陽能電池結(jié)構(gòu)中多是聚合物組分或是無機(jī)組分，有利于制作成墨水。噴墨打印的關(guān)鍵技術(shù)之一便是打印墨水的制作，而這三種電池均有便于制作墨水的技術(shù)優(yōu)勢，因此投入研究較多，專利申請量也較大。

1.4 申請時間分布

1.4.1 申請量時間分布endprint

從圖4可以看出，該領(lǐng)域的首次中國申請出現(xiàn)在1998年，但在接下來的幾年申請量并沒有顯著增長，直到2003-2004年，申請量才出現(xiàn)較為明顯的上升，這反應(yīng)出一項新技術(shù)的研發(fā)需要經(jīng)歷一定的周期。從2004開始，申請量一直維持在約5件/年的較低水平，這個時期申請量未有明顯增長主要歸因于該領(lǐng)域中的研究并未取得任何實質(zhì)性的進(jìn)步和技術(shù)上的突破，遇到了技術(shù)發(fā)展的瓶頸。在2011年，該領(lǐng)域中專利申請量顯著增加，一方面源于對打印制造設(shè)備的改進(jìn)和發(fā)展，使得噴墨打印技術(shù)在制造領(lǐng)域中的應(yīng)用更具可操作性；另一方面源于打印制造技術(shù)受到的持續(xù)關(guān)注，吸引了更多的研究者投入其中，進(jìn)而加速推動了技術(shù)的進(jìn)步。

1.4.2 各地區(qū)申請時間分布

圖5詳細(xì)的展示了1998年至2003年之間，美國、日本、歐盟、韓國以及中國申請人的專利申請量隨時間變化的趨勢。可以看出，美國作為技術(shù)發(fā)展革新的引領(lǐng)者，最早從1998年就在中國提出專利申請。中國緊隨其后，借助科研機(jī)構(gòu)對技術(shù)發(fā)展趨勢的敏銳性和研發(fā)自主性，在1999年提出第一件專利申請。日本在該領(lǐng)域中的專利布局較為落后，在2004年才開始提出申請，其申請量一直穩(wěn)定在較高的水平。韓國則相對較晚，2009年才開始提出專利申請，這歸因于該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展并不成熟，仍存在一定的技術(shù)瓶頸。專利申請量的第一次增長分布在2004年左右，借助打印機(jī)技術(shù)的發(fā)展成熟，以及中國在制造業(yè)中“世界工廠”的重要地位，各國申請人開始重視在中國市場的戰(zhàn)略規(guī)劃，意圖建立自己的專利領(lǐng)土，搶占中國市場；第二次增長分布在2011年，中國提出中國創(chuàng)造的概念，鼓勵創(chuàng)新的政策導(dǎo)向，以及專利制度在支持和保護(hù)中國創(chuàng)造中重要作用的日益凸顯，推動了專利申請量的增長；同時，借助3D打印技術(shù)的熱潮，噴墨打印成型技術(shù)憑借其制造優(yōu)勢，也引起了越來越廣泛的關(guān)注，同時也推動了技術(shù)的發(fā)展。

2 對我國噴墨打印制造電池專利技術(shù)發(fā)展的建議

2.1 政策導(dǎo)向，重點扶持

目前國內(nèi)在該領(lǐng)域仍處于發(fā)展初期，專利技術(shù)發(fā)展尚未成熟，專利壁壘也未形成。國內(nèi)在該領(lǐng)域具有一定的研究基礎(chǔ)和積累，但還需要在多個關(guān)鍵技術(shù)方面取得突破，才能使該領(lǐng)域進(jìn)入快速發(fā)展階段。國家和地區(qū)政府應(yīng)出臺相關(guān)政策，為提升中國創(chuàng)造的競爭力，對相關(guān)創(chuàng)造行為給予更多的鼓勵和保護(hù)，引導(dǎo)更多的優(yōu)秀企業(yè)和人才進(jìn)入該領(lǐng)域，推動該領(lǐng)域的發(fā)展。

2.2 產(chǎn)研結(jié)合，重點突破

企業(yè)在生產(chǎn)第一線，對于市場需求敏感性強(qiáng)；科研機(jī)構(gòu)具有很強(qiáng)的綜合研發(fā)實力，對技術(shù)發(fā)展趨勢變化敏感性強(qiáng)；對于該領(lǐng)域的發(fā)展，應(yīng)有效結(jié)合二者的優(yōu)勢，實現(xiàn)產(chǎn)研結(jié)合，促進(jìn)重點企業(yè)和重點科研機(jī)構(gòu)之間的合作，結(jié)合市場導(dǎo)向，對該領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)和重點技術(shù)進(jìn)行集中研發(fā)，爭取掌握該領(lǐng)域中的核心關(guān)鍵技術(shù)。

2.3 積極布局，劃定領(lǐng)地

國內(nèi)電池領(lǐng)域的行業(yè)從業(yè)者應(yīng)著眼未來，抓住機(jī)遇，盡早做出專利規(guī)劃，積極地對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行專利布局保護(hù)，借助技術(shù)創(chuàng)新，搶占市場先機(jī)，建立起專利壁壘，劃定屬于自己的專利領(lǐng)地。

（注：作者周小沫對本文所作貢獻(xiàn)與第一作者等同，因篇幅所限，將其列為第二作者，特此說明。）

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