固態鋰電池全球專利分析

芮雯奕，姜 疆，宋海燕，范 闖

(江蘇省科學技術情報研究所，江蘇 南京 210042)

我國《節能與新能源汽車技術路線圖》指出，純電動汽車動力電池的比能量目標在2030年為500 Wh/kg[1]。當前采用三元正極材料和石墨負極材料的液態電解質動力鋰離子電池，比能量上限約為250 Wh/kg；而用硅基復合材料替代純石墨作為負極材料，液態電解質動力鋰離子電池的比能量上限約為350 Wh/kg[2]。固態鋰電池具有安全性高、循環壽命長、能量密度高等特點，成為研究熱點[3]。產業界認為：固態鋰電池產業化需通過半固態、固態和全固態等3個階段實現，預計耗時5～10 a[2]。由于我國在鋰離子電池產業鏈上的積累，繼續發展固態鋰電池較其他技術路線更具優勢和現實意義。專利是反映技術發展現狀和趨勢的重要信息來源，當前針對鋰離子電池[4]、燃料電池[5]和空氣電池[6]等專利分析較多，也有研究分析了無機固態鋰電池以及鈉硫電池[7-8]，針對固態鋰電池整體的專利分析研究還較少。

本文作者以固態鋰電池全球專利為研究對象，通過專利分析，揭示該領域當前技術創新特點和趨勢，為我國加速該領域的科技創新和產業化提供決策參考。

1 研究方法

采用科睿唯安公司德溫特創新在線數據庫(DI)，分析工具采用Derwent Data Analyzer(德溫特數據分析工具，DDA)及Excel。檢索截至2018年7月12日，檢索范圍為DI全球專利，分別通過重要專利權人和中國專利進行查全和查準檢驗，均超過80%，符合分析要求。由于專利公開存在18個月的滯后，分析時間截至點為2016年12月31日。

2 固態鋰電池全球專利整體態勢

2.1 固態鋰電池專利申請態勢及技術生命周期分析

固態鋰電池全球專利申請量19 618件，10 236個同族專利家族，發明專利申請10 797件，占總申請量的55.0% ，發明授權8 559件。從1918年有專利申請起，經過3個發展階段：停滯發展期(1918-1970年)，專利年申請量較低，均在30件以下；緩慢發展期(1971-2005年)，年均申請量237件，年平均增長率4.4%；快速發展期(2006-2016年)，年平均申請量1 015件，年平均增長率5.9%(圖1)。

從技術生命周期看，2009年前的申請量和申請人數量緩慢增加，屬于技術萌芽期。2009-2014年，申請量和申請人快速增加，進入技術成長期。2014年后申請量較為平穩，但申請人下降，技術集中度增加，進入技術整合期(圖2)。

2.2 固態鋰電池專利申請國家分布

總體看，日本、美國、中國、韓國以及世界知識產權組織、歐洲專利組織是專利申請最多的國家或地區，均超過1 000件，占全球總量的84.3%，其中日本最高，達6 624件，為第二美國的2.15倍。從時間變化看，20世紀60年代以后，以日本專利申請為主，但2010年后，美國、中國和韓國的專利申請量迅速增長，日本專利申請由最高占全球專利年申請量60.8%的1989年下降至2016年的19.2%(圖3)。

2.3 固態鋰電池技術分布

從同族專利的IPC技術布局看，33.9%的專利集中于H01M10/0562(電解質只有無機固態材料的非水電解質二次蓄電池)，其次是H01M10/052(鋰二次蓄電池)，占28.5%，第三位的是H01M10/0565(電解質只有高分子有機材料的非水電解質二次蓄電池)，占20.0%(圖4)。

從技術時間變化看，H01M10/0562、H01M10/052、H01M10/0525、H01M4/62(在活性物質中非活性材料成分的選擇的電極)、H01M10/0585(只具有板條結構元件構造的非水電解質二次蓄電池)同族專利增長較快，如H01M10/0562年平均增長13.0%(圖5)。由此可見，無機固態電解質材料、鋰離子二次電池、非活性材料成分的電極及電池結構是固態鋰電池發展的重點技術發展方向。

優先權國家或地區在一定程度上反映技術原創地的情況，從技術區域格局看，形成三大陣營：以中日韓為主的亞洲板塊；以美國為主的北美洲板塊；以德國、英國為主的歐洲板塊。日本占有優勢，專利申請占全球總量的47.1%(表1)。

表1 固態鋰電池技術原創國情況

固態電解質分為無機和聚合物固態電解質兩類，而無機固體電解質是重點突破方向之一。從H01M10/0562發展看，2006年出現第一個增長高峰，2006-2016年年平均專利申請增速達18.3%。日本特別是日本企業在該領域占據領先優勢，20世紀70年代起就開始相關研究，2012年起中國和韓國也相繼發力，增長較快(圖6)。

在前20申請人日本企業占據18個，豐田在全固態電池方面的同族專利數量遙遙領先，達638個，占該領域總量的18.4%，是第二位松下的2.2倍(圖7)。從H01M10/0562的技術主題分析看，固體電解質、正極以及負極出現頻率最高，固體電解質和電極界面研究是未來需要突破的重點之一[9]。

3 固態鋰電池主要專利申請人分析

3.1 專利申請人構成

固態鋰電池前20位專利申請人中，日本企業占11家，其中豐田申請量最多，達1 709件，是第二位松下的2.2倍。排名前10均為日韓企業，其中日本8家，韓國2家(表2)。

表2 固態鋰電池主要專利申請人

3.2 專利申請人專利全球布局

從申請量前10位的專利權人布局看，均進行了積極的海外專利布局，日本、美國、中國、韓國、歐洲是專利布局的重點國家或地區。豐田除本土申請外，在美國和中國申請數量最多，分別占專利申請總量的14.7%和12.9%(表3)。

表3 固態鋰電池前10專利申請人專利國家布局 /件

3.3 重點專利申請人豐田分析

豐田較早涉及固態鋰電池，1978年起開始專利申請，經歷停滯期后，2007年快速增加，是2006年4.6倍，達2007前總量的60.0%。2007-2016年，年均申請165件。

從技術布局看，主要涉及電解質材料、電池構造以及電極材料等。H01M10/0562專利申請數量最多，達638個同族專利家族，占該領域全球申請總量的18.4%，其次是H01M10/052，第三位的是H01M4/62 [圖8(a)]。從時間變化看，H01M10/0562、H01M10/052、H01M4/62、H01M10/0585是增長較多的技術，但近三年趨于平穩[圖8(b)]。

從近三年豐田專利技術分類變化看，H01M10/659(通過蓄熱或緩沖，如熱容或者液-固相變的與電池在結構上相結合的溫度控制裝置，4個)、C01D15/04(鋰的鹵化物，3個)、H01M6/40(印刷電池，2個)和C01B25/30(堿金屬磷酸鹽，2個)是首次出現且數量較多，通過溫度控制、材料改進、柔性制造等是豐田固態鋰電池技術發展的方向之一。

4 小結

本文作者分析了1918-2016年全球固態鋰電池領域專利數據，主要特點如下：①固態鋰電池從2006年進入技術成長期，形成三大板塊，以中日韓為主的亞洲板塊、以美國為主的北美板塊，以德國、英國為主的歐洲板塊，日本在該領域布局較早；②固態電解質材料2006年開始進入第一個快速發展期，日本企業全固態鋰電池具有領先優勢；③固態鋰電池全球專利申請前10位均為日韓企業，豐田優勢突出。

鑒于目前的形勢，本文作者提出建議：創新我國產業關鍵技術突破的組織模式，加大資金投入，聯合企業、高校和科研院所等多方力量，共同攻關；要加速技術成果轉化進程，鼓勵企業通過兼并海外優勢研發機構、企業等方式，加速產業化。