鋰離子動力電池正極材料在中國專利申請情況分析

陳文福

(惠州市超越知識產權代理事務所（普通合伙），廣東 惠州 516000)

隨著社會和科技的高速發展，我國對能源的需求量日益增加，石油等不可再生化石能源的供給量和需求量之間的供需矛盾日益凸顯，同時化石能源對環境的傷害也越來越大，急需新能源和“低碳經濟”等來填補空缺。鋰離子動力電池作為重要的清潔動力源，在近些年已經逐漸應用到了包括電動汽車在內的各個領域，展現出了巨大的發展潛力[2]。鋰離子動力電池的正極材料是其中的關鍵材料，其發展直接影響鋰離子電池的能效及應用，目前主要的正極材料包括鈷酸鋰，錳酸鋰，鎳鈷錳酸鋰，磷酸鐵鋰，富鋰錳基材料和三元材料等。另一方面，專利是反映創新能力和創新速度的重要指標，因此本文將對鋰離子動力電池正極材料相關專利在中國申請情況進行分析，以揭示該技術在中國的發展趨勢[1]。

本次研究是在中華人民共和國國家知識產權局專利檢索平臺和SooPAT 專利檢索網站中，根據鋰離子動力電池正極材為研究對象對相關專利進行檢索，檢索時間為2019 年5 月25 日，經過整體統計，在該時間段內在華申請相關專利數總量為8514 件，申請人數為2166 人，平均每人專利數為3.93 件；發明人數為10849 人，平均專利數0.74 件；大組數為258 件，平均專利數25.02件；整體上對鋰離子動力電池正極材料的專利數呈上升趨勢。由于2019 年全年數據還不完整，因此本文將以2000 年至2018 年符合要求的專利文獻和數據作為樣本進行重點分析。

1 年申請量變化趨勢分析

鋰離子動力電池正極材料相關專利在華申請數量隨時間變化趨勢如圖1 所示，2000 年到2006 年，每年的相關專利申請數從10 件開始緩慢增長，持續到2006 年的97 件，到2007 年，相關專利申請數開始有較大幅度地增加，數量突破100 件，相比2006 年增幅達57.73%。2011 年的增幅達到最大，相比2010 年增加了91.87%。但是從2011 到2012 年，以及2013 到2015 年，專利申請數量不增反降，原因可能是由于專利申請延遲公開，導致數量下降。此后幾年相關專利申請數量持續增長，并于2016 年申請量突破1000 件。從申請數量的發展趨勢可以看出，在2007 以前，關于鋰電池正極材料相關研究并不多，且相關技術還很不成熟；2007 年之后，我國越來越重視鋰離子動力電池技術，并逐漸加大對其正極材料相關理論的研究，因此相關的專利數量有較大幅度的增加；最近5 年的專利申請數量占整體申請量的50.29%，這反映出在最近幾年鋰電池的發展更為迅速，相關應用也越來越多。

圖1 鋰離子動力電池正極材料相關專利在華年申請數量隨時間變化趨勢

2 申請國家分布情況分析

在所有申請的專利中，包括來自各個國家的申請，申請國家分布如圖2 所示。從圖2（a）可以看出，中國國內申請人提交的相關專利申請數量要多于國外申請人提交的申請，共提交申請了5687 件專利，占所有專利申請數量的67.8%，而國外申請人提交申請了2827 件專利，占所有專利申請數量的33.2%。在2000 年至2003 年期間，日本在中國的相關專利申請量超過其他國家，而在此之后，國內申請人提交的年專利申請量迅速增加，趕超了日本，這表明日本在早期鋰離子動力電池領域是處于絕對領先地位的，而后受到包括中國在內的全球國家的激烈競爭，其統治地位不復存在。但是在國外申請人提交的申請數量中，日本還是占比最大的，如圖2（b）所示。國外申請的國家主要有日本、韓國、美國、德國等國家，日本的申請數量為1781 件，占國外申請數量的63%。這說明在鋰離子動力電池正極材料的發展中，日本還是擁有較強的實力。而我過經過近些年的高速發展，在相關技術領域已經取得了很大進步，并且目前依然保持良好的發展態勢。

圖2 鋰離子動力電池正極材料相關專利申請國家分布情況

3 申請人情況分析

圖3 為排名前十的申請人情況，其中排名前四的都是中國國內申請人，其中中南大學最多，申請量為167 件，占全部申請量的1.75%；第五位是日本的三洋電機株式會社，申請專利數為82件，占全部申請量的0.86%，這也是排名前十位的申請人中唯一的國外申請人。除了排名前兩位的申請人，其他的申請人所申請的專利量占比均不足1%。從圖3 中的統計看出，我國國內申請人中，有3 個是高校，其余6 個是企業，雖然高校的排名都比較靠前，但是企業在相關專利的申請數量已經超過高校；而在2011 年之前，國內申請人中57%高校，9%為科研單位，企業申請僅占29%。這說明經過近些年的發展，我國在鋰離子動力電池正極材料領域取得了突破，已經從理論研究階段（研究主體為高校和科研單位）向應用階段（研究主體為企業）發展。

圖3 鋰離子動力電池正極材料相關專利申請人情況

4 正極材料類別發展方向分析

我們對鋰離子動力電池正極材料類別進行統計分析，如圖4 所示。圖4 中看出磷酸鐵鋰的相關專利數量最多，達到2637 件，占總量的30.97%，這跟我國國內前期對磷酸鐵鋰的研究熱潮相關，其中比亞迪股份有限公司的磷酸鐵鋰材料相關專利數量最多，也跟該企業的發展方向有關[3]。近些年國內企業對三元材料（例如鎳鈷錳三元材料，鎳鈷鋁三元材料等）的研究越來越多，因此三元材料的相關專利數量在近幾年增長迅速，目前總數量僅次于磷酸鐵鋰材料。

我們對鋰離子動力電池正極材料在中國的申請專利所在行業按比重進行分析，排名第一的是H 電學，專利數量占所有專利數的77.73%；第二是C 化學、冶金，占比為14.90%，其它行業的專利數量均不足1%。由此我們可以看出，對鋰離子動力電池的正極材料的研究主要集中在電學和化學方向。

圖4 鋰離子動力電池正極材料類別分布圖

5 結論及建議

正極材料是引發鋰離子電池安全隱患的主要原因，尋找熱穩定性較好、能量密度高的正極材料是鋰離子電池的關鍵。正極材料主要有鎳酸鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元正極材料。而我國鋰離子動力電池正極材料相關專利主要集中于磷酸鐵鋰和三元正極材料，近幾年國內外對于三元材料的研發投入均處于快速增長階段。究其原因，是由于電動車產業的迅速發展，對動力電池的容量性能提出了更高的要求，雖然磷酸鐵鋰電池在循環穩定性及成本上有較大的優勢，但其容量和能量密度卻限制其進一步發展，相比磷酸鐵鋰，三元材料在此方面更勝一籌。但總體來看，國內申請人針對三元材料的投入相對欠缺，行業集中度較低，缺乏核心領導力，相較于國外申請還具有相當的差距，為此，本文作者從專利角度給出以下幾點參考性建議：

1）注重三元材料安全性問題，提升核心競爭力。目前，三元材料主要存在的問題有以下幾方面：①循環性能不高；②產氣現象較嚴重，安全性不高：③由于鈷資源稀缺，價格居高不下，三元材料相對于鎳酸鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰成本較高。目前，解決上述問題的主要手段有原子摻雜、表面包覆、與其它種類活性材料混合、改進制備方法等手段。圖5 為摻雜、包覆、混合等技術手段在三元材料改性上的專利申請分布圖。

圖5 三元材料改性相關專利申請統計

從圖5 可以看出，由于與其它種類活性材料混合這一技術手段可以改善三元鋰電池的循環性能、倍率性能和首次充放電性能，因此其專利申請量占絕對優勢，這說明在目前三元材料的研發中，其主要著眼點為提高其電化學性能。而針對三元材料的安全性的材料改性專利申請量較低，可見在提高安全性方面還沒有得到有效的技術突破。目前針對三元材料的安全性進行材料改性的專利申請并不多，特別是國外重點申請人圍繞三元材料的安全性專利布局還沒有形成完善體系，發展空間很大，國內申請人可以將三元材料安全性作為重點研究方向。

2）我國與日、韓等鋰電強國相比，雖然在專利申請數量上已呈現出趕超之勢，但在核心技術的競爭中仍處于劣勢，鋰電池基礎材料的核心專利大多被國外巨頭掌握。最早的三元材料制備專利是日本電池株式會社于1997 年申請的采用共沉淀法制備的NCA 三元材料和NCM 三元材料。美國IIion Technology 公司在2001 年申請采用固相法制備NCM 三元材料的專利，3M 創新公司的美國專利US6964828B2 中公開的NCM 制備方法可控制NCM 三元材料中中Ni 的含量，從而顯著提高了三元材料的性能，成為三元材料的基礎核心專利，至今制約著中國鋰電行業內三元材料的發展[4]。因此目前三元材料的制備方法主要有共沉淀法和固相法，目前也是大規模生產優選的方法。由于基礎核心專利屬于外國公司，因此國內申請人的專利布局應可以將三元材料新的合成方法和基于現有方法的改進作為主要方向。目前全球三元材料制備方法的專利仍主要集中在共沉淀法、固相法和溶液相法，并且這幾種方法制備的三元材料類型仍主要是NCM 三元材料，而噴霧熱解法、模板法、溶液相法、溶劑熱法和靜電紡絲法等新型合成方法的專利申請量不多，新的合成方法以及合成NCA 的方法專利發展空間很大，因此國內申請人可以多關注新興方法的專利申請。在現有的合成技術改進方面，三星SDI于2002 年申請的專利公開了一種采用現有合成方法制備磷酸鋁包覆的NCM 三元材料的方法，大大提高了其容量、循環壽命和熱穩定性，打開了三元材料合成方法的新思路。國內企業可以基于現有的三元材料合成技術，通過優化其合成工藝參數以及增加改性工藝，制備性能更好的三元材料并申請相關專利。

3）注重知識產權保護，提升專利申請質量分析。國內申請人應當積極組建自己的專利團隊，提升專利撰寫水平，并積極進行專利布局，尤其是海外專利布局，為今后在國際市場上的發展打好基礎。國內企業一方面應該繼續加強研發投入，增強自身核心競爭力，同時也可另辟蹊徑，在一些國外同行較少關注的細分領域進行布局，例如通過三元鋰電池回收得到稀缺資源鈷從而降低三元材料的成本，而涉及三元材料成本降低的專利申請非常少，相關技術非常欠缺，因此，這對國內企業來說，可以在鋰電池回收處理方面進行布局。

綜上所述，鋰離子動力電池正極材料相關專利在華申請數量正穩步增加，并且國內企業申請人占大部分，這表明我國越來越重視鋰電池的發展，同時在鋰電池正極材料方面也取得了很大進步，正在從基礎研究向應用研究發展；另一方面國外申請人在華申請的相關專利數量也逐年遞增，這說明我國的巨大市場正吸引著來自全球各國的企業，鋰離子動力電池正極材料在華的研究也越來越深入，未來將研發更多新型材料，并在我國實現應用。