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锂离子电池负极材料中国专利分析
作者:        浏览次数:144        时间:2016-12-28 22:58:23
    随着便携式电子设备和电动汽车的高速发展,人们对高能量、长寿命和高功率锂离子电池的需求不断增加,而负极材料作为锂离子电池重要组成部分,直接制约着锂离子电池的电化学性能。目前,市场上普遍应用的负极材料主要为碳材料,然而,碳材料的理论比容量仅为372mAh/g,已远远不能满足实际的应用需求。开发新的高容量锂离子电池负极材料显得极为迫切和重要。随着市场需求的变化,负极材料的科研投入也在不断加大,市场份额逐步在全球范围内改变和扩大。
  锂离子电池负极材料主要包括碳材料、合金化金属材料、金属氧化物及以上材料的复合物等材料。当前开发和使用的碳负极材料主要有石墨、软碳、硬碳;合金化金属材料主要指 Si,Sn、Bi、Al等金属,此类材料的理论比容量一般在1000 mAh/g以上,具有较大的应用潜力;常见的金属氧化物负极材料有Fe2O3、SnO2及Co3O4等。但是目前商业化生产的负极材料仅有碳材料,原因在于碳材料结构稳定、电化学性能优、价格低廉、安全性高。
  科研的投入固然重要,然而对锂离子电池负极材料的发展大局的掌握更为迫切。只有了解市场的发展状况及技术成熟度,才能把握方向,抓住发展机遇。 本文从锂离子电池负极材料中国发明专利入手,通过对专利申请趋势、专利技术布局、重点申请人等指标来分析负极材料的发展情况、专利的技术分布概况及申请人的科研实力等,为公司后续发展及科研投入提供信息支持和参考。
  专 利 检 索 数 据 库
  本文采用的锂离子电池负极材料技术专利分析数据来源于中国国家知识产权局的ISTIC专利分析数据库,利用主题词检索方法,采集1985年09月至2014年09月相关发明专利样本,经过计算机检索和人工筛选,得到1353项检索结果,将其作为本次专利分析的基本数据。通过构建专利申请趋势、 重点申请人等信息指标对专利信息进行分析。数据检索日期2015年01月。由于中国发明专利申请公布一般是在申请日后18个月,所以2013年和2014年申请的专利数据仅作参考。
  专 利 技 术 发 展 趋 势
  锂离子电池自1992年经日本Sony公司商业化后便开始迅速发展。2000年以前,世界上的锂离子电池产业基本掌握在日本手里。近年来,随着中国和韩国工业技术的崛起,日本一枝独秀的局面逐渐被打破。
  2003年之前,专利申请及公开数量增长缓慢,此阶段日本独占整个锂离子电池市场,中国在该领域的技术处于起步期。2003年以后,锂离子电池负极材料的专利申请量不断增多,这是由中国锂离子电池市场份额提升、大众需求扩大及国内科研投入力度加大所带动的。2009年被认为是分水岭,从这一年开始,负极材料专利申请及公开数量得到大幅增长,这与电池行业的发展息息相关。2009年起,智能手机和电动汽车得到了不断推广,它们对电池的容量要求更高,而市场上的负极材料不能满足需求,促使负极材料的科研投入加大,专利申请量达到一个巅峰。发展至2012年时, 智能手机进入相对平稳的发展阶段,加上经过前四年的技术储备,负极材料的专利数量已达新高,技术普及明显。2013年以后,专利申请及公开数量发展平缓,到2014年可能会出现下降的趋势,此时, 技术瓶颈成为大的制约,亟需创新突破。
  国 家 和 地 区 竞 争 分 析
  专 利 申 请 国 家 分 布
  专利申请量在一定程度上反映出各个国家对该领域的战略部署及技术水平。在中国,该领域申请量较大的国家为中国和日本,符合目前的市场情况,两国申请量约占总申请量的98%,表明中国和日本的研发实力较强,且该领域技术集中程度高。另外,也说明日本重视我国国内市场,注重技术保护。
  我 国 各 省 份 专 利 分 布
  专利申请量较高的省份集中在广东、北京、上海、浙江,占总申请量的56%。负极材料 专利申请量较高的省份,其共同之处在于它们都是电池生产企业和名校的聚集地。广东省内有众多锂离子电池负极材料生产商,如贝特瑞、比亚迪、东莞新能源、比克电池等,这类企业的存在大大提高了广东省在该领域的专利申请量。北京汇聚了科研能力较为突出的知名高校,如目前清华大学和北京科技大学在此领域的专利申请量已分别达到31件 和30件。上海市仅复旦大学的专利申请量就已达到31件,浙江省情况与其类似,浙江大学的申请量达60件,同时上海和浙江还有多数企业参与锂离子电池负极材料的研发,申请了大量专利。
  重 点 专 利 权 人 技 术 竞 争 分析
  重 点 高 等 院 校 专 利 权 人 分 析
  按照专利申请情况,重点高等院校可以被分为3个梯队:60件专利的浙江大学、申请量30件左右以及申请量小于20件的大学。
  目前各大高校的研究重点都集中在材料的改性方面,包括对材料形貌及组成的控制等。而锂离子电池负极材料广泛应用的仍然是碳材料,但是碳材料理论比容量较低,限制了它的进一步应用。金属氧化物及硅类材料具备高的理论比容量,电导率却较低。近来的研究热点为制备金属氧化物或硅材料与碳材料的复合材料,使得复合材料既具备金属氧化物或硅材料的高比容量,同时又具备碳材料的高导电性。研究各个高等院校申请的专利,近几年申请的专利材料主要为各类金属氧化物与石墨烯的复合材料。硅材料是这两年新兴的负极材料,目前还处于研究的初期,各个高校也都开始关注并研究硅类材料,目前已出现了一些硅类负极材料的专利。当前硅类负极材料已是研究的一大热点,将来也必将是锂离子电池负极材料专利申请的热点之一。
  重 点 企 业 专 利 人 分 析
  对企业专利申请人进行分析,得到国内排名前十的重点企业专利申请情况。专利申请量排名前三的企业分别为上海杉杉科技、深圳贝特瑞及比亚迪。上海杉杉科技拥有负极的中间相炭微球技术,且该技术已延伸并生产出一系列产品。结合各个公司的市场情况及专利申请量可知,只有掌握了关键技术,才能进一步巩固企业的市场地位。深圳贝特瑞是国内锂电池碳负极材料标准制定者,其市场占有率达80%,处于锂离子电池负极材料的研发前沿,代表着石墨深加工的方向,推出了一系列高容量负极材料。
  此外,对比排名前10的重点高校和企业的专利申请数量,发现高校的申请量普遍大于企业。虽然当前市场上负极材料的生产商不计其数,然而高校仍旧是锂离子电池负极材料的科研主力,未来通过高校的科技创新,必能突破当前锂离子电池发展的瓶颈。
  对排名前三的企业专利申请方向进行了分析,进而了解三大企业的专利技术布局及技术侧重点,三大公司的研发重点基本一致,主要集中在碳材料、复合金属氧化物及锡/硅类复合材料,碳材料类及锡/硅类复合材料的研究成果要远远大于复合金属氧化物。
  专利申请量的分布在一定程度上反映出各个公司的技术布局,三大公司都比较重视碳材料及锡/硅类复合材料的研发,碳材料的研发成果更多,原因在于碳材料还是当前商业化负极的主流材料,短期内难以被其他负极材料取代,企业只有不断在碳材料方面投入研究,优化碳材料性能,才能保证企业在市场中的地位屹立不倒。锡/硅类复合材料是当前的研究热点,也是有潜力替代碳材料的新一代负极材料,各个企业在此方面的投入相当于是在抢占未来市场。
  结 语
  通过检索和分析锂离子电池负极材料的中国发明专利数据,得出锂离子电池负极材料的技术发展趋势及市场竞争情况。分析表明:
  经过几年的持续增长,当前专利申请趋势放缓;
  不同国家在我国的战略技术布局不同,其中,日本为重视我国国内市场及技术保护;
  国内负极材料生产技术集中程度高,主要集中在广东、北京、上海、浙江四省市;
  高校和企业在负极材料领域投入了大量研发精力,并取得了较大进展,其中高
  校浙江大学已申请专利60件,企业上海杉杉科技有限公司申请专利45件;
  企业和高校的研发侧重点不同,这是由两者的目标导向不同造成的。
  日后,随着电动汽车等消费品的不断推广,市场会对锂离子电池提出了更高的挑战,而锂离子电池负极材料的性能对于整个电池容量的发挥起着至关重要的作用,只有实现负极材料的容量突破,才能真正意义上解决当前锂离子电池的问题。经过专利分析也可以看出,关键技术的掌握与企业市场地位息息相关,新公司若想取得发展,必须得从技术入手,掌握关键技术才能掌控市场。
  作者系(中国科学技术信息研究所,万方数据股份有限公司)
  王仙宁 凌锋 潘薇 刘会景
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