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中国石墨烯储能材料产业专利分析

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  石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料,在2004年由英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫的研究小组在实验中首次制得,石墨烯的发现者也因此获得2010年的诺贝尔物理学奖。

  石墨烯作为一种新型的二维纳米材料,是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体。它的发现,充实了碳材料家族,形成了从零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系。石墨烯是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性最好的新型材料,被称为“黑金”“材料之王”,成为世界主要科技国家争相研究的技术。本文基于我国石墨烯储能材料的专利分析,以期为相关企业的发展提供参考。

  “材料之王”走热应用前景广阔

  石墨烯具有优异的储能性质,在储能材料领域展现出广阔的发展前景。与其他碳材料相比,石墨烯具有超高的电导率、更加灵活的空间构筑特性和优良的化学稳定性、更加优异的电荷储存性能。石墨烯在储能材料中的应用主要集中在电池领域和超级电容器领域。

  根据中国石墨烯产业技术创新战略联盟的预测,到2020年,石墨烯在新能源领域的锂电池和超级电容市场规模将突破534亿元。石墨烯在锂离子电池中的应用比较多元化,目前已经实现商业化,如用在正极材料中作为导电添加剂,来改善电极材料的导电性能,提高倍率性能和循环寿命;在超级电容器领域,目前,我国已经实现石墨烯超级电容器的投产,技术上已经完全可以实现石墨烯超级电容器的生产。

  与发达国家相比,我国在石墨烯领域的研究起步较晚,但在近些年的努力下,我国全球石墨烯产业综合发展实力位列全球第3位。目前,我国石墨烯产业已初步形成“一核两带多点”的格局,全国各地在建或已建的石墨烯研究院或产业基地已超过20家,已经基本形成以长三角、珠三角和京津冀鲁区域为聚合区,多地分布式发展的格局,产业化势头强劲。

  促进产学研用借鉴外企经验

  国内最早提交涉及石墨烯储能材料的专利申请是在2006年。从2010年开始,受石墨烯研发人员获得诺贝尔物理奖的启发,国内石墨烯储能材料专利申请数量迅速上升,并一直保持快速增长的趋势。尤其是2016年和2017年,这两年的石墨烯储能材料相关专利申请量均超过500件,占近10年该领域专利申请总量的一半,可以预见,未来几年仍会处于快速增长阶段。

  石墨烯储能材料在华的相关专利申请中,中国是最大的技术来源国,占该领域专利申请的95%,其余的为美国、韩国、日本、澳大利亚、加拿大和欧洲等国家和地区在华专利申请。这说明中国在储能材料领域对石墨烯研究的关注度极高,这与近几年我国大力发展新能源、新材料技术密不可分。这些数据表明,国外仅有少量的相关专利技术进入中国,为国内石墨烯储能材料技术研发提供了很好的发展契机。

  在石墨烯储能材料领域,我国专利申请排在前十名的申请人仅有三个是企业申请人,分别是海洋王照明科技股份有限公司(下称海洋王)、广东烛光新能源科技有限公司和纳米新能源(唐山)有限责任公司,其他专利申请人均为高校或科研院所。此外,企业和科研院所联合提交的相关专利申请较少,这在一定程度上反映出国内该领域技术的研发仍然是由科研院所主导,企业和科研单位的合作不足。对此,笔者建议,国内企业要想在石墨烯储能材料领域实现快速发展,要加强产学研合作,促进石墨烯储能材料技术研究与产业化开发的有机衔接。

  在科研院所中,中国科学院是国内石墨烯储能材料领域提交专利申请最多的一个,涉及技术包括电池组、电容器等石墨烯功能器件和石墨烯及其复合材料的制备,且材料的制备是其专利申请的重点。值得一提的是,中国科学院的相关专利申请全部在国内布局,缺少海外布局,而且与企业或其他科研单位联合申请的专利也很少,这反映出中国科学院在与企业合作和专利技术产业化方面还有待进一步加强。

  海洋王是国内石墨烯储能材料领域企业申请人中最为突出的一个,其涉及石墨烯储能材料的专利申请,主要集中在2011年至2013年,其中2012年是其相关专利申请高峰期,以石墨烯及其复合材料的制备为其专利申请的重点。从专利布局来看,海洋王石墨烯储能材料技术的专利布局主要集中在中国,缺乏海外专利保护、开拓海外市场的意识。

  该领域在华申请的国外申请人中,韩国三星是石墨烯锂离子电池技术领域的领导者,具有较强的研发能力和经济实力。三星在电池领域的专利申请主要集中在电极上,拥有石墨烯锂离子电池电极材料的核心技术,这与三星主营手机等电子产品的开发有关,也与石墨烯锂离子电池电极良好的应用前景有关。值得注意的是,三星在世界各主要国家同时进行石墨烯锂离子电池领域的专利布局,此外,其还积极寻求与重点专利企业合作,进行交叉许可,构建专利池,收购经济实力较弱企业的重要专利,以完善自身专利布局。

  由此可见,中国科学院、海洋王和三星在技术领域上各有侧重,但相比较而言,目前我国石墨烯储能材料技术研发仍然存在重制备轻应用的问题。

  笔者建议,对于国内企业而言,应做好以下几方面:在产业方面,要加强产学研合作,促进技术研究与产业化的有机衔接,大力开发石墨烯产业链下游产品;在技术方面,重点突破以大规模、低成本、高质量为特征的石墨烯制备技术,实现石墨烯大规模产业化,在此基础上,大力发展石墨烯高端技术,提高企业核心竞争力,比如在石墨烯电池领域,可以重点研究如何利用制备方法和电极材料来优化充放电、延长使用寿命、增加电容等;在专利布局方面,相关企业应增强专利保护意识,重视在其他国家进行专利布局,以扩大市场范围。(任莹莹 张德强)

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