超級電容器的專利趨勢分析

王 佳， 潘宗誠

(嶺南師范學院 圖書館， 廣東 湛江 524048)

超級電容器(super-capacitor)是介于普通電容器和化學電池之間的一種新型電能儲存裝置，主要包括電極、電解質、集流體和隔離物4個部分。20世紀60年代，世界上出現了超級電容器，到了20世紀70年代末80年代初，出現了大規(guī)模商業(yè)化生產超級電容器的形勢。中國的超級電容器技術開發(fā)起步較遲，從20世紀80年代開始，相關的企業(yè)、高等院校和科研院所陸續(xù)開展與超級電容器相關的研究工作。到了20世紀90年代，混合電動轎車迅速發(fā)展，作為電動轎車的主要電能存儲單元，超級電容器越來越受到人們的關注[1]。相較于傳統(tǒng)的電容器，超級電容器具有更明顯的優(yōu)勢。優(yōu)勢1:高效。它擁有超大的電容量、超寬的工作溫度范圍，能夠快速充電、放電。優(yōu)勢2：實用。它的使用壽命極長，不用經常維護。優(yōu)勢3：環(huán)保。與傳統(tǒng)蓄電池相比，它對環(huán)境友好，不產生二次污染。因此超級電容器的出現為電能的儲存提供了一種很好的解決方案[2-3]。

超級電容器作為大功率的二次物理電源，從面世以來，經過不斷研發(fā)升級，如今已經具有綠色環(huán)保、使用壽命長、充放電效率高、免維護等市場優(yōu)勢。目前超級電容器在國防軍工領域和民用領域的用途十分廣泛，有力地促進了國民經濟的發(fā)展。“十二五”期間，中國科研人員突破了超級電容器大規(guī)模生產的關鍵技術，相關產品已經在軌道車輛等方面得到應用?？v觀近年來中國在超級電容器領域的發(fā)展脈絡，雖然取得了一些成績，但是依然存在很多亟待解決的問題，比如戰(zhàn)略布局不夠全面、研發(fā)集中度不高、關鍵核心技術受制于人等[4-7]。究其原因，一方面是合作機制不夠完善，基礎設施服務體系不健全，技術合作平臺搭建存在較大困難；另一方面是許多關鍵的技術仍然為外國所壟斷，產業(yè)的許多核心技術尚待自主突破。

1 專利地圖、TRIZ理論

1.1 專利地圖

專利承載了技術，因為它涵蓋了最多、最新的技術信息。如果研發(fā)機構能夠有效地利用已經公開的專利信息，能使其技術研發(fā)周期縮短約6成，節(jié)約約4成的科研經費投入。為充分利用公開的專利技術信息，獲得技術發(fā)展的脈絡與趨勢，專利地圖便隨之出現。專利地圖(patent map)就是利用在政府部門公開的專利信息網中檢索到相關專利的信息數據，按照事先設定的條件篩選、加工整理、歸納和系統(tǒng)分析，以數據的形式歸類到相應的圖表之中，可供人們分析、研究的一種統(tǒng)計分析策略。研發(fā)機構通過對專利地圖相關技術分布的對比分析以及對競爭者專利技術分布情況進行研判，可以對技術發(fā)展進行比較準確地預測和判斷，從而獲得可利用的技術動態(tài)、技術現狀、發(fā)展趨勢等技術情報信息，為科研單位技術研發(fā)水平的進步指明前進的方向。專利地圖通常包括歷年專利申請動向圖、技術生命周期圖、專利平均年齡圖、專利排行榜表、IPC(國際專利分類)分析圖。專利地圖在制作之前應該明確研究課題的界定、分析的目的，確定數據的檢索范圍、檢索年限以及檢索的內在邏輯關系。

1.2 TRIZ理論

TRIZ理論，即發(fā)明問題的解決理論，1946年由蘇聯的天才發(fā)明家和創(chuàng)造創(chuàng)新學家G.S.Altshuller提出。他通過分析大量專利的內涵、特點以及發(fā)明專利者的思維過程，發(fā)現了創(chuàng)新之間是有關聯的、有相同的一些地方，他把相同的部分歸納總結到一起，后來逐漸形成了TRIZ理論。該理論認為:分析大量好的專利，提煉出問題的解決模式，就能夠學習這些模式，創(chuàng)造性地解決問題。TRIZ技術系統(tǒng)進化論包括8個進化法則，運用這些法則可以解決技術難題，預測技術系統(tǒng)的發(fā)展，同時還可以產生并加強創(chuàng)造性問題的解決。實踐表明，有效地運用TRIZ理論，可大大加快人們發(fā)明創(chuàng)造的進程，并且能獲得更高品質的創(chuàng)新型產品。

2 超級電容器技術分析及其預測流程

本文通過反映專利關鍵技術突破時間的形式展現其技術預測成果。結構上采用二維平面模式，集中展示技術發(fā)展脈絡與產業(yè)現狀、技術研發(fā)基礎、市場未來走向等不同因素的關系。流程如下：

1)收集資料。通過網絡搜索關鍵詞條收集有關超級電容器的信息，如中國知網、搜狗百科等；同時利用學校圖書館資源，收集、查閱、整理相關文獻資料。

2)情景分析。對超級電容器產業(yè)在經濟社會中所處的階段、競爭優(yōu)劣、技術水平、市場要求、發(fā)展現狀以及發(fā)展目標等方面進行整理分析。

3)專利分析。對超級電容器專利技術進行分析。①專利檢索。確定關鍵詞，在廣東省知識產權公共信息綜合服務平臺公開的數據庫中對技術專利進行檢索，并且下載整理相關數據信息。②制作專利地圖。按照一定的標準對前面檢索和篩選過的專利數據進行歸類，最終繪制出對應的專利地圖。

4)TRIZ進化路線分析。全面而準確地分析之前所繪制的專利地圖，根據TRIZ理論進化法則給專利技術選擇合適的進化路線，對技術發(fā)展趨勢進行預測，實現超級電容器技術的預見。

3 超級電容器研發(fā)現狀以及趨勢分析

3.1 市場現狀

超級電容器興起的時間不長，但隨著人們節(jié)能環(huán)保意識增強，人們對超級電容器等綠色清潔能源的需求越來越多，促使超級電容器在短時間內的發(fā)展極其迅速。隨著科技不斷的發(fā)展，超級電容器性價比逐步提高，使用壽命更長，更具市場競爭優(yōu)勢，成為新形勢下改善和解決電能動力應用的理想元器件?，F階段國內的生產規(guī)模遠無法滿足國內市場的需求，所以較多用戶還是通過購買進口產品來滿足需要。在市場需求迅速增長的強力推動下，中國一些公司也開始積極涉足這一產業(yè)，國內現有的超級電容器生產企業(yè)正積極融資擴產，并已經具備了一定的技術實力和產業(yè)化能力。比如，目前在卷繞型和大型超級電容器方面，中國產品的技術水平與國際接近，市場份額較為理想。超級電容器代表未來新能源技術發(fā)展方向，未來的應用方向在新能源汽車、清潔能源領域。

3.2 產業(yè)技術目標

2017年9月，國家發(fā)改委、財政部、科技部等五部委聯合頒發(fā)的《關于促進儲能技術與產業(yè)發(fā)展的指導意見》提出，未來10年內，以超級電容器為代表的儲能技術的發(fā)展目標分兩個階段落實，第1階段：實現儲能由研發(fā)示范向商業(yè)化初期過渡；第2階段：實現商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉變?！笆濉逼陂g，主要儲能技術達到國際先進水平；初步建立儲能技術標準體系，形成一批重點技術規(guī)范和標準?！笆奈濉逼陂g，形成較為完整的產業(yè)體系，全面掌握具有國際領先水平的儲能關鍵技術和核心裝備，部分儲能技術裝備引領國際發(fā)展。

3.3 技術研發(fā)基礎

中國在超級電容器研制領域起步較晚。目前，從事超級電容器研發(fā)比較有實力的廠家和科研院所有幾十家，國內大多生產液體雙電層電容器，如錦州富辰公司、上海奧威公司等。隨著中國超級電容器技術的不斷進步，國產超級電容器的性能得到突破，高端產品將逐步實現國產化?！笆濉逼陂g，中國科學家在863計劃先進能源技術領域的新型超級電容器方面，突破了研發(fā)高能量密度、高功率密度、長壽命超級電容器的技術瓶頸，研制出了多孔石墨烯、高耐壓電解質鹽和電解液、纖維素隔膜等材料，開發(fā)了干法制備電極片中試技術，突破了超級電容器產業(yè)化的核心技術，產品已在機械能回收、超級電容器軌道車輛方面得到應用。

目前國內在超級電容器方面從材料、器件到系統(tǒng)集成已形成核心技術體系，改變了超級電容器在“十一五”期間由國外產品壟斷的局面。上海奧威公司開發(fā)的“車用超級電容器”，在技術水平上較為先進，某些性能已經超過了國外同類產品。國內相關單位積極研發(fā)，研制成功世界首列超級電容有軌電車和客車，并在軌道交通和公交系統(tǒng)領域投入了運營。中國中車株洲電力機車有限公司自主研制了新一代大功率石墨烯超級電容，經專家組評審認定，其代表了目前世界超級電容單體技術的最高水平。

4 專利篩選、專利地圖制作

4.1 專利篩選

本文從廣東省知識產權公共信息綜合服務平臺獲得所研究的超級電容器技術專利數據，為確保專利數據的科學性，以“超級電容器”“雙電層超級電容器”“法拉第準電容”“贗電容型超級電容器”“混合型超級電容器”“非對稱型超級電容器”為關鍵詞，選定中國專利進行收集整理數據。將檢索時間確定為2000年1月1日至2017年12月31日，時間跨度為18年。根據設定的條件，一共檢索出相關有效專利信息5 042條。

4.2 專利地圖制作

4.2.1 歷年專利量申請動向圖

歷年專利申請量動向圖常用柱形圖表示，如圖1所示。從圖1可看出：2000年以來，中國有關超級電容器的專利技術從無到有，申請量總體上呈逐年增長的態(tài)勢，較2016年，2017年的專利申請量稍有回落的跡象。2000—2006年這7年間，超級電容器技術的發(fā)展還處于萌芽階段，每年的專利申請量均不足100項。隨著環(huán)保意識的提高，人們逐漸意識到傳統(tǒng)的能源結構對環(huán)境的破壞越來越嚴重，政府積極扶持發(fā)展綠色能源，其中就包括清潔電能。超級電容器作為新型的電能儲存元器件，超級電容器產業(yè)迎來大機遇、大發(fā)展，企業(yè)、科研院所以及中國的高校紛紛加入技術研發(fā)的行列中，中國超級電容器專利申請量迅速增長，2016年全年達到1 219項，約為10年前專利數量的11倍，專利數量規(guī)模龐大。這說明了各大研發(fā)機構對超級電容器技術的科研投入不斷加大，技術創(chuàng)新能力不斷提高。

圖1 2000—2017年中國超級電容器專利技術申請量

4.2.2 技術生命周期圖

技術生命周期圖常用折線圖表示，透過技術生命周期圖可發(fā)現產業(yè)所處的技術生命周期狀況，根據專利申請量與專利申請人數量的變化關系，繪制出2000—2017年中國超級電容器專利技術生命周期圖(圖2)。從圖2中可以看出，2000—2005年是國內研發(fā)超級電容器的起步階段，屬于萌芽期，這個階段的研發(fā)主體比較單一，專利申請量很少。2006—2016年，中國超級電容器專利申請量與專利申請人數量基本呈直線上升趨勢，幾乎沒有行業(yè)引入期的平緩發(fā)展階段，也沒有過多的增長拐點，始終在專利申請量與專利申請人數量之間保持相對穩(wěn)定增長的發(fā)展態(tài)勢。因此，2006—2016年，中國超級電容器專利的申請一直處于專利生命周期的發(fā)展期，這個階段，超級電容器技術的研發(fā)向著橫向和縱向發(fā)展，技術不斷得到突破，市場逐步擴大。需要說明的是，最后一個點的趨勢不作為參考，因為最后一個點計數范圍只有 2016年和2017年，而專利從提出申請到公開有18個月的滯后期，故2017 年申請的專利還有部分未公開，不能反映專利數量和申請人數量的實際情況。

圖2 2000—2017年中國超級電容器專利技術生命周期圖

4.2.3 專利研發(fā)主體地域分布圖

江蘇省、上海市、廣東省、北京市占據中國超級電容器專利技術較大比例(圖3)，分別達17.4%、14.9%、13.7%和12.4%。這4省市的專利數量占到總量的一半以上，其他省市(包括浙江省、山東省、安徽省、天津市、湖南省、湖北省)占據的比例較小，均不足10%?？傮w來說，超級電容器專利地域分布較為廣泛，集中度不高。由于技術研發(fā)需要大量的資源投入，分散的和重復性的研發(fā)造成了人力、物力、財力等浪費，直接導致超級電容器技術發(fā)展緩慢，專利質量無法提高。

圖3 中國超級電容器專利技術地域分布圖

4.2.4 專利平均年齡圖

專利平均年齡圖常用長條圖表示，每一長條代表一個研發(fā)機構，長條的高度代表平均專利年齡的大小。選取擁有專利數量前20位的專利權人繪制專利平均年齡圖(圖4)。從專利平均年齡圖可看出相關研發(fā)企業(yè)、高等院校及科研院所在此領域的活動時間長短及專利技術壟斷時間長短。由圖4可看出，上海奧威科技開發(fā)有限公司在超級電容器技術領域的活動時間及專利技術壟斷時間最長，專利平均年齡達到8.13年，說明該企業(yè)研發(fā)實力雄厚，創(chuàng)新能力較強。其次是清華大學，專利平均年齡是6.84年，專利平均年齡超過6年的還有天津力神電池股份有限公司、海洋王照明科技股份有限公司。

圖4 超級電容器專利平均年齡圖

4.2.5 專利權人分布圖

2000—2018年，申請超級電容器相關專利數量達6 150件，表1為專利數量排名的前26位，專利權人分別擁有的專利項數(擁有專利項數大于等于40項的)見表1。從表1中可以看出，專利件數在專利權人中分布相當分散，各專利權人擁有的專利數量均不超過總專利數量的2%。專利擁有量排名前10的名單中，企業(yè)和高等院校各占5席，但是這5家企業(yè)所擁有專利數量是這5所高等院校的1倍多。海洋王照明科技股份有限公司、山東精工電子科技有限公司、深圳市海洋王照明技術有限公司這3家公司坐擁專利數量前三名，擁有專利達90項以上。在高等院校以及科研院所中，東華大學擁有84項相關專利，領先于浙江大學、復旦大學、中南大學等高校。由于研發(fā)成本、設備等條件限制，個人的專利占有率極低?？傮w來說，中國超級電容器專利權人分布領域廣泛，但技術研發(fā)集中度不高。

表1 超級電容器專利權人擁有專利數量排序

4.2.6 IPC(國際專利分類)分析圖

IPC(國際專利分類)分析圖常用長條圖表示(圖5)，橫軸表示國際專利分類號的部類，每一長條表示國際專利分類號的部(類或組)，長條的高度表示該技術領域的該部(類或組)專利數量。超級電容器專利技術主要集中在電容器和電解型的電容器、整流器、檢波器、開關器件、光敏器件或熱敏器件。H01G(電容器，電解型的電容器、整流器、檢波器、開關器件、光敏器件或熱敏器件)的專利研發(fā)成果在數量上占絕對優(yōu)勢，2000—2017年超級電容器專利技術研發(fā)量的50.8%，其次是H02J(供電或配電的電路裝置或系統(tǒng)、電能存儲系統(tǒng))為811件、C01B(非金屬元素、其化合物)、H01M(用于直接轉變化學能為電能的方法或裝置，例如電池組)，分別占研發(fā)總量的11.1%、10.9%、9.7%。而B82Y(納米結構的特定用途或應用、納米結構的測量或分析、納米結構的制造或處理〔2011.01〕)、C01G(含有不包含在C01D或C01F小類中之金屬的化合物)、B60L(電動車輛的電力裝備或動力裝置、用于車輛的磁力懸置或懸浮、一般車用電力制動系統(tǒng))、C08G(用碳-碳不飽和鍵以外的反應得到的高分子化合物)、C08K(使用無機物或非高分子有機物作為配料)、C08L(高分子化合物的組合物)等領域的研發(fā)相對缺乏。

圖5 中國超級電容器專利技術IPC分析圖(大類)

4.2.7 專利類型分析圖

從圖6可以看出，中國在超級電容器的專利申請，發(fā)明專利占總專利數的一半以上，達到 79%;實用新型專利占 21%。說明中國超級電容器技術專利數量可觀，創(chuàng)新性較強的發(fā)明專利占主導地位，所占比例較高。

圖6 超級電容器專利類型分析圖

5 贗電容型超級電容器技術進化路徑

根據儲能原理的區(qū)別，超級電容器分為贗電容型超級電容器、雙電層型超級電容器以及混合型超級電容器。本文主要對贗電容型超級電容器技術進化路徑展開研究和分析。

贗電容型超級電容器具有很高的能量密度，是超級電容器技術領域的研究重點之一，在檢索的5 042條專利信息中與之相關的有2 805條，占信息總量的55.6%。經過對檢索專利信息的整理、分析，贗電容型超級電容器專利技術主要集中在3個方面：電極材料專利信息1 219條，內容涵蓋以NiOx、MnO2、V2O5等金屬氧化物材料制備電極、以聚合物電極材料PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT等經P型或N型或P/N型摻雜制取電極；電解質專利信息425條，內容包括水性電解質、有機電解質；超級電容器隔膜材料相關專利信息486條。

5.1 電極材料領域專利分析

5.1.1 專利申請量總體趨勢分析

檢索發(fā)現，本領域的專利申請集中在2009—2017年，9年內贗電容型超級電容器在電極材料領域的專利年申請量均保持在50項以上，總體呈現持續(xù)快速增長態(tài)勢，如圖7所示。眾多制造企業(yè)、高校及科研院所加快了贗電容型超級電容器電極材料的研究，加快實現技術創(chuàng)新。

本文依據TRIZ理論，比較專利申請數量曲線與技術成熟度預測曲線，對贗電容型超級電容器的電極材料技術進行成熟度預測。綜合圖7和圖8兩組曲線發(fā)現，中國贗電容型超級電容器的電極材料技術處于發(fā)展期向成熟期的過渡階段，該領域內的各項技術基本能滿足贗電容型超級電容器產業(yè)化發(fā)展的需求，但是仍然存在進一步創(chuàng)新發(fā)展的空間。

圖7 2000—2017年贗電容型超級電容器電極材料領域 專利申請量趨勢分析圖

圖8 技術成熟度預測曲線

5.1.2 申請人分析

贗電容型超級電容器電極材料領域排名前10的企業(yè)專利權人只有海洋王照明科技股份有限公司，共申請了19項專利。如圖9所示，本領域專利權人數量排名前10的依次為東華大學44項、浙江大學42項、清華大學36項、中南大學25項、西北師范大學24項、安徽工業(yè)大學21項、哈爾濱工業(yè)大學21項、吉林大學19項、海洋王照明科技股份有限公司19項、北京科技大學18項?？傮w來說，該領域專利申請主要集中在高校，而技術研發(fā)力量較為分散。

圖9 贗電容型超級電容器電極材料領域專利申請人分析圖

5.1.3 技術領域分析

通過對專利申請分類號的歸納總結，發(fā)現該領域專利申請主要集中在C01B(非金屬元素、其化合物)、B82Y(納米結構的特定用途或應用、納米結構的測量或分析、納米結構的制造或處理)、H01M(用于直接轉變化學能為電能的方法或裝置)、C01G(含有不包含在C01D或C01F小類中之金屬的化合物)等方面，如圖10所示。通過分析，對贗電容型超級電容器電極材料領域的專利技術進行預測，發(fā)現導電聚合物或無機化合物、金屬氧化物、納米材料是今后該領域發(fā)展的趨勢。

圖10 贗電容型超級電容器電極材料領域專利 申請技術分布

5.2 電解質技術領域專利分析

5.2.1 專利申請量總體趨勢分析

本領域專利申請集中在2011—2017年，2001年專利申請還處于起步萌芽階段，2006—2008年是該領域的萌芽期與發(fā)展期的過渡階段，從2008年開始，該領域的專利申請量逐年上升，2016年達到申請量的最高值，如圖11所示。依據TRIZ理論，對比該領域專利申請數量曲線與技術成熟度預測曲線，可以看出，贗電容型超級電容器電解質領域專利技術處于發(fā)展期，各項技術越來越成熟。

圖11 2001—2017年贗電容型超級電容器電解質領域 專利申請量趨勢分析圖

5.2.2 申請人分析

在該領域專利申請量中，擁有專利數量前三甲的為吉林大學(13項)、復旦大學(12項)、渤海大學(11項)，說明該領域的研究主力為各大高校。緊隨其后的有海洋王照明科技股份有限公司、深圳市海洋王照明工程有限公司、中國科學院長春應用化學研究所、深圳市海洋王照明技術有限公司，都擁有10項相關專利，見表2。

表2 贗電容型超級電容器電解質領域專利申請人分析

5.3 隔膜技術領域專利分析

5.3.1 專利申請量總體趨勢分析

本領域專利申請量經歷了2002—2006年的艱難起步階段，2015年達到峰值84項，2008—2013年專利申請量波動較大，但是總體上呈上升趨勢，2005年以后，專利呈現下降趨勢，出現了衰退跡象，如圖12所示。

圖12 2002—2017年贗電容型超級電容器隔膜技術領域 專利申請量趨勢分析圖

5.3.2 申請人分析

該領域的專利申請是上海奧威科技開發(fā)有限公司處于領先地位，擁有該領域專利數量30項，其次是山東精工電子科技有限公司(18項)、清華大學(13項)，見表3，此領域的研發(fā)主力軍是相關企業(yè)，技術集中度較高。

表3 贗電容型超級電容器隔膜領域專利申請人分析

6 中國超級電容器關鍵技術實現時間分析

通過對超級電容器專利信息的分析，以及對贗電容型超級電容器技術進化路徑的預測，整合中國超級電容器產業(yè)技術未來的發(fā)展方向，得出中國超級電容器產業(yè)關鍵技術以及預期的實現時間，見表4。

表4 贗電容型超級電容器進化路線

7 結語

超級電容的關鍵技術中，電極材料是關鍵，電化學儲能、電極材料作為超級電容器的基礎技術，是目前最主要的技術熱點。電解質是超級電容器性能的決定性技術、隔膜是超級電容器的重要組成部。隨著技術的快速發(fā)展，超級電容器已逐漸擴展到電氣、電動汽車計算機等領域的應用，呈現出多元化發(fā)展趨勢。經過十幾年的發(fā)展，超級電容器雖然在專利數量上具有一定的競爭優(yōu)勢，但研究主體過于分散孤立，大多數國內公司進入該領域較晚且過于分散，凝聚不夠，技術集中度比較集中，競爭實力還有待進一步加強。產業(yè)的關鍵技術實現時間在實踐中完善需要注意：一是掌握關鍵技術，提升自主創(chuàng)新能力；二是拓寬合作研發(fā)，加強技術優(yōu)勢；三是構建產業(yè)技術創(chuàng)新平臺，實現從跟跑世界科技強國，到與科技強國并跑，再到引領超級電容器技術發(fā)展的技術跨越。