基于DII的超級電容器專利技術(shù)國際態(tài)勢分析

王 鑫，靳軍寶,2,3，鄭玉榮，白光祖，王艷妮，吳新年

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基于DII的超級電容器專利技術(shù)國際態(tài)勢分析

王 鑫1，靳軍寶1,2,3，鄭玉榮1，白光祖1，王艷妮1，吳新年1

(1中國科學(xué)院蘭州文獻情報中心，甘肅 蘭州 730000；2中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅 蘭州 730000；3中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

超級電容器作為一種新型儲能裝置越來越受到世界各國的重視。因此，本文基于德溫特創(chuàng)新索引國際專利數(shù)據(jù)庫（DII），利用Thomson Data Analyzer（TDA）、智慧芽數(shù)據(jù)庫（Patsnap）等專業(yè)分析工具和平臺，對超級電容器專利技術(shù)進行深入分析，以期全面系統(tǒng)揭示超級電容器技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀、研發(fā)熱點、技術(shù)方向布局及競爭格局等。研究結(jié)果表明，從2009年開始，超級電容器技術(shù)專利申請量快速增長，目前仍在快速增長期；其主要技術(shù)方向為超級電容電極材料及其制備方法、電解質(zhì)及其制備方法；研究熱點主要為雙層電容、電容器電極、電解液等；專利申請排名前三位的國家分別為中國、日本和美國；專利申請排名前三位的機構(gòu)依次為松下電器、日本貴彌功株式會社、明電舍株式會社。

超級電容器；專利技術(shù)；研發(fā)熱點

隨著可再生能源系統(tǒng)、分布式供能系統(tǒng)、微電網(wǎng)及智能電網(wǎng)等的快速發(fā)展，能源市場對儲能的需求越發(fā)迫切[1-2]。儲能技術(shù)一般分為電儲能技術(shù)和熱儲能技術(shù)，其中電儲能技術(shù)主要有3類[3-7]：①機械儲能（主要包括抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等）；②電磁儲能（主要包括超導(dǎo)電磁儲能等）；③電化學(xué)儲能（主要包括超級電容器、鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池、鈉硫電池等）。

超級電容器作為一種新型儲能裝置，其有多種分類方式，根據(jù)儲能機理的不同，超級電容器主要可以分為三大類?[8]：①雙電層電容器（electrical double-layer capacitor，EDLC），正、負(fù)電極都以雙電層為主要儲能機制；②法拉第準(zhǔn)電容器，正、負(fù)電極都以準(zhǔn)電容（pseudo-capacitor，也稱“贗電容”）為主要儲能機制；③混合型超級電容器，正、負(fù)電極分別以雙電層和準(zhǔn)電容為主要儲能機制。并且超級電容器作為一種功率型儲能技術(shù)，因其具有較高的功率密度、較長的循環(huán)壽命、效率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢[9-10]，適用于短時間高功率的負(fù)載平滑和改善電能質(zhì)量?[7]，特別是可以在配電網(wǎng)中起到維持電網(wǎng)穩(wěn)定、抑制電壓波動和瞬時斷電供電等方面的作用而備受關(guān)注[11-12]。

專利是技術(shù)研發(fā)和市場活動的客觀反映，世界上90%～95%發(fā)明的創(chuàng)造首次公開是在專利文獻 中?[13]。目前已有學(xué)者從專利視角對超級電容器現(xiàn)狀進行了分析研究，并取得了一定研究成果。李偉等?[6]的研究表明，超級電容器儲能技術(shù)目前處于技術(shù)相對成熟的階段，行業(yè)內(nèi)企業(yè)間競爭激烈，我國專利數(shù)量排名全球第二，但在專利的質(zhì)量方面仍然和日美等國家有很大的差距。李莉華等?[8]梳理了超級電容器的國際專利申請趨勢、主要技術(shù)方向、主要研發(fā)國家和機構(gòu)。馬永新等?[13]闡述了超級電容器作為一種新型儲能裝置，其優(yōu)越的性能和廣闊的市場前景已引起了世界上眾多國家的研發(fā)熱度，其中日、中、美、韓成為主要競爭國家，且松下電器、豐田、TDK等日本公司具有絕對的競爭優(yōu)勢。但由于超級電容器的技術(shù)目前正處于快速發(fā)展時期，因此，上述基于專利文獻進行分析的時效性和系統(tǒng)性不夠，且相關(guān)結(jié)論已不能反映最新發(fā)展現(xiàn)狀及進展。為此，本文基于德溫特創(chuàng)新索引國際專利數(shù)據(jù)庫（DII），利用Thomson Data Analyzer（TDA）、Patsnap等專業(yè)分析工具和平臺，對超級電容器技術(shù)專利進行深入分析，旨在系統(tǒng)客觀地揭示超級電容器技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀與態(tài)勢、技術(shù)生命周期、技術(shù)方向布局和技術(shù)主題分布情況、競爭格局等，為我國超級電容器技術(shù)發(fā)展研發(fā)決策、產(chǎn)業(yè)化布局等提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源及分析工具

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源于德溫特創(chuàng)新索引國際專利數(shù)據(jù)庫（DII）。DII作為全球收錄最全的專利引文數(shù)據(jù)庫，收錄了來自全球47個專利機構(gòu)的超過2000萬條基本發(fā)明專利，4000多萬條專利情報，數(shù)據(jù)可回溯到1963年。

本研究數(shù)據(jù)的檢索條件如下。①檢索策略：[TI=(Super-Capacitor* or Ultra- Capacitor* OR Super Capacitor* or UltraCapacitor* OR Electrochemical- capacitor OR Electrical-Double-layer-capacitor OR EDLC OR pseudocapacitor)]。②檢索時間范圍：1963—2017年。③數(shù)據(jù)量：共檢索到11197條有效數(shù)據(jù)。

1.2 分析工具

本研究主要分析工具為Thomson Data Analyzer（簡稱TDA）和Patsnap（簡稱智慧芽）數(shù)據(jù)庫。其中TDA是一款具有強大分析功能的文本挖掘軟件，可以對文本數(shù)據(jù)進行多角度的數(shù)據(jù)挖掘和可視化的全景分析。智慧芽數(shù)據(jù)庫是一個集成了專利情報、技術(shù)情報、法律情報的專利情報分析平臺。

2 結(jié)果與討論

2.1 專利申請趨勢

圖1為超級電容器專利申請量年度變化趨勢，1995年之前，相關(guān)專利申請量比較少，1995—2008年，超級電容器專利申請量逐年增加，從2009年開始，超級電容器申請量進入快速增長期，目前仍在快速增長階段。由于專利公布具有滯后性，因此，2015年之后的數(shù)據(jù)僅供參考（下文同）。

圖1 超級電容器專利申請量年度變化趨勢

2.2 主要專利申請國家/地區(qū)

2.2.1 主要專利申請國家/地區(qū)排名

圖2為超級電容器技術(shù)專利申請量排名前十 位的國家/地區(qū)，其中排名前三位的國家/地區(qū)分別為中國（5692件，占前十國家申請量的50%，下文同）、日本（3256件，占28%）、美國（957件，占8%），專利申請量排名前3國家專利量占專利總量的87.55%。

圖2 超級電容器專利申請排名前十的國家/地區(qū)

2.2.2 主要國家/地區(qū)近三年的專利申請活躍程度

主要國家/地區(qū)近3年的專利申請活躍程度是指國家/地區(qū)近三年專利申請量與該國家/地區(qū)專利申請總量的比值，該指標(biāo)可以反映近三年該國家/地區(qū)的研發(fā)熱度情況。表1為超級電容器專利申請量排名前十的國家/地區(qū)近3年的專利申請活躍程度，由于專利公布具有一定滯后性，2015年之后數(shù)據(jù)僅供參考，故“近3年”選取“2013—2015”的數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，近三年專利申請活躍程度排名前三位的國家分別為加拿大（占51.02%）、中國（占42.22%）和美國（占35.11%）。

表1 超級電容器專利申請量排名前十國家/地區(qū)近3年的活躍程度

2.2.3 主要國家/地區(qū)專利技術(shù)布局

圖3為超級電容器專利產(chǎn)出主要國家/地區(qū)排名前十的技術(shù)方向布局，中國的專利技術(shù)主要布局在H01G-011/86（超級電容器電極材料的制備方法）、H02J-007/00（超級電容器與電池組并聯(lián)向負(fù)載供電的裝置）、H01G-011/30[使用各種材料制備超級電容器（如石墨烯等）]、H01G-011/24（超級電容器的電極材料組成或構(gòu)成的結(jié)構(gòu)特點）；日本的專利技術(shù)主要布局在H01G-009/058（雙層電容器專用電極材料及其制備）、H01G-009/00（電雙層電容器電極的活性材料及其制備）、H01G-009/155（雙層電容器的制造方法）、H01G-009/038（雙層電容器專用電解質(zhì)的制造方法）；美國的專利技術(shù)方向主要集中在H01G-009/00（電雙層電容器電極的活性材料及其制備）；韓國的專利技術(shù)主要集中在H01G- 009/058（雙層電容器專用電極材料及其制備）。

H01G-009/058（雙層電容器專用電極材料及其制備）、H01G-011/86（超級電容器電極材料的制備方法）、H01G-009/00（電雙層電容器電極的活性材料及其制備）、H01G-009/155（雙層電容器的制造方法）、H02J-007/00（超級電容器與電池組并聯(lián)向負(fù)載供電的裝置）、H01G-011/30（使用各種材料制備超級電容器（例如石墨烯等））、H01G-011/24（超級電容器的電極材料組成或構(gòu)成的結(jié)構(gòu)特點）、H01G-009/038（雙層電容器專用電解質(zhì)的制造方法）、H01G-011/36（超級電容器的納米結(jié)構(gòu)，如納米纖維、納米管等）、H01G-011/46（納米復(fù)合材料、金屬氧化物作為超級電容器的電極和電解質(zhì)）

2.3 主要機構(gòu)分析

2.3.1 主要機構(gòu)排名

圖4為超級電容器專利申請量排名前十的機構(gòu)，其中排名前五位的機構(gòu)分別為：松下電器（312件，占前十機構(gòu)申請專利總量的22%，下文同）、日本貴彌功株式會社（160件，占11%）、明電舍株式會社（144件，占10%）、旭硝子株式會社（129件，占9%）、海洋王照明科技股份有限公司（129，占9%）。

圖4 超級電容器專利申請排名前十的機構(gòu)

2.3.2 主要機構(gòu)近三年的專利申請活躍程度

主要機構(gòu)近3年的專利申請活躍程度是指機構(gòu)近三年專利申請量與該機構(gòu)專利申請總量的比值，該指標(biāo)可以反映近三年該機構(gòu)的研發(fā)熱度情況。表2為超級電容器專利申請排名前十的機構(gòu)近3年的專利申請活躍程度，其中排名前三位的申請活躍機構(gòu)分別為寧波南車新能源科技有限公司（占75.73%）、日本貴彌功株式會社（占15.63%）、海洋王照明科技股份有限公司（占11.63%）。

表2 超級電容器專利申請排名前十的機構(gòu)近3年的專利申請活躍程度

2.3.3 主要機構(gòu)專利技術(shù)布局

圖5為超級電容器技術(shù)專利產(chǎn)出主要機構(gòu)排名前十的技術(shù)方向布局，其中松下電器的專利技術(shù)主要布局在H01G-009/00（電雙層電容器電極的活性材料及其制備）、H01G-009/038（雙層電容器專用電解質(zhì)的制造方法）、H01G-009/058（雙層電容器專用電極材料及其制備）；日本貴彌功株式會社的專利技術(shù)主要布局在H01G-009/058（雙層電容器專用電極材料及其制備）；明電舍株式會社的專利技術(shù)主要布局在H01G-009/155（雙層電容器的制造方法）。

H01G-009/058（雙層電容器專用電極材料及其制備）、H01G-011/86（超級電容器電極材料的制備方法）、H01G-009/00（電雙層電容器電極的活性材料及其制備）、H01G-009/155（雙層電容器的制造方法）、H02J-007/00（超級電容器與電池組并聯(lián)向負(fù)載供電的裝置）、H01G-011/30 [使用各種材料制備超級電容器（例如石墨烯等）]、H01G-011/24（超級電容器的電極材料組成或構(gòu)成的結(jié)構(gòu)特點）、H01G-009/038（雙層電容器專用電解質(zhì)的制造方法）、H01G-011/36（超級電容器的納米結(jié)構(gòu)，如納米纖維、納米管等）、H01G-011/46（納米復(fù)合材料、金屬氧化物作為超級電容器的電極和電解質(zhì)）

2.4 主要技術(shù)布局

2.4.1 基本專利布局

國際專利分類號(IPC)是目前國際上常用的專利技術(shù)分類體系，包含豐富的專利技術(shù)信息[6,14]。本文通過對超級電容器技術(shù)領(lǐng)域的IPC小組進行統(tǒng)計分析，可以判定出該領(lǐng)域的技術(shù)主題布局。圖6為超級電容器的基本專利技術(shù)布局，排名前三的技術(shù)方向分別為：H01G-009/058（1501件，16%）、H01G-011/86（1446件，16%）、H01G-009/00（1183件，13%）。

2.4.2 技術(shù)年度變化情況

圖7為超級電容器的技術(shù)方向年度變化，從圖中明顯看出，H01G-009/00技術(shù)研發(fā)的時間比較早，且1989年（46件）和2010年（118件）為兩個研究熱度峰值；H01G-011/86技術(shù)領(lǐng)域雖然研究的步伐比較滯后，但是近幾年關(guān)注熱度呈現(xiàn)井噴式增長，據(jù)2016年不完全統(tǒng)計，專利數(shù)量達到472件。

圖6 超級電容器專利申請排名前十的技術(shù)方向

表3 超級電容器的前十專利技術(shù)方向中文釋義

圖7 超級電容器專利IPC分類小組技術(shù)年度變化

2.4.3 專利技術(shù)主題分布

智慧芽數(shù)據(jù)庫（Patsnap）具有強大的分析和可視化功能，且“智慧芽專利評估系統(tǒng)Emposis”從技術(shù)、法律、市場等多維角度對專利價值進行綜合評估，并將評估金額超過100萬美元以上的專利定義為高價值專利。因此，本文通過Patsnap數(shù)據(jù)庫對超級電容器專利技術(shù)主題進行聚類分析，并對其高價值專利分布情況進行了分析。分析結(jié)果表明（圖8），超級電容器研發(fā)熱點為活性炭/石墨/雙層電容/ 電容器電極/碳材料；高價值專利主要集中在：①非水電解質(zhì)/電解液/活性炭；②電雙層/電容器電極/雙層電容。圖9為每個技術(shù)主題對應(yīng)的研發(fā)力量。

圖8 超級電容器專利技術(shù)主題分布

圖9 超級電容器專利主要技術(shù)主題的機構(gòu)分布情況

為了進一步挖掘高價值專利技術(shù)主題分布，本文將高價值專利細(xì)分主題再次進行聚類分析，分析結(jié)果如圖10、圖11所示，其中高價值專利第一主題細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域主要集中在電極/活性炭/超級電容器電極/電化學(xué)電容器/電動雙電層/電解液/電極材料/等方面；高價值專利第二主題細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域主要集中在電容器/雙電層/電動雙電層/電容器/雙電層/電極/等方面。

2.5 專利技術(shù)生命周期分析

通過技術(shù)生命周期可以判斷一項技術(shù)目前所處的階段。常見的基于專利信息分析的技術(shù)生命周期方法有S曲線法、專利指標(biāo)法、相對增長率法、技術(shù)生命周期圖法、TCT計算法[15-16]等。本文選取技術(shù)生命周期圖法對超級電容器技術(shù)生命周期進行分析。

圖10 高價值專利第一主題細(xì)分技術(shù)方向

圖11 高價值專利第二主題細(xì)分技術(shù)方向

圖12為超級電容器專利技術(shù)生命周期曲線圖，可以直觀的反映出超級電容器技術(shù)的兩個發(fā)展階段：①1970—1996年，該技術(shù)處于萌芽期，相關(guān)專利權(quán)人數(shù)量和專利申請數(shù)量均很少；②1997至今，該技術(shù)處于成長階段，相關(guān)專利權(quán)人數(shù)量和專利申請數(shù)量增長較快，說明越來越多的人開始關(guān)注和研究超級電容器技術(shù)。

圖12 超級電容器專利技術(shù)生命周期分析

3 結(jié) 論

（1）就申請趨勢而言，從2009年開始，超級電容器技術(shù)專利申請量進入快速增長期；申請主要技術(shù)方向為超級電容器電極材料及其制備方法和電解質(zhì)及其制備方法；研究技術(shù)主題為雙層電容、電容器電極、電解液等。

（2）就申請國別而言，超級電容器技術(shù)專利申請量排名前三的國家分別為中國、日本、美國，其專利量占專利總量的87.55%；近三年專利申請活躍程度排名前三的國家分別為加拿大、中國和美國。

（3）就申請機構(gòu)而言，超級電容器技術(shù)專利申請排名前三的機構(gòu)分別為松下電器、日本貴彌功株式會社、明電舍株式會社；近三年專利申請活躍程度排名前三的機構(gòu)分別為寧波南車新能源科技有限公司（現(xiàn)寧波中車新能源科技有限公司）、日本貴彌功株式會社、海洋王照明科技股份有限公司。

（4）就專利技術(shù)生命周期而言：①1970—1996年，該技術(shù)一直處于萌芽期，超級電容器技術(shù)領(lǐng)域的專利權(quán)人數(shù)量和專利申請數(shù)量較少；②1997至今，該技術(shù)處于成長階段，目前仍在成長階段。

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Analyses of international patents on DII based supercapacitors

1,1,2,3,1,1,1,1

(1Lanzhou Library of Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000,Gansu, China;2Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, Gansu, China;3University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

An increased attention has been paid on supercapacitors around the world due to some desirable properties for energy storage. We investigated the development trend of the technology, research hotspots, research and development directions and competition patterns by using analysis tools including the Thomson Data Analyzer(TDA), the Patsnap and the Derwent Innovations Index (DII) of ISI WoK．The results show that the number of patent applications for supercapacitor technologies has experienced a rapid increase from 2009; the main research and development directions have been focused on electrode materials and electrolytes; and the research hotspots have been mainly on double-layer capacitors, capacitor electrodes, and electrolytes, etc. Top three countries for patent applications are China, Japan and the United States, and top three organizations for patent applications are PANASONIC CORP, NIPPON CHEMICON CORP, and MEIDENSHA CORP.

supercapacitor; patent technology; research hotspots

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0074

TM 53

A

2095-4239（2019）01-201-08

2018-05-10；

2018-06-21。

甘肅省科技計劃（18ZC1LA017）。

王鑫（1990—），女，研究實習(xí)員，主要從事產(chǎn)業(yè)競爭情報分析，E-mail：wangxin1820@163.com；

吳新年，碩士生導(dǎo)師，主要從事情報理論與方法、知識管理與知識服務(wù)、產(chǎn)業(yè)技術(shù)情報分析、區(qū)域發(fā)展研究等，E-mail：wuxn@lzb.ac.cn。