富鋰氧化物正極材料專利技術(shù)分析*

王雙陸，胡康慧，吳振國，郭孝東

(1 韶關(guān)東陽光科技研發(fā)有限公司，廣東 韶關(guān) 512000；2 成都理工大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610059；3 四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065)

隨著化石能源的不斷消耗，環(huán)境污染以及全球變暖等問題對現(xiàn)代社會的發(fā)展形成了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。發(fā)展可持續(xù)的清潔能源是未來社會發(fā)展的必由之路[1]。以零排放的電動汽車替代使用化石能源的燃油車可以有效減少二氧化碳的排放，緩解日漸增加的交通量造成的環(huán)境污染壓力。鋰離子電池由于具有能量密度高，能量轉(zhuǎn)換效率高，循環(huán)壽命長等優(yōu)點，成為手機(jī)、筆記本、數(shù)碼相機(jī)等便攜式電子設(shè)備的主要電源和電動汽車的動力支撐[1-2]。但是，隨著人工智能、電動汽車等科技的發(fā)展，對鋰離子電池的能量密度、功率密度和循環(huán)性能提出了更高要求[3]。

目前，一系列正極材料，如 LiCoO2、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA)、LiNixCoyMnzO2(NCM; x+y+z = 1)、尖晶石LiMn2O4以及橄欖石LiFePO4，已經(jīng)得到廣泛的商業(yè)應(yīng)用[4-5]。但是，目前這些材料仍然無法滿足人們對鋰離子電池能量密度日益增加的需求。Thackeray及其合作者們在Li1.09Mn0.91O2研究中首先提出了富鋰氧化物正極材料的概念。富鋰氧化物正極材料，化學(xué)式為xLi2MnO3·(1-x)LiMO2(0

本文以富鋰層狀氧化物正極材料技術(shù)相關(guān)專利作為研究的對象，目的在于通過對富鋰層狀氧化物正極材料技術(shù)領(lǐng)域的專利的關(guān)鍵技術(shù)分部情況進(jìn)行統(tǒng)計與分析，以掌握富鋰層狀氧化物正極材料的研究熱點和重點。

1 中國富鋰氧化物正極材料的地域分布

圖1是富鋰氧化物正極材料中國專利的來源分布，其中北京、廣東和浙江占據(jù)國內(nèi)省市前三位。北京省以180件位居第一，這與眾多高等院校集中有關(guān)。第二的是廣東，專利數(shù)量為128件，這與廣東發(fā)達(dá)的電子行業(yè)有關(guān)，同時廣東擁有很多鋰電池領(lǐng)域的龍頭企業(yè)比如比亞迪、東莞新能源科技和比克公司。第三就是擁有82件相關(guān)專利的浙江，這和浙江擁有203家鋰電池行業(yè)有關(guān)，比如寧波納微新能源科技有限公司、長興鑫泓新能源科技有限公司、寧波鴻源電子科技有限公司等。從整體區(qū)域來看，有關(guān)富鋰氧化物正極材料的專利主要集中在我國的東部沿海地區(qū)，但是整體體現(xiàn)出向中西部輻射轉(zhuǎn)移，這和中西部擁有豐富的鋰礦資源有關(guān)。

圖1 富鋰氧化物正極材料專利技術(shù)地域分布

2 專利數(shù)量年度分布分析

有關(guān)富鋰氧化物正極材料專利在華申請數(shù)量隨著時間變化趨勢如圖2所示，從2004年到2010年，有關(guān)富鋰氧化物正極材料的專利數(shù)目小等于1，屬于該類正極材料的萌發(fā)期。從2011年到2014年，從10件開始快速增長，大約每年增長25件，到2014年數(shù)量達(dá)到80件。結(jié)果，這四年專利的數(shù)目翻了8倍。這幾年專利數(shù)量平穩(wěn)增長，進(jìn)入穩(wěn)定增長期。2015相對于2014年，專利數(shù)目明顯的下降，從2014年的80件下降到2015年的66件。隨后從2015年到2018年的四年間專利數(shù)目持續(xù)增長。2020年專利數(shù)量只統(tǒng)計了1-3月的數(shù)量。從專利數(shù)量的發(fā)展趨勢可以看出，在2010年以前，關(guān)于鋰電池正極相關(guān)研究并不多，且相關(guān)技術(shù)還不成熟。但是2010年以后，我國對鋰離子動力電池技術(shù)越發(fā)的重視，并逐漸的加大了對正極材料相關(guān)理論的研究，這致使相關(guān)專利數(shù)量不斷的增加(最近五年的專利數(shù)量占全部專利數(shù)量的69.24%)，同時也反映出最近幾年富鋰氧化物正極材料發(fā)展迅速，相關(guān)技術(shù)也在不斷成熟。

圖2 我國受理的富鋰氧化物正極材料專利技術(shù)數(shù)量的年度變化趨勢

3 申請單位/申請人分布情況

表1為排名前20的申請單位情況，從統(tǒng)計看出，其中福建師范大學(xué)最多，申請量為35件。在前20名中，其中有11個是高校，其余9個是企業(yè)。這說明在富鋰氧化物正極材料方面，高校專利數(shù)量明顯遠(yuǎn)超企業(yè)的專利數(shù)量，高校的專利數(shù)占總數(shù)的71.19%，然而企業(yè)的專利數(shù)目占比僅有28.81%。這說明我國在富鋰氧化物正極材料的研究主要還集中在高校，這與富鋰正極材料還沒有投入實際的應(yīng)用有一定的關(guān)系。同時，說明國家以及科院院校不斷的加大對高比容量高電壓型電池材料的研究力度，并且在該領(lǐng)域取得了很多理論上的突破。圖3為前10的富鋰氧化物正極材料專利申請人餅狀圖統(tǒng)計，其中在中國有關(guān)富鋰氧化物正極材料專利數(shù)目最多的是童慶松，占前十名專利數(shù)的19.37%。說明在國內(nèi)童慶松對富鋰氧化物正極材料進(jìn)行了較多較為全面的研究，具有較為深刻的見解。

表1 富鋰氧化物正極材料專利申請單位情況

圖3 富鋰氧化物正極材料申請人情況

4 富鋰氧化物正極材料的制備、改性及應(yīng)用技術(shù)專利分析

接下來，我們將對富鋰氧化物正極材料的制備、改性及應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分類解讀，將涉及富鋰氧化物正極材料相關(guān)技術(shù)專利規(guī)劃分為4類：富鋰氧化物正極材料的制備、包覆、摻雜及應(yīng)用。其中占比最高的是包覆改性方面的專利，具體件數(shù)為206件，其中占到專利總數(shù)的40.23%。第二就是具有149件專利數(shù)的富鋰氧化物正極材料的制備，占專利總數(shù)的29.1%。其中占比最少的就是富鋰氧化物正極材料的應(yīng)用。從這樣的數(shù)據(jù)可以看出富鋰氧化物正極材料目前專利主要集中在材料的改性方面，這與該類材料存在著首圈庫倫效率低、電壓衰減快、容量衰減快以及倍率性能低等問題相關(guān)，同時這些問題目前還沒有得到根本性的解決，以至于該類材料在應(yīng)用上基本還沒有實現(xiàn)。

圖4 富鋰氧化物正極材料的制備、包覆、摻雜及應(yīng)用技術(shù)類型專利構(gòu)成

5 結(jié) 語

從以上多個角度的分析可以看出，富鋰氧化物正極材料的技術(shù)領(lǐng)域目前不斷地受到關(guān)注，專利數(shù)量持續(xù)穩(wěn)定的增長。富鋰氧化物正極材料所涉及的相關(guān)基礎(chǔ)理論和技術(shù)不斷的取得進(jìn)步，相信不久的將來能投入實際的應(yīng)用。

整體分析，一方面，中國有關(guān)富鋰氧化物正極材料的研究區(qū)域比較不平衡，主要集中在沿海地區(qū)。充分利用中西部豐富的礦產(chǎn)資源。推動富鋰氧化物正極材料的均衡發(fā)展。另一方面，雖然目前已經(jīng)申請成功了很多專利，但是主要集中在材料的改性和制備等方面，應(yīng)用方面很薄弱。這與該類材料的缺點沒有得到很好的抑制和解決有很大的關(guān)系。這使得富鋰氧化物正極材料缺乏全產(chǎn)業(yè)鏈的專利布局體系。國內(nèi)企業(yè)應(yīng)該堅持以市場為導(dǎo)向的申請策略，響應(yīng)國家的號召，積極推動富鋰氧化物正極材料的市場化，促進(jìn)富鋰氧化物的應(yīng)用。