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1、2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告石墨烯儲能領域應用專利分析報告作者：韓雪 鄧偉 周旭峰 劉兆平2021 Report on Patenting Activity of Graphene for EnergyStorage ApplicationsPrepared by Han Xue , Deng Wei , Zhou Xufeng, Liu Zhaoping中國科學院寧波材料技術與工程研究所浙江省石墨烯制造業創新中心浙江省石墨烯應用研究重點實驗室中國科學院石墨烯工程實驗室中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟20

2、21 石墨烯儲能領域應用專利分析報告報告摘要報告摘要本文為了解石墨烯在儲能領域研究開發的知識產權現狀， 以鋰離子電池、超級電容器、鋰硫電池、鋰空氣電池、鋰金屬電池、鈉離子電池、鉛炭電池等電化學儲能體系為切入點，對石墨烯在儲能領域應用技術進行專利檢索，并從全球專利申請趨勢、主要來源國家、各結構部件中應用專利分布、重要專利申請人等方面進行了詳盡的分析。以期為我國石墨烯儲能技術創新及產業發展規劃等提供有價值的參考。2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告I目目錄錄一、前言.11.1 研究背景及意義.11.2 數據來源與方法.2二、石墨烯在儲能領域應用專利概況.42.1 全球專利申請趨勢.42.2 國

3、家/地區分布分析.52.3 專利運營情況.6三、石墨烯在鋰離子電池領域應用的專利分析.83.1 全球專利申請趨勢.83.2 主要來源國家.93.3 各結構部件中應用專利分布.93.4 重要專利申請人.13四、石墨烯在超級電容器領域應用的專利分析.174.1 全球專利申請趨勢.174.2 主要來源國家.184.3 各結構部件中應用專利分布.184.4 重要專利申請人.21五、石墨烯在其它儲能領域應用的專利分析.245.1 鋰硫電池. 245.2 鋰空氣電池.262021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告II5.3 鋰金屬電池.285.4 鈉離子電池.305.5 鉛酸電池. 32六、總結與展望. 3

4、52021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告1一、前言一、前言1.1 研究背景及意義研究背景及意義石墨烯具有獨特的單原子層二維晶體結構， 集多種優異特性于一身，如超高的載流子遷移率、電導率、熱導率、透光性、強度等1-3。自 2004 年被首次發現，尤其是自 2010 年斬獲諾貝爾獎以來，石墨烯吸引了大量研發人員將其應用于眾多領域方向。 石墨烯作為一種年輕的新材料，在儲能技術中表現出巨大的應用潛力，具體應用方向有鋰離子電池、鋰空氣電池、鋰硫電池、超級電容器、儲氫等儲能體系4。同時， 各國政府和相關機構也在積極鼓勵石墨烯在儲能領域應用的研發工作，推進產學研融合，進一步推動了石墨烯儲能技術創新和產業發

5、展5。由中科院寧波材料所及浙江省石墨烯制造業創新中心等發布的2019 石墨烯技術專利分析顯示，在石墨烯應用技術相關專利中，儲能領域相關專利占比達到 22.5%6。 可見，儲能領域是石墨烯應用研究最為集中的領域之一。在全球綠色低碳可持續的發展大勢下， 我國主動提出碳達峰與碳1Lee C, Wei X ,Kysar J W ,et al. Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of MonolayerGrapheneJ. Science, 2008, 321(5887):385-388.2Chae H K ,Sib

6、erio-Perez D Y ,Kim J,et al. Aroute to high surface area, porosity and inclusion of largemolecules in crystalsJ. Nature, 2004, 427(6974):523-527.3Zhang Y, Tan YW, Stormer H L , et al. Experimental observation of the quantum Hall effect and Berrys phasein grapheneJ. Nature, 2005, 438(7065):201-204.4黃

7、澍, 王瑋, 王康麗,等. 石墨烯在化學儲能中的研究進展J. 儲能科學與技術, 2014, 3(2):85-95.5車子璠，張辰，安琴友等. 我國石墨烯發展現狀及展望J. 中國基礎科學, 2020, 136(04):60-66.6韓雪，馬經博，周旭峰，劉兆平等. 2019 全球石墨烯技術專利分析J. 新材料產業，2019，312(11):10-18.7劉毅, 李岱素. 面向科技情報的專利分析研究綜述及應用建議J. 科技管理研究, 2018, 416(22):162-167.2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告2中和目標。在此背景下，以新能源材料和技術為依托的儲能技術無疑是最為重要的抓手之一

8、， 而突破更為先進的儲能技術就成為未來科技發展的重要目標。 專利文獻是研究技術創新和產業經濟不可缺少的重要數據7，本文以專利文獻為分析對象，在綜合考慮研發進展和產業化進程后，選取石墨烯在鋰離子電池、超級電容器、鋰硫電池、鋰空氣電池、鋰金屬電池、鈉離子電池、鉛炭電池等儲能體系中應用的相關專利進行分析，發現石墨烯在儲能領域的專利技術申請態勢，為政府和企業做出科學決策提供參考。1.2 數據來源與方法數據來源與方法為了解石墨烯在儲能領域的應用現狀， 本文按照電化學儲能體系類型對石墨烯應用領域進行分類，并做相應的專利分析。本文分析的數據均來自由北京合享智慧科技有限公司開發的專利數據庫 incopat，為

9、獲取石墨烯及其衍生物在其中起關鍵作用的專利技術， 以標題和摘要作為檢索字段，將專利類型限定為發明專利。本文采用分總式檢索策略，采用關鍵詞與 IPC 分類號相結合的方式檢索獲取專利數據，具體內容如表 1-1 和表 1-2 所示。表 1-1 為石墨烯應用于鋰離子電池、鋰硫電池、鋰空氣電池、鋰金屬電池、鈉離子電池、鉛炭電池的檢索要素及對應的關鍵詞、IPC 分類號。在表 1-1 中，鑒于本文部分研究內容為二次電池，且石墨烯目前應用于二次電池電極材料居多，選取IPC 分類號 H01M4（其含義為“電極”）、H01M10（其含義為“二次電池；及其制造”）加入檢索式。在獲取檢索結果后，通過人工閱2021 石

10、墨烯儲能領域應用專利分析報告3讀清理其中的無關項， 對與檢索主題密切相關的專利進行人工數據標引，以確定石墨烯應用的儲能體系類型和具體結構部件。本文以專利公開文本作為分析對象， 既包括專利申請公布文本又包括專利授權公告文本。文中所指專利數量均指專利簡單同族數量，簡單同族指優先權完全相同的一組專利， 同一專利申請的申請公布文本與授權公告文本在本文中計為一件專利。 文中專利主要來源國家指專利申請人所屬表 1-1 石墨烯應用于電池體系的檢索要素、關鍵詞及 IPC 分類號檢索要素檢索要素關鍵詞關鍵詞IPC 分類號分類號鋰離子鋰; Lithium; Li-ion鋰金屬鋰金屬;Li-metal;Lithiu

11、m-metal鋰空氣鋰空;鋰氧;Lithium-air;Li-O2;Li-air鋰硫鋰硫;Lithium-sulfur; Li-S鈉離子鈉; Sodium-ion鉛炭鉛酸;鉛蓄;鉛碳;鉛炭; lead-acid; lead-storage;lead-carbon電池電池;cell$;battery;batteries;accumulator$;accumulateurH01M4; H01M10石墨烯石墨烯; graphene表 1-2 石墨烯應用于超級電容器的檢索要素、關鍵詞及 IPC 分類號檢索要素檢索要素關鍵詞關鍵詞超級電容器超級電容;雙電層電容; 贗電容;法拉第準電容; supercap

12、acitor$;ultra-capacitor$;electrochemical-capacitor$;electrical-double-layer-capacitor$; EDLC; EDLCs; pseudocapacitor$ ;pseudo-capacitor$石墨烯石墨烯; graphene2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告4國家。本文專利檢索截止日為 2021 年 3 月 31 日。因專利從申請到公開，到數據庫收錄，會有一定時間延遲，本文中近兩年數據會小于實際數值，僅供參考。二、石墨烯在儲能領域應用專利概況二、石墨烯在儲能領域應用專利概況2.1 全球專利申請趨勢全球專利申請

13、趨勢圖 2-1 石墨烯在儲能領域應用專利申請趨勢如圖 2-1 所示，石墨烯應用于儲能領域相關專利共計 6415 件。專利申請開始于 2003 年，到 2009 年每年相關專利申請量較少，每年僅有少量申請；2010 年，諾貝爾物理學獎頒給兩位石墨烯研究先驅，全球范圍內掀起了石墨烯研究的熱潮。同時，隨著石墨烯規?；苽涔に嚨耐黄?、各國政府相繼出臺政策支持石墨烯相關研究，大量的8 化信. 全球首條石墨烯生產線落戶寧波J. 化工新型材料, 2013(05):187-187.2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告5研究團隊涌進石墨烯儲能領域， 石墨烯在儲能領域應用相關專利申請進入快車道。2018 年

14、當年，相關專利申請量達到 1136 件，達到歷年最高點。2.2 國家國家/地區分布分析地區分布分析圖 2-2 石墨烯在儲能領域應用專利申請來源國本文以第一申請人國籍作為專利申請來源國來分析專利技術起源地。如圖 2-2 所示，中國申請人在相關領域專利申請量最多，占比達 81.6%。專利申請數量排名第二、第三的為美國、韓國，占比分別為 7.3%和 4.9%。日本、中國臺灣、德國、印度也申請了一定數量的相關專利。分析一件專利的申請來源國及對應的專利受理國， 可以知道專利技術的輸入輸出情況。如圖 2-3 所示，中國申請人在本國的申請量最大，在海外的申請量比例明顯偏低。美國、韓國和日本申請人在本國和海外

15、均有較多的專利申請。各國均較為重視在美國的專利布局，通2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告6過世界知識產權局提交專利申請是各國進行海外專利布局的重要途徑。圖 2-3 石墨烯在儲能領域應用專利流向2.3 專利運營情況專利運營情況圖 2-4 有效專利保護主題人工分析其中 1833 件有效專利文本的獨立權利要求后獲得圖專利受理國家/地區專利申請來源國2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告72-4。 從保護主題來看， 有效專利文本中有 90.3%的專利為制造方法類專利，產品類專利僅占 9.7%。另外，從有效專利的轉讓和許可情況來看，發生專利權轉讓的專利占 15.8%，許可專利僅占 0.4%，專利

16、轉讓和許可比例明顯偏低。2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告8三、石墨烯在鋰離子電池領域應用的專利分析三、石墨烯在鋰離子電池領域應用的專利分析3.1 全球專利申請趨勢全球專利申請趨勢鋰離子電池是目前世界上應用最廣泛的高性能二次電池，但其性能依然難于滿足 3C 電子產品、電動汽車、規模儲能、電動工具等應用場景對其能量密度、倍率性能及循環性能等不斷提出的更高要求。石墨烯獨特的二維結構和優異的力學、 電學性能使其成為一種極具應用潛力的鋰離子電池材料，為解決這類問題帶來了新的思路9。圖 3-1 石墨烯在鋰離子電池領域應用專利申請趨勢如圖 3-1 所示，石墨烯在鋰離子電池領域應用共有專利申請 369

17、4件。從 2012 年開始，相關專利申請量快速增長；2018 年當年專利申請達到峰值，申請量達到 688 件；2019 年之后，申請量增長放緩?？梢?，將石墨烯應用于鋰離子電池在近些年備受關注。9曹亮, 王安安, 艾立華,等. 石墨烯在鋰離子電池材料性能優化中的應用J. 中國有色金屬學報, 2016,26(004):807-820.2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告93.2 主要來源國家主要來源國家由圖 3-2 可知，石墨烯在鋰離子電池領域應用專利申請人中，中國是主要專利技術來源國，申請總量達 3073 件，占比 83.2%，其次為美國、韓國、日本，分別占比 6.4%、4.1%、4.1%。

18、縱觀整個鋰離子電池材料領域，日本、韓國兩國占有技術優勢并擁有可觀的專利儲量10。 然而在石墨烯應用于鋰離子電池這一技術路線中， 日韓兩國則顯得較為謹慎，在該領域的專利申請量遠低于中國。圖 3-2 石墨烯在鋰離子電池領域應用專利申請來源國3.3 各結構部件中應用專利分布各結構部件中應用專利分布在鋰離子電池領域，石墨烯目前主要用在正極、負極、導電添加劑、電解質、隔膜、集流體、粘結劑等結構部件。從圖 3-3 可知，在專利文獻中，鋰離子電池負極中采用石墨烯材料的專利數量最多，明10 王云飛，初志勇，管泉等. 基于專利分析的動力型鋰離子電池發展態勢分析J.現代情報，2015，35(006):102-10

19、6.2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告10顯高于其他部件。其次，鋰離子電池正極、導電添加劑也是石墨烯在其中應用較為廣泛的結構部件。圖 3-3 石墨烯在鋰離子電池各結構部件中應用的專利申請量由圖 3-4 可知，石墨烯在鋰離子電池負極材料應用相關專利申請時間最早，為 2007 年，并且在后續的技術發展中專利申請數量增長最快、技術密集度最高。相對來講，在正極材料中應用的相關專利申請起步較晚，專利申請增長較慢?？梢?，科研人員更為關注將石墨烯圖 3-4 石墨烯在鋰離子電池各結構部件中應用的專利申請趨勢2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告11材料應用于鋰離子電池負極這一技術方向。如圖 3-5 中

20、所示，在鋰離子電池中，負極是國內外專利申請人都最為關注的石墨烯應用結構部件。與外國申請人相比，中國申請人在該領域專利申請總量上占有絕對優勢。鋰離子電池正極、導電添加劑也是中國申請人申請較為集中的石墨烯應用領域。圖 3-5 石墨烯在鋰離子電池各結構部件中應用的國內外專利申請對比鋰離子電池負極中，石墨烯應用方式通常有兩類，一類是將石墨烯直接作為活性材料，一類是將石墨烯與活性材料復合，以緩解活性材料在充放電過程中的體積變化，改善活性材料導電性。由圖 3-6 可知， 直接使用石墨烯及其衍生物作為負極活性材料的專利實際上占比很少，僅為 8.3%。石墨烯與硅基材料、金屬氧化物復合，尤其是與硅基材料復合是專

21、利申請最為集中的領域。 硅基負極材料因其具有較高理論比容量，被視為比較理想的下一代鋰離子電池負極材料，不少2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告12負極材料生產企業均已開始布局硅基負極的開發與商業化?？梢?，石墨烯及其衍生物在鋰離子電池電極材料中大多數還是以與其他活性成分復合的方式存在， 將石墨烯及其衍生物作為電極材料的專利申請量僅占少數?？梢?，如何讓石墨烯在儲能體系中發揮其最大效用仍然是研發人員需要解決的技術難題。需要說明的是，部分專利文獻中對與石墨烯復合的活性材料類型沒有特殊限定，在圖 3-6 和圖 3-7 中將此類專利歸類為“石墨烯/未限定類型活性材料復合物”，圖 3-6 中此類專利有

22、120 件，占比 5.6%。圖 3-6 石墨烯在鋰離子電池各類負極中應用的專利申請概況將圖 3-6 按時間線來梳理可以獲得圖 3-7?？梢钥闯?，在 2008 年至 2015 年，石墨烯在硅基負極和金屬氧化物負極中應用的相關專利申請量及變化趨勢相近。以 2016 年為轉折點，石墨烯在硅基負極方面的應用相關專利申請量持續走高，而研發人員在石墨烯/金屬氧化物復合負極方面的專利申請熱情則逐漸消退。 石墨烯及其衍生物直接2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告13作為負極活性材料相關專利的申請量則隨時間呈曲折上升態勢。圖 3-7 石墨烯在鋰離子電池各類負極中應用的專利申請趨勢3.4 重要專利申請人重要專

23、利申請人根據專利申請數量排名， 我們整理出了排名前 20 的專利申請人，如表 3-1 所示。 僅從申請數量上來看， 排名靠前的專利申請人中有 12位是來自中國的高校和科研院所。其中，中國科學院寧波材料技術與工程研究所劉兆平團隊率先開展石墨烯鋰離子電池應用研究， 先后提出石墨烯導電漿料、涂炭集流體和石墨烯改性活性材料等研究思路。表 3-1 專利申請量排名前 20 的申請人匯總申請人申請人類型類型所屬國家所屬國家申請量申請量美國納米技術儀器公司&全球石墨烯公司&扎木阿茹娜&張博增（Nanoteck Instruments Inc & GlobalGraphene Group Inc & ZHAMU

24、ARUNA&JANG BOR Z）企業美國59中南大學高校中國52株式會社半導體能源研究所企業日本51浙江大學高校中國49陜西科技大學高校中國482021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告14天津大學高校中國42合肥國軒高科動力能源有限公司企業中國40上海交通大學高校中國37上海大學高校中國33成都新柯力化工科技有限公司企業中國31哈爾濱工業大學高校中國27株式會社 LG 化學企業韓國27三星集團企業韓國25復旦大學高校中國24東麗公司企業日本23山東星火科學技術研究院科研院所中國23中國科學院過程工程研究所科研院所中國21中國科學院寧波材料技術與工程研究所科研院所中國20廣東工業大學高校中國2

25、0表 3-2 展示了申請 PCT 專利、歐專局專利或者多國專利的申請人排名。有 2 位申請人來自中國，分別是鴻富錦精密工業（深圳）有限公司與清華大學，兩者作為共同申請人在中國大陸、中國臺灣、美國、日本等國家合作申請了 11 個專利族。其余 8 位申請人則來自日本、美國和韓國。表 3-2 PCT、歐專局及多國專利申請量排名前 10 的申請人匯總申請人類型所屬國家申請量株式會社半導體能源研究所企業日本53東麗公司企業日本25美國納米技術儀器公司企業美國23株式會社 LG 化學企業韓國17日本電氣株式會社企業日本17三星集團企業韓國16鴻富錦精密工業(深圳)有限公司企業中國11清華大學高校中國11巴

26、特爾紀念研究院科研院所美國102021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告15圖 3-8 中國專利申請人類型從圖 3-8 可知，在中國申請人中，企業和科研單位（科研院所和高校）專利申請量各占專利申請總量的一半左右，可見，企業和高校/科研院所均較為重視石墨烯在鋰離子電池領域的技術研發和專利申請。從專利申請人來看， 石墨烯鋰離子電池相關專利擁有量較多的企業按照主營業務可以分為兩類，一類企業鋰離子電池并非其主營業務，這類企業重視知識產權布局和運營，試圖通過石墨烯這種新興材料在鋰電池領域應用，在該領域取得技術突破，建立專利壁壘。這類企業有由張博增、扎木阿茹娜共同創辦的美國納米技術儀器公司及全球石墨烯公司、

27、成都新柯力化工科技有限公司、株式會社半導體能源研究所和東麗集團等。第二類是以鋰離子電池為主營業務，申請人有合肥國軒高科動力能源有限公司、株式會社 LG 化學、三星集團。值得注意的是，在鋰電池材料領域專利申請數量一向靠前的申請人， 如豐田、 松下、 索尼、2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告16三菱、博世等企業10并未出現在上述分析的重要專利申請人中?？梢?，對于將石墨烯應用于鋰離子電池這項技術，各大鋰離子電池企業態度各異，部分企業試圖通過石墨烯的應用實現新的技術突破，而部分企業則對此項技術持觀望態度。10 王云飛，初志勇，管泉等. 基于專利分析的動力型鋰離子電池發展態勢分析J.現代情報，20

28、15，35(006):102-106.2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告17四、石墨烯在超級電容器領域應用的專利分析四、石墨烯在超級電容器領域應用的專利分析4.1 全球專利申請趨勢全球專利申請趨勢超級電容器具有充電時間短、使用壽命長、功率密度高、安全系數大、節能環保等特點。然而相較于傳統的二次電池，較低的能量密度限制了超級電容器的規?；茝V應用。同時，由于技術的進步，各應用領域對超級電容器在功率密度、 充放電時間等方面提出了更高的要求。石墨烯具有獨特的二維結構和優異的物化特性，研究人員開始對石墨烯在超級電容器中的應用進行相關試驗和研究11。圖 4-1 石墨烯在超級電容器領域應用相關專利申

29、請趨勢截止至 2021 年 3 月 31 日，石墨烯在超級電容器領域應用的專利申請量共計 1619 件。從圖 4-1 可知，2003 年到 2008 年期間，相關專利申請數量維持在個位數；2009 年至 2011 年，專利申請開始顯現快11El-Kady M F ,Shao Y ,Kaner R B . Graphene for batteries, supercapacitors and beyondJ. NatureReviews Materials, 2016, 1(7):1-14.2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告18速增長趨勢；2012 年開始進入專利申請快速增長期?？梢?，鑒于

30、石墨烯的優異性能，并伴隨石墨烯大規模制備技術的突破，將石墨烯應用于超級電容器領域成為熱門研究方向， 其中 2016 年專利申請達 284件；從 2016 年開始，申請量放緩，專利申請數量開始逐年下降。4.2 主要來源國家主要來源國家如圖 4-2 所示，石墨烯在超級電容器領域應用相關專利主要由中國申請人申請，占比 77.3%，排名第二、第三的申請人分別是美國和韓國，專利申請占比為 8.2%、6.9%。圖 4-2 專利申請來源國4.3 各各結構部件中結構部件中應用專利分布應用專利分布由圖 4-3 可知，在專利申請中，石墨烯主要應用于超級電容器中的電極材料，占比達 96.0%，另外有少量專利中石墨烯

31、應用于電解質、隔膜、集流體、導電劑、粘結劑。2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告19圖 4-3 石墨烯在超級電容器各結構部件中應用的專利申請量石墨烯在超級電容器中的應用主要分為兩類，一類為將石墨烯及其衍生物直接作為超級電容器電極活性材料， 另一類為石墨烯與其他活性材料復合。 從圖 4-4 可知， 在超級電容器電極材料相關專利中，石墨烯及其衍生物直接作為電極材料、石墨烯與其他碳基材料復合、石墨烯與金屬氧化物復合是申請量排名前三的應用領域。圖 4-4 石墨烯在超級電容器各類電極材料中應用的專利申請量將石墨烯及其衍生物直接作為超級電容器電極活性材料相關專2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告2

32、0利中，石墨烯大多數具有多孔（氣凝膠、泡沫結構、海綿結構等）、雜原子摻雜、柔性（水凝膠、纖維）、透明等特征；應用場景除常規的超級電容器外，還有柔性可穿戴、微電子設備用微型超級電容器。圖 4-5 石墨烯在超級電容器各類電極中應用的專利申請趨勢如圖 4-5 所示，石墨烯/碳基復合物、石墨烯/金屬氧化物復合物、石墨烯及其衍生物、石墨烯/導電聚合物復合物等作為超級電容器電極材料的相關專利在 2016 年及以前申請量增長迅速， 到 2016 年以后則開始出現下降趨勢。從圖 4-6 可以看出，在超級電容器電極材料中應用石墨烯時，國外申請人較為關注石墨烯與碳基材料復合、石墨烯及其衍生物、石墨烯與金屬氧化物復

33、合 3 個領域，在石墨烯/導電聚合物的石墨烯復合電極領域，外國申請人關注度較低；國內申請人則在石墨烯與活性材料復合方面做了更多樣的嘗試，石墨烯與導電聚合物復合物、石墨烯與其它材料復合物（如金屬硫化物、金屬氮化物、金屬單質等）領域均申請了較多專利。2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告21圖 4-6 石墨烯在超級電容器各類電極中應用的國內外專利申請對比4.4 重要專利申請人重要專利申請人如表 4-1 所示，在專利申請總量排名前 20 位的專利申請人中，有 17 位是高校，有 1 位是科研院所，即中國科學院寧波材料技術與2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告22工程研究所，另外有 2 位是企業

34、申請人。表 4-1 專利申請量排名前 20 的申請人匯總申請人申請人所屬國家所屬國家類型類型申請量申請量美國納米技術儀器公司&全球石墨烯公司&扎木阿茹娜&張博增（Nanoteck Instruments Inc & GlobalGraphene Group Inc & ZHAMUARUNA&JANG BOR Z）美國企業36哈爾濱工業大學中國高校29東華大學中國高校25福州大學中國高校23浙江大學中國高校22江蘇大學中國高校19加利福尼亞大學美國高校18北京化工大學中國高校16天津大學中國高校16廣東工業大學中國高校15山東歐鉑新材料有限公司中國企業15同濟大學中國高校15電子科技大學中國高校

35、14華南理工大學中國高校14中國科學院寧波材料技術與工程研究所中國科研院所14復旦大學中國高校13桂林理工大學中國高校13山東理工大學中國高校13上海應用技術大學中國高校13武漢工程大學中國高校13表 4-2 PCT、歐專局及多國專利申請量排名前 5 的申請人匯總申請人申請人所屬國家所屬國家類型類型申請量申請量美國納米技術儀器公司&全球石墨烯公司&扎木阿茹娜&張博增（Nanoteck Instruments Inc & GlobalGraphene Group Inc & ZHAMUARUNA&JANG BOR Z）美國企業13加利福尼亞大學美國高校11巴斯夫公司德國企業6德克薩斯大學系統美國

36、高校5三星集團韓國企業52021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告23表 4-2 整理了在石墨烯超級電容器應用領域提交 PCT 專利申請或向歐洲專利局提交專利申請或提交多國專利申請的專利申請人排名。如圖 4-7 所示，在中國專利申請人中，專利申請主要集中在高校、科研院所這類科研單位中，占比總計達 75.1%，企業專利申請量占比21.4%?？梢?，將石墨烯應用于超級電容器這一領域，研發主體集中在科研單位中。圖 4-7 中國專利申請人類型從專利申請人類型來看，高校和科研院所的專利申請量遠超企業申請人。而縱觀整個超級電容器領域，專利申請量一向排名靠前的松下電器、 日本貴彌功株式會社、 明電舍株式會社、

37、旭硝子株式會社、寧波中車新能源科技有限公司等12，均未出現在上述重要申請人之中?？梢?，目前超級電容器企業還未針對石墨烯在超級電容器領域應用展開大面積的專利布局。12王鑫，靳軍寶，鄭玉榮等. 基于 DII 的超級電容器專利技術國際態勢分析J.儲能科學與技術，2019，8(01):209-216.2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告24五五、石墨烯在其它儲能領域應用的專利分析石墨烯在其它儲能領域應用的專利分析5.1 鋰硫電池鋰硫電池因為單質硫具有很高的理論放電比容量，使得鋰硫電池具有極高的能量密度。同時，鋰硫電池具有材料成本低、環境友好等優點，被認為是最具前景的下一代二次電池技術。但硫的絕緣性

38、，體積膨脹及充放電過程中產生易溶于電解液的多硫化物， 導致鋰硫電池體系仍無法向實用化發展。由于石墨烯不僅可以提高硫的導電性，還可以為多硫化物提供物理吸附和化學吸附， 將其應用于鋰硫電池中成為研究熱點13。目前，石墨烯在鋰硫電池領域的應用相關專利共計 558 件，由圖5-1 可知，2016、2017 年是相關專利申請數量快速增長期，2018 年申請數量開始出現下降趨勢。圖 5-1 石墨烯在鋰硫電池領域的應用相關專利申請趨勢13劉勇志, 王勇, 王聰偉,等. 石墨烯應用于鋰硫電池的研究進展J. 新型炭材料, 2020, 35(01):9-19.2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告25石墨烯主要

39、應用于鋰硫電池的正極、隔膜等結構部件。由圖 5-2可知，將石墨烯應用于鋰硫電池正極中的專利申請量最多，占比為82.1%。在鋰硫電池專利技術中，研發人員集中關注于將石墨烯用于正極材料，來提高正極活性物質硫的利用率，防止多硫化物溶解于電解質中，并提高鋰硫電池的電極導電性。圖 5-2 石墨烯在鋰硫電池各結構部件中應用的專利申請量世界各主要經濟體高度重視鋰硫電池技術的開發， 已投入大量人力物力。相比于中國，美國、日本及歐洲在鋰硫電池機理研究和產業化技術開發領域占據更多優勢14。 聚焦本文所關注的石墨烯在其中的應用研究，根據專利申請總量排名可以列出排名前 5 的專利申請人，如表 5-1 所示?？梢钥闯?，

40、其中有 3 位是來自中國的科研單位，有 2位是分別來自韓國和美國的企業?？梢?，中國的研發人員在石墨烯應用于鋰硫電池方面表現更為積極。14陳雨晴，楊曉飛，于瀅等. 鋰硫電池關鍵材料與技術的研究進展J.儲能科學與技術，2017,6(2):169-188.2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告26表 5-1 專利申請量排名前 5 的申請人匯總申請人申請人類型類型所屬國家所屬國家申請量申請量肇慶市華師大光電產業研究院科研院所中國24株式會社 LG 化學企業韓國16哈爾濱工業大學高校中國13美國納米技術儀器公司 & 全球石墨烯公司& 扎木阿茹娜 & 張博增（Nanoteck Instruments I

41、nc & GlobalGraphene Group Inc & ZHAMUARUNA&JANG BOR Z）企業美國13中南大學高校中國125.2 鋰空氣電池鋰空氣電池隨著科技不斷進步和人口快速增長，化石能源日漸枯竭，同時環境問題日趨嚴重，開發新型綠色、環保、高效的能源迫在眉睫。鋰空氣電池以其成本低、 環境友好和理論能量密度高的優點引起人們廣泛研究。但是，鋰空氣電池仍處于發展的初級階段，在實際應用和商業化前仍面臨諸多問題與挑戰。 研究人員嘗試將石墨烯材料進行結構設計優化后應用于鋰空氣電池中，以期改善鋰空氣電池的循環性能、倍率性能、容量特性和能量效率4。石墨烯在鋰空氣電池領域的應用相關專利共計

42、88 件，由圖 5-3可知，從 2011 第一件相關專利申請開始，每年的專利申請數量均較為穩定。4黃澍, 王瑋, 王康麗,等. 石墨烯在化學儲能中的研究進展J. 儲能科學與技術, 2014, 3(2):85-95.2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告27圖 5-3 石墨烯在鋰空氣電池領域的應用相關專利申請趨勢石墨烯主要應用于鋰空氣電池的催化劑、空氣電極、人造 SEI膜等領域。由圖 5-4 可以看出，石墨烯作為催化劑相關專利申請量最多，占比為 65.9%。圖 5-4 石墨烯在鋰空氣電池各結構部件中應用的專利申請量由表 5-2 可知，各專利申請人擁有的專利數量并不多，排名居首的北京化工大學常州

43、先進材料研究院其相關專利申請量也僅有 7 件，這與鋰空氣電池目前還未進入商業化階段存在較大關系。2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告28表 5-2 專利申請量排名前 5 的申請人匯總申請人申請人類型類型所屬國家所屬國家申請量申請量北京化工大學常州先進材料研究院科研院所中國7麻省理工學院高校美國6浙江大學高校中國5三星集團企業韓國4加州大學高校美國35.3 鋰金屬電池鋰金屬電池本節所述鋰金屬電池指以金屬鋰作為負極材料，采用除單質硫、氧氣（空氣）以外的物質作為正極材料的鋰二次電池。目前，石墨烯在鋰金屬電池領域應用相關專利共 113 件。由圖 5-5 可知，從 2009年之間，相關專利申請量始終

44、處于較低位置，2018 年相關專利申請量最大，達到 37 件。圖 5-5 石墨烯在鋰金屬電池領域應用相關專利申請趨勢石墨烯在鋰金屬電池中主要應用于人造 SEI 膜、 正極、 復合負極、集流體、隔膜等結構部件。由圖 5-6 可知，石墨烯應用于人造 SEI 膜2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告29中的專利申請量最多，占比為 33.3%，其次為在鋰金屬電池正極中專利申請量較多，占比 26.3%。石墨烯應用于人造 SEI 膜中有利于鋰離子和電子的擴散與傳遞， 緩解充放電過程中的金屬鋰體積變化和鋰枝晶的生成，避免生成死鋰以及防止枝晶刺穿隔膜，從而提高金屬鋰負極的循環穩定性和倍率性能15。圖 5-6

45、 石墨烯在鋰金屬電池各結構部件中應用的專利申請量表 5-3 專利申請量排名前 5 的申請人匯總申請人申請人類型類型所屬國家所屬國家申請量申請量美國納米技術儀器公司 & 全球石墨烯公司&扎木阿茹娜 & 張博增（Nanoteck Instruments Inc & Global GrapheneGroup Inc & ZHAMUARUNA&JANG BOR Z）企業美國16中國科學院寧波材料技術與工程研究所科研院所中國7韓國科學技術研究院科研院所韓國6天津大學高校中國6西北大學高校美國315張毅俊. 金屬鋰負極的改性及其電化學性能的研究D. 浙江大學, 2017.2021 石墨烯儲能領域應用專利分

46、析報告30從表 5-3 可知，專利申請量排名前 5 的專利申請人中有 2 位來自中國，為中國科學院寧波材料技術與工程研究所和天津大學。5.4 鈉離子電池鈉離子電池盡管鋰離子電池具有能量密度高、循環使用壽命長等特點，但受到鋰資源匱乏因素影響，鋰離子電池較難大規模應用于儲能體系中。發展資源豐富、 環境友好的鈉離子電池具有重要的戰略意義16。 目前，石墨烯在鈉離子電池領域的應用共有 263 件專利申請，圖 5-7 為專利申請趨勢。 由圖可知， 2016 年到 2018 年是專利申請集中期， 由于 2019年及以后申請的專利有一部分還處于未公開狀態， 所以近三年專利申請趨勢尚不清晰，但從當前數據來看，

47、2019 年專利申請量預計將超過 2018 年?？梢?，近些年，鈉離子電池領域關于石墨烯應用的專利申請比較活躍。圖 5-7 石墨烯在鈉離子電池領域應用相關專利申請趨勢16葉飛鵬, 王 莉, 連 芳,等. 鈉離子電池研究進展J. 化工進展, 2013(08):1789-1795.2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告31從圖 5-8 可知，在鈉離子電池相關專利文獻中，主要采用石墨烯及其衍生物或者石墨烯復合物作為電極材料， 緩解電極材料的體積膨脹問題，從而提高鈉離子電池的循環性能。圖 5-8 石墨烯在鈉離子電池各結構部件中應用的專利申請量從表 5-4 可知，石墨烯在鈉離子電池領域專利申請量靠前的申

48、請人均為來自中國的高校，其中以陜西科技大學申請數量最多，該校曹麗云團隊共申請相關專利 15 件。這也從側面說明，對于石墨烯在鈉離子電池領域的應用，目前仍處于實驗室研究階段，相關技術從實驗室跨越到大規模的工業應用仍需時日。表 5-4 專利申請量排名前 5 的申請人匯總申請人申請人類型類型所屬國家所屬國家申請量申請量陜西科技大學高校中國23中南大學高校中國20浙江大學高校中國16華南理工大學高校中國8天津大學高校中國72021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告325.5 鉛酸電池鉛酸電池鉛酸電池歷史十分悠久，從 1860 年正式問世至今已有 160 余年歷史，其制備工藝已十分成熟。在鉛酸電池負極中加

49、入炭材料可以改善鉛酸電池的充電接受能力和活性物質的利用率， 此類鉛酸電池被稱為鉛炭電池17。 而石墨烯作為近年來備受關注的新型炭材料， 研究人員將目光轉向在鉛炭電池中使用石墨烯材料。由圖 5-9 可知，石墨烯在鉛炭電池領域的應用相關專利共計 86件。從 2009 年開始，該領域專利申請量呈現波動上升趨勢，但每年的專利申請量始終不多，申請數量最多的 2019 年其專利申請量也僅有 17 件。圖 5-9 石墨烯在鉛炭電池領域應用相關專利申請趨勢在相關專利中， 石墨烯作為鉛炭電池的負極活性材料應用方式分為三類：（1）復合，石墨烯與負極活性物質鉛復合，形成包覆結構或負載結構，將該復合材料做為負極活性物

50、質；（2）共混，石墨烯17王樂瑩, 張浩, 曹高萍,等. 炭材料在鉛炭電池負極中的應用綜述J. 電池, 2017(4):244-247.2021 石墨烯儲能領域應用專利分析報告33部分取代負極活性物質鉛，在和膏階段，將石墨烯與鉛粉混合均勻后制作成負極活性物質；（3）復合后共混，石墨烯與其他材料復合后作為復合添加劑，在和膏階段，將該復合添加劑摻入鉛粉后制作成負極活性物質。從圖 5-10 中可知，在專利文獻中，采用共混方式將石墨烯加入鉛炭電池負極的專利數量占比最多，專利數量 62 件，占比達到 72.1%。圖 5-10 石墨烯在鉛炭電池負極中應用方式的專利申請量該領域專利申請量排名前 5 的申請人