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解析石墨烯技术专利:锂离子电池成热点技术领域

时间:2021-11-01 17:55:00来源:

导语:​石墨烯作为一种新型二维纳米材料,是目前发现唯一存在的二维自由态原子晶体。

  自2004年发现以来,石墨烯不仅在理论科学上受到了极大关注,并且由于其特殊的纳米结构以及优异的物理化学性能而在电子学、光学、磁学、生物医学、催化、储能和传感器等诸多领域展现出巨大的应用潜能,引起了科学界和产业界的高度关注。世界各国纷纷将石墨烯及其应用技术作为长期战略发展方向,以期在由石墨烯引发的新一轮产业革命中占据主动和先机。

  近年来,围绕石墨烯的专利申请在全球范围内呈现出高速上升态势,已成为一个活跃的新兴热点领域。

  专利申请进入稳定上升期

  石墨烯相关研究已有较长时间,但一直被认为是假设性的结构,无法单独稳定存在。直至2004年,英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地在实验中从石墨分离出石墨烯,才证实它可以单独存在。两人也因在二维石墨烯材料研究中的开创性实验,共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。

  石墨烯相关专利的申请在上世纪末就已出现,但随后发展较为缓慢。直到2008年后,专利申请数量才开始出现实质性的大幅上升。特别是在安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因对石墨烯的研究共同获得2010年诺贝尔物理学奖以后,全球石墨烯专利申请数量开始急剧上升,表明石墨烯相关专利技术进入快速发展轨道。2011年、2012年、2013年、2014年石墨烯相关专利数量的年度数量分别为1161、2403、3704、5047个,截至2015年六月,是450个。

  一种技术的生命周期通常由萌芽(出现)、成长(发展)、成熟、瓶颈(衰退)几个阶段构成。技术萌芽阶段,社会投入意愿低,专利申请数量与专利权人数量都很少;技术成长阶段,产业技术有了一定突破或厂商有关市场价值有了认知,竞相投入发展,专利申请数量与专利权人数量呈现快速上升态势;技术成熟阶段,厂商投资于研发的资源不再扩张,且其他厂商进入此市场意愿低,专利申请数量与专利权人数量逐渐减缓或趋于平稳;在技术瓶颈期,相关产业已过于成熟,或产业技术研发遇到瓶颈难以有新的突破,专利申请数量与专利权人数量呈现负上升。

  2008年之前为石墨烯相关专利技术的萌芽阶段;2009年之后石墨烯相关专利技术开始进入快速成长阶段,并有望在2014年之后进入技术成熟阶段。目前,已有部分公司开始石墨烯技术的产业化开发。从2009年开始,每年都有大量的新增发明人进入石墨烯相关技术领域。近年来,该领域每年都有大量的新技术条目涌现。这说明石墨烯相关技术正在处于成长阶段,全球相关技术研发投入在快速上升,推动石墨烯技术应用范围不断扩大。可以预测,在未来几年中,全球石墨烯专利申请数量将会保持继续稳定上升态势。

  我国先闯入领地

  研究发现,石墨烯专利技术重要集中在以下几个方向:石墨烯的制备,例如氧化还原法、化学气相沉积(CVD)等;石墨烯用于制备半导体器件、光电器件及场发射晶体管等;用于制备石墨烯复合材料及薄膜等;石墨烯用于锂离子电池电极等。

  石墨烯专利的热点技术领域重要包括以下几个方面:石墨烯制备,例如液相剥离、化学氧化、外延生长和化学气相沉积;石墨烯分散和粉末制备技术;石墨烯用作锂离子电池电极材料、超级电容器材料、太阳能电池电极材料等;石墨烯用于制备薄膜晶体管、光电器件、透明导电薄膜等半导体器件;石墨烯用于复合材料,例如导电导热材料、复合纤维和碳纤维等;涂层、石墨烯功能薄膜、传感器、水处理等。

  我国处于技术原创国的首位,其专利受理数量大幅领先于随后其他各国家和地区,占据了46%的份额;韩国、美国、日本紧随其后,也是该项技术的重要技术原创国。这是因为该领域目前处于产业化前夕,要政府的大力支持。我国政府在石墨烯技术领域的诸多专项支持极大推动了该国在石墨烯技术领域的研发速度,为未来在行业内领先地位奠定了坚实基础。

  美国和日本是最早进入该技术领域的国家,其他国家则在2006年前后开始相关研究,其中日本、英国、加拿大等国的申请量始终保持稳定,上升缓慢,而我国、美国和韩国在2010年后申请数量上升迅速。其中以我国的上升速度最快,受理的石墨烯相关专利基本上集中在近3年,在专利申请总量上已经远远超越美国、日本和韩国。

  技术原创国和技术目标申请国排名基本相似,可见我国、韩国、美国、日本不仅是石墨烯技术的重要技术原创地,也是重要技术保护地。从各原创国的技术申请范围来看,韩国、美国和日本都在积极进行全球布局,我国在这方面还要进一步加强。

  可努力的方向

  从全球范围来看,石墨烯相关技术目前仍处于高速发展阶段,美、日、韩的专利申请人以大型跨国公司为主,技术领域重要集中在通过由下至上(Bottom-Up)途径制备石墨烯以及相关应用,并且不管是在专利申请数量还是在专利布局方面,都具有优势地位。我国申请人在该领域的相关专利申请起步较晚,申请人相对分散,还没有形成有规模的专利申请布局;我国专利申请人的技术目前重要集中在通过由上到下(Top-Down)途径制备石墨烯以及相关应用,虽然在专利申请数量上占有优势,但通过专刊合作协定途径申请的专利却非常少。

  在Top-Down途径制备石墨烯上,目前,我国国内申请人在该领域的专利申请占有主导地位,比较热点的领域包括锂离子电池、超级电容器、太阳能、导电/导热材料、吸波材料、防腐、润滑等。

  在Bottom-Up途径制备石墨烯上,尤其在石墨烯生长设备以及石墨烯薄膜的转移技术领域,国外申请人在华专利申请数量虽然较少,但大都属于基础专利。国内申请人在该领域起步较晚,但发展迅速,专利技术重要集中在石墨烯薄膜生长、相关设备技术的改进以及液晶显示、触摸等产业的下游领域。在石墨烯薄膜转移技术领域,国内极少涉及,多数申请人在石墨烯薄膜转移领域的专利申请日都在韩国三星之后,并且目前国内还没有大规模转移石墨烯薄膜的设备专利。国外申请人在该领域虽然专利申请数量目前占有较大优势,但其专利技术大多偏向于基础研究,相当一部分专利的产业化应用价值并不高。

  近年来我国对高新技术产业的扶持力度逐渐增大,诸多高新公司纷纷投入到石墨烯薄膜的制备和应用研究中。和国外的专利申请人相比,我国在此方面申请专利的产业化导向更为明显,但是申请人相对分散且相互间缺乏合作关系,建议国家相关部门在政策方面加强引导和支持,推动在该技术领域的产学研合作和技术转移。


标签: 锂离子电池

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