1、2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告石墨烯储能领域应用专利分析报告作者：韩雪 邓伟 周旭峰 刘兆平2021 Report on Patenting Activity of Graphene for EnergyStorage ApplicationsPrepared by Han Xue , Deng Wei , Zhou Xufeng, Liu Zhaoping中国科学院宁波材料技术与工程研究所浙江省石墨烯制造业创新中心浙江省石墨烯应用研究重点实验室中国科学院石墨烯工程实验室中国石墨烯产业技术创新战略联盟20

2、21 石墨烯储能领域应用专利分析报告报告摘要报告摘要本文为了解石墨烯在储能领域研究开发的知识产权现状， 以锂离子电池、超级电容器、锂硫电池、锂空气电池、锂金属电池、钠离子电池、铅炭电池等电化学储能体系为切入点，对石墨烯在储能领域应用技术进行专利检索，并从全球专利申请趋势、主要来源国家、各结构部件中应用专利分布、重要专利申请人等方面进行了详尽的分析。以期为我国石墨烯储能技术创新及产业发展规划等提供有价值的参考。2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告I目目录录一、前言.11.1 研究背景及意义.11.2 数据来源与方法.2二、石墨烯在储能领域应用专利概况.42.1 全球专利申请趋势.42.2 国

3、家/地区分布分析.52.3 专利运营情况.6三、石墨烯在锂离子电池领域应用的专利分析.83.1 全球专利申请趋势.83.2 主要来源国家.93.3 各结构部件中应用专利分布.93.4 重要专利申请人.13四、石墨烯在超级电容器领域应用的专利分析.174.1 全球专利申请趋势.174.2 主要来源国家.184.3 各结构部件中应用专利分布.184.4 重要专利申请人.21五、石墨烯在其它储能领域应用的专利分析.245.1 锂硫电池. 245.2 锂空气电池.262021 石墨烯储能领域应用专利分析报告II5.3 锂金属电池.285.4 钠离子电池.305.5 铅酸电池. 32六、总结与展望. 3

4、52021 石墨烯储能领域应用专利分析报告1一、前言一、前言1.1 研究背景及意义研究背景及意义石墨烯具有独特的单原子层二维晶体结构， 集多种优异特性于一身，如超高的载流子迁移率、电导率、热导率、透光性、强度等1-3。自 2004 年被首次发现，尤其是自 2010 年斩获诺贝尔奖以来，石墨烯吸引了大量研发人员将其应用于众多领域方向。 石墨烯作为一种年轻的新材料，在储能技术中表现出巨大的应用潜力，具体应用方向有锂离子电池、锂空气电池、锂硫电池、超级电容器、储氢等储能体系4。同时， 各国政府和相关机构也在积极鼓励石墨烯在储能领域应用的研发工作，推进产学研融合，进一步推动了石墨烯储能技术创新和产业发

5、展5。由中科院宁波材料所及浙江省石墨烯制造业创新中心等发布的2019 石墨烯技术专利分析显示，在石墨烯应用技术相关专利中，储能领域相关专利占比达到 22.5%6。 可见，储能领域是石墨烯应用研究最为集中的领域之一。在全球绿色低碳可持续的发展大势下， 我国主动提出碳达峰与碳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黄

7、澍, 王玮, 王康丽,等. 石墨烯在化学储能中的研究进展J. 储能科学与技术, 2014, 3(2):85-95.5车子璠，张辰，安琴友等. 我国石墨烯发展现状及展望J. 中国基础科学, 2020, 136(04):60-66.6韩雪，马经博，周旭峰，刘兆平等. 2019 全球石墨烯技术专利分析J. 新材料产业，2019，312(11):10-18.7刘毅, 李岱素. 面向科技情报的专利分析研究综述及应用建议J. 科技管理研究, 2018, 416(22):162-167.2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告2中和目标。在此背景下，以新能源材料和技术为依托的储能技术无疑是最为重要的抓手之一

8、， 而突破更为先进的储能技术就成为未来科技发展的重要目标。 专利文献是研究技术创新和产业经济不可缺少的重要数据7，本文以专利文献为分析对象，在综合考虑研发进展和产业化进程后，选取石墨烯在锂离子电池、超级电容器、锂硫电池、锂空气电池、锂金属电池、钠离子电池、铅炭电池等储能体系中应用的相关专利进行分析，发现石墨烯在储能领域的专利技术申请态势，为政府和企业做出科学决策提供参考。1.2 数据来源与方法数据来源与方法为了解石墨烯在储能领域的应用现状， 本文按照电化学储能体系类型对石墨烯应用领域进行分类，并做相应的专利分析。本文分析的数据均来自由北京合享智慧科技有限公司开发的专利数据库 incopat，为

9、获取石墨烯及其衍生物在其中起关键作用的专利技术， 以标题和摘要作为检索字段，将专利类型限定为发明专利。本文采用分总式检索策略，采用关键词与 IPC 分类号相结合的方式检索获取专利数据，具体内容如表 1-1 和表 1-2 所示。表 1-1 为石墨烯应用于锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池、锂金属电池、钠离子电池、铅炭电池的检索要素及对应的关键词、IPC 分类号。在表 1-1 中，鉴于本文部分研究内容为二次电池，且石墨烯目前应用于二次电池电极材料居多，选取IPC 分类号 H01M4（其含义为“电极”）、H01M10（其含义为“二次电池；及其制造”）加入检索式。在获取检索结果后，通过人工阅2021 石

10、墨烯储能领域应用专利分析报告3读清理其中的无关项， 对与检索主题密切相关的专利进行人工数据标引，以确定石墨烯应用的储能体系类型和具体结构部件。本文以专利公开文本作为分析对象， 既包括专利申请公布文本又包括专利授权公告文本。文中所指专利数量均指专利简单同族数量，简单同族指优先权完全相同的一组专利， 同一专利申请的申请公布文本与授权公告文本在本文中计为一件专利。 文中专利主要来源国家指专利申请人所属表 1-1 石墨烯应用于电池体系的检索要素、关键词及 IPC 分类号检索要素检索要素关键词关键词IPC 分类号分类号锂离子锂; Lithium; Li-ion锂金属锂金属;Li-metal;Lithiu

11、m-metal锂空气锂空;锂氧;Lithium-air;Li-O2;Li-air锂硫锂硫;Lithium-sulfur; Li-S钠离子钠; Sodium-ion铅炭铅酸;铅蓄;铅碳;铅炭; lead-acid; lead-storage;lead-carbon电池电池;cell$;battery;batteries;accumulator$;accumulateurH01M4; H01M10石墨烯石墨烯; graphene表 1-2 石墨烯应用于超级电容器的检索要素、关键词及 IPC 分类号检索要素检索要素关键词关键词超级电容器超级电容;双电层电容; 赝电容;法拉第准电容; supercap

12、acitor$;ultra-capacitor$;electrochemical-capacitor$;electrical-double-layer-capacitor$; EDLC; EDLCs; pseudocapacitor$ ;pseudo-capacitor$石墨烯石墨烯; graphene2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告4国家。本文专利检索截止日为 2021 年 3 月 31 日。因专利从申请到公开，到数据库收录，会有一定时间延迟，本文中近两年数据会小于实际数值，仅供参考。二、石墨烯在储能领域应用专利概况二、石墨烯在储能领域应用专利概况2.1 全球专利申请趋势全球专利申请

13、趋势图 2-1 石墨烯在储能领域应用专利申请趋势如图 2-1 所示，石墨烯应用于储能领域相关专利共计 6415 件。专利申请开始于 2003 年，到 2009 年每年相关专利申请量较少，每年仅有少量申请；2010 年，诺贝尔物理学奖颁给两位石墨烯研究先驱，全球范围内掀起了石墨烯研究的热潮。同时，随着石墨烯规模化制备工艺的突破8、各国政府相继出台政策支持石墨烯相关研究，大量的8 化信. 全球首条石墨烯生产线落户宁波J. 化工新型材料, 2013(05):187-187.2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告5研究团队涌进石墨烯储能领域， 石墨烯在储能领域应用相关专利申请进入快车道。2018 年

14、当年，相关专利申请量达到 1136 件，达到历年最高点。2.2 国家国家/地区分布分析地区分布分析图 2-2 石墨烯在储能领域应用专利申请来源国本文以第一申请人国籍作为专利申请来源国来分析专利技术起源地。如图 2-2 所示，中国申请人在相关领域专利申请量最多，占比达 81.6%。专利申请数量排名第二、第三的为美国、韩国，占比分别为 7.3%和 4.9%。日本、中国台湾、德国、印度也申请了一定数量的相关专利。分析一件专利的申请来源国及对应的专利受理国， 可以知道专利技术的输入输出情况。如图 2-3 所示，中国申请人在本国的申请量最大，在海外的申请量比例明显偏低。美国、韩国和日本申请人在本国和海外

15、均有较多的专利申请。各国均较为重视在美国的专利布局，通2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告6过世界知识产权局提交专利申请是各国进行海外专利布局的重要途径。图 2-3 石墨烯在储能领域应用专利流向2.3 专利运营情况专利运营情况图 2-4 有效专利保护主题人工分析其中 1833 件有效专利文本的独立权利要求后获得图专利受理国家/地区专利申请来源国2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告72-4。 从保护主题来看， 有效专利文本中有 90.3%的专利为制造方法类专利，产品类专利仅占 9.7%。另外，从有效专利的转让和许可情况来看，发生专利权转让的专利占 15.8%，许可专利仅占 0.4%，专利

16、转让和许可比例明显偏低。2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告8三、石墨烯在锂离子电池领域应用的专利分析三、石墨烯在锂离子电池领域应用的专利分析3.1 全球专利申请趋势全球专利申请趋势锂离子电池是目前世界上应用最广泛的高性能二次电池，但其性能依然难于满足 3C 电子产品、电动汽车、规模储能、电动工具等应用场景对其能量密度、倍率性能及循环性能等不断提出的更高要求。石墨烯独特的二维结构和优异的力学、 电学性能使其成为一种极具应用潜力的锂离子电池材料，为解决这类问题带来了新的思路9。图 3-1 石墨烯在锂离子电池领域应用专利申请趋势如图 3-1 所示，石墨烯在锂离子电池领域应用共有专利申请 369

17、4件。从 2012 年开始，相关专利申请量快速增长；2018 年当年专利申请达到峰值，申请量达到 688 件；2019 年之后，申请量增长放缓。可见，将石墨烯应用于锂离子电池在近些年备受关注。9曹亮, 王安安, 艾立华,等. 石墨烯在锂离子电池材料性能优化中的应用J. 中国有色金属学报, 2016,26(004):807-820.2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告93.2 主要来源国家主要来源国家由图 3-2 可知，石墨烯在锂离子电池领域应用专利申请人中，中国是主要专利技术来源国，申请总量达 3073 件，占比 83.2%，其次为美国、韩国、日本，分别占比 6.4%、4.1%、4.1%。

18、纵观整个锂离子电池材料领域，日本、韩国两国占有技术优势并拥有可观的专利储量10。 然而在石墨烯应用于锂离子电池这一技术路线中， 日韩两国则显得较为谨慎，在该领域的专利申请量远低于中国。图 3-2 石墨烯在锂离子电池领域应用专利申请来源国3.3 各结构部件中应用专利分布各结构部件中应用专利分布在锂离子电池领域，石墨烯目前主要用在正极、负极、导电添加剂、电解质、隔膜、集流体、粘结剂等结构部件。从图 3-3 可知，在专利文献中，锂离子电池负极中采用石墨烯材料的专利数量最多，明10 王云飞，初志勇，管泉等. 基于专利分析的动力型锂离子电池发展态势分析J.现代情报，2015，35(006):102-10

19、6.2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告10显高于其他部件。其次，锂离子电池正极、导电添加剂也是石墨烯在其中应用较为广泛的结构部件。图 3-3 石墨烯在锂离子电池各结构部件中应用的专利申请量由图 3-4 可知，石墨烯在锂离子电池负极材料应用相关专利申请时间最早，为 2007 年，并且在后续的技术发展中专利申请数量增长最快、技术密集度最高。相对来讲，在正极材料中应用的相关专利申请起步较晚，专利申请增长较慢。可见，科研人员更为关注将石墨烯图 3-4 石墨烯在锂离子电池各结构部件中应用的专利申请趋势2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告11材料应用于锂离子电池负极这一技术方向。如图 3-5 中

20、所示，在锂离子电池中，负极是国内外专利申请人都最为关注的石墨烯应用结构部件。与外国申请人相比，中国申请人在该领域专利申请总量上占有绝对优势。锂离子电池正极、导电添加剂也是中国申请人申请较为集中的石墨烯应用领域。图 3-5 石墨烯在锂离子电池各结构部件中应用的国内外专利申请对比锂离子电池负极中，石墨烯应用方式通常有两类，一类是将石墨烯直接作为活性材料，一类是将石墨烯与活性材料复合，以缓解活性材料在充放电过程中的体积变化，改善活性材料导电性。由图 3-6 可知， 直接使用石墨烯及其衍生物作为负极活性材料的专利实际上占比很少，仅为 8.3%。石墨烯与硅基材料、金属氧化物复合，尤其是与硅基材料复合是专

21、利申请最为集中的领域。 硅基负极材料因其具有较高理论比容量，被视为比较理想的下一代锂离子电池负极材料，不少2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告12负极材料生产企业均已开始布局硅基负极的开发与商业化。可见，石墨烯及其衍生物在锂离子电池电极材料中大多数还是以与其他活性成分复合的方式存在， 将石墨烯及其衍生物作为电极材料的专利申请量仅占少数。可见，如何让石墨烯在储能体系中发挥其最大效用仍然是研发人员需要解决的技术难题。需要说明的是，部分专利文献中对与石墨烯复合的活性材料类型没有特殊限定，在图 3-6 和图 3-7 中将此类专利归类为“石墨烯/未限定类型活性材料复合物”，图 3-6 中此类专利有

22、120 件，占比 5.6%。图 3-6 石墨烯在锂离子电池各类负极中应用的专利申请概况将图 3-6 按时间线来梳理可以获得图 3-7。可以看出，在 2008 年至 2015 年，石墨烯在硅基负极和金属氧化物负极中应用的相关专利申请量及变化趋势相近。以 2016 年为转折点，石墨烯在硅基负极方面的应用相关专利申请量持续走高，而研发人员在石墨烯/金属氧化物复合负极方面的专利申请热情则逐渐消退。 石墨烯及其衍生物直接2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告13作为负极活性材料相关专利的申请量则随时间呈曲折上升态势。图 3-7 石墨烯在锂离子电池各类负极中应用的专利申请趋势3.4 重要专利申请人重要专

23、利申请人根据专利申请数量排名， 我们整理出了排名前 20 的专利申请人，如表 3-1 所示。 仅从申请数量上来看， 排名靠前的专利申请人中有 12位是来自中国的高校和科研院所。其中，中国科学院宁波材料技术与工程研究所刘兆平团队率先开展石墨烯锂离子电池应用研究， 先后提出石墨烯导电浆料、涂炭集流体和石墨烯改性活性材料等研究思路。表 3-1 专利申请量排名前 20 的申请人汇总申请人申请人类型类型所属国家所属国家申请量申请量美国纳米技术仪器公司&全球石墨烯公司&扎木阿茹娜&张博增（Nanoteck Instruments Inc & GlobalGraphene Group Inc & ZHAMU

24、ARUNA&JANG BOR Z）企业美国59中南大学高校中国52株式会社半导体能源研究所企业日本51浙江大学高校中国49陕西科技大学高校中国482021 石墨烯储能领域应用专利分析报告14天津大学高校中国42合肥国轩高科动力能源有限公司企业中国40上海交通大学高校中国37上海大学高校中国33成都新柯力化工科技有限公司企业中国31哈尔滨工业大学高校中国27株式会社 LG 化学企业韩国27三星集团企业韩国25复旦大学高校中国24东丽公司企业日本23山东星火科学技术研究院科研院所中国23中国科学院过程工程研究所科研院所中国21中国科学院宁波材料技术与工程研究所科研院所中国20广东工业大学高校中国2

25、0表 3-2 展示了申请 PCT 专利、欧专局专利或者多国专利的申请人排名。有 2 位申请人来自中国，分别是鸿富锦精密工业（深圳）有限公司与清华大学，两者作为共同申请人在中国大陆、中国台湾、美国、日本等国家合作申请了 11 个专利族。其余 8 位申请人则来自日本、美国和韩国。表 3-2 PCT、欧专局及多国专利申请量排名前 10 的申请人汇总申请人类型所属国家申请量株式会社半导体能源研究所企业日本53东丽公司企业日本25美国纳米技术仪器公司企业美国23株式会社 LG 化学企业韩国17日本电气株式会社企业日本17三星集团企业韩国16鸿富锦精密工业(深圳)有限公司企业中国11清华大学高校中国11巴

26、特尔纪念研究院科研院所美国102021 石墨烯储能领域应用专利分析报告15图 3-8 中国专利申请人类型从图 3-8 可知，在中国申请人中，企业和科研单位（科研院所和高校）专利申请量各占专利申请总量的一半左右，可见，企业和高校/科研院所均较为重视石墨烯在锂离子电池领域的技术研发和专利申请。从专利申请人来看， 石墨烯锂离子电池相关专利拥有量较多的企业按照主营业务可以分为两类，一类企业锂离子电池并非其主营业务，这类企业重视知识产权布局和运营，试图通过石墨烯这种新兴材料在锂电池领域应用，在该领域取得技术突破，建立专利壁垒。这类企业有由张博增、扎木阿茹娜共同创办的美国纳米技术仪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、株式会社半导体能源研究所和东丽集团等。第二类是以锂离子电池为主营业务，申请人有合肥国轩高科动力能源有限公司、株式会社 LG 化学、三星集团。值得注意的是，在锂电池材料领域专利申请数量一向靠前的申请人， 如丰田、 松下、 索尼、2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告16三菱、博世等企业10并未出现在上述分析的重要专利申请人中。可见，对于将石墨烯应用于锂离子电池这项技术，各大锂离子电池企业态度各异，部分企业试图通过石墨烯的应用实现新的技术突破，而部分企业则对此项技术持观望态度。10 王云飞，初志勇，管泉等. 基于专利分析的动力型锂离子电池发展态势分析J.现代情报，20

28、15，35(006):102-106.2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告17四、石墨烯在超级电容器领域应用的专利分析四、石墨烯在超级电容器领域应用的专利分析4.1 全球专利申请趋势全球专利申请趋势超级电容器具有充电时间短、使用寿命长、功率密度高、安全系数大、节能环保等特点。然而相较于传统的二次电池，较低的能量密度限制了超级电容器的规模化推广应用。同时，由于技术的进步，各应用领域对超级电容器在功率密度、 充放电时间等方面提出了更高的要求。石墨烯具有独特的二维结构和优异的物化特性，研究人员开始对石墨烯在超级电容器中的应用进行相关试验和研究11。图 4-1 石墨烯在超级电容器领域应用相关专利申

29、请趋势截止至 2021 年 3 月 31 日，石墨烯在超级电容器领域应用的专利申请量共计 1619 件。从图 4-1 可知，2003 年到 2008 年期间，相关专利申请数量维持在个位数；2009 年至 2011 年，专利申请开始显现快11El-Kady M F ,Shao Y ,Kaner R B . Graphene for batteries, supercapacitors and beyondJ. NatureReviews Materials, 2016, 1(7):1-14.2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告18速增长趋势；2012 年开始进入专利申请快速增长期。可见，鉴于

30、石墨烯的优异性能，并伴随石墨烯大规模制备技术的突破，将石墨烯应用于超级电容器领域成为热门研究方向， 其中 2016 年专利申请达 284件；从 2016 年开始，申请量放缓，专利申请数量开始逐年下降。4.2 主要来源国家主要来源国家如图 4-2 所示，石墨烯在超级电容器领域应用相关专利主要由中国申请人申请，占比 77.3%，排名第二、第三的申请人分别是美国和韩国，专利申请占比为 8.2%、6.9%。图 4-2 专利申请来源国4.3 各各结构部件中结构部件中应用专利分布应用专利分布由图 4-3 可知，在专利申请中，石墨烯主要应用于超级电容器中的电极材料，占比达 96.0%，另外有少量专利中石墨烯

31、应用于电解质、隔膜、集流体、导电剂、粘结剂。2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告19图 4-3 石墨烯在超级电容器各结构部件中应用的专利申请量石墨烯在超级电容器中的应用主要分为两类，一类为将石墨烯及其衍生物直接作为超级电容器电极活性材料， 另一类为石墨烯与其他活性材料复合。 从图 4-4 可知， 在超级电容器电极材料相关专利中，石墨烯及其衍生物直接作为电极材料、石墨烯与其他碳基材料复合、石墨烯与金属氧化物复合是申请量排名前三的应用领域。图 4-4 石墨烯在超级电容器各类电极材料中应用的专利申请量将石墨烯及其衍生物直接作为超级电容器电极活性材料相关专2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告2

32、0利中，石墨烯大多数具有多孔（气凝胶、泡沫结构、海绵结构等）、杂原子掺杂、柔性（水凝胶、纤维）、透明等特征；应用场景除常规的超级电容器外，还有柔性可穿戴、微电子设备用微型超级电容器。图 4-5 石墨烯在超级电容器各类电极中应用的专利申请趋势如图 4-5 所示，石墨烯/碳基复合物、石墨烯/金属氧化物复合物、石墨烯及其衍生物、石墨烯/导电聚合物复合物等作为超级电容器电极材料的相关专利在 2016 年及以前申请量增长迅速， 到 2016 年以后则开始出现下降趋势。从图 4-6 可以看出，在超级电容器电极材料中应用石墨烯时，国外申请人较为关注石墨烯与碳基材料复合、石墨烯及其衍生物、石墨烯与金属氧化物复

33、合 3 个领域，在石墨烯/导电聚合物的石墨烯复合电极领域，外国申请人关注度较低；国内申请人则在石墨烯与活性材料复合方面做了更多样的尝试，石墨烯与导电聚合物复合物、石墨烯与其它材料复合物（如金属硫化物、金属氮化物、金属单质等）领域均申请了较多专利。2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告21图 4-6 石墨烯在超级电容器各类电极中应用的国内外专利申请对比4.4 重要专利申请人重要专利申请人如表 4-1 所示，在专利申请总量排名前 20 位的专利申请人中，有 17 位是高校，有 1 位是科研院所，即中国科学院宁波材料技术与2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告22工程研究所，另外有 2 位是企业

34、申请人。表 4-1 专利申请量排名前 20 的申请人汇总申请人申请人所属国家所属国家类型类型申请量申请量美国纳米技术仪器公司&全球石墨烯公司&扎木阿茹娜&张博增（Nanoteck Instruments Inc & GlobalGraphene Group Inc & ZHAMUARUNA&JANG BOR Z）美国企业36哈尔滨工业大学中国高校29东华大学中国高校25福州大学中国高校23浙江大学中国高校22江苏大学中国高校19加利福尼亚大学美国高校18北京化工大学中国高校16天津大学中国高校16广东工业大学中国高校15山东欧铂新材料有限公司中国企业15同济大学中国高校15电子科技大学中国高校

35、14华南理工大学中国高校14中国科学院宁波材料技术与工程研究所中国科研院所14复旦大学中国高校13桂林理工大学中国高校13山东理工大学中国高校13上海应用技术大学中国高校13武汉工程大学中国高校13表 4-2 PCT、欧专局及多国专利申请量排名前 5 的申请人汇总申请人申请人所属国家所属国家类型类型申请量申请量美国纳米技术仪器公司&全球石墨烯公司&扎木阿茹娜&张博增（Nanoteck Instruments Inc & GlobalGraphene Group Inc & ZHAMUARUNA&JANG BOR Z）美国企业13加利福尼亚大学美国高校11巴斯夫公司德国企业6德克萨斯大学系统美国

36、高校5三星集团韩国企业52021 石墨烯储能领域应用专利分析报告23表 4-2 整理了在石墨烯超级电容器应用领域提交 PCT 专利申请或向欧洲专利局提交专利申请或提交多国专利申请的专利申请人排名。如图 4-7 所示，在中国专利申请人中，专利申请主要集中在高校、科研院所这类科研单位中，占比总计达 75.1%，企业专利申请量占比21.4%。可见，将石墨烯应用于超级电容器这一领域，研发主体集中在科研单位中。图 4-7 中国专利申请人类型从专利申请人类型来看，高校和科研院所的专利申请量远超企业申请人。而纵观整个超级电容器领域，专利申请量一向排名靠前的松下电器、 日本贵弥功株式会社、 明电舍株式会社、

37、旭硝子株式会社、宁波中车新能源科技有限公司等12，均未出现在上述重要申请人之中。可见，目前超级电容器企业还未针对石墨烯在超级电容器领域应用展开大面积的专利布局。12王鑫，靳军宝，郑玉荣等. 基于 DII 的超级电容器专利技术国际态势分析J.储能科学与技术，2019，8(01):209-216.2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告24五五、石墨烯在其它储能领域应用的专利分析石墨烯在其它储能领域应用的专利分析5.1 锂硫电池锂硫电池因为单质硫具有很高的理论放电比容量，使得锂硫电池具有极高的能量密度。同时，锂硫电池具有材料成本低、环境友好等优点，被认为是最具前景的下一代二次电池技术。但硫的绝缘性

38、，体积膨胀及充放电过程中产生易溶于电解液的多硫化物， 导致锂硫电池体系仍无法向实用化发展。由于石墨烯不仅可以提高硫的导电性，还可以为多硫化物提供物理吸附和化学吸附， 将其应用于锂硫电池中成为研究热点13。目前，石墨烯在锂硫电池领域的应用相关专利共计 558 件，由图5-1 可知，2016、2017 年是相关专利申请数量快速增长期，2018 年申请数量开始出现下降趋势。图 5-1 石墨烯在锂硫电池领域的应用相关专利申请趋势13刘勇志, 王勇, 王聪伟,等. 石墨烯应用于锂硫电池的研究进展J. 新型炭材料, 2020, 35(01):9-19.2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告25石墨烯主要

39、应用于锂硫电池的正极、隔膜等结构部件。由图 5-2可知，将石墨烯应用于锂硫电池正极中的专利申请量最多，占比为82.1%。在锂硫电池专利技术中，研发人员集中关注于将石墨烯用于正极材料，来提高正极活性物质硫的利用率，防止多硫化物溶解于电解质中，并提高锂硫电池的电极导电性。图 5-2 石墨烯在锂硫电池各结构部件中应用的专利申请量世界各主要经济体高度重视锂硫电池技术的开发， 已投入大量人力物力。相比于中国，美国、日本及欧洲在锂硫电池机理研究和产业化技术开发领域占据更多优势14。 聚焦本文所关注的石墨烯在其中的应用研究，根据专利申请总量排名可以列出排名前 5 的专利申请人，如表 5-1 所示。可以看出，

40、其中有 3 位是来自中国的科研单位，有 2位是分别来自韩国和美国的企业。可见，中国的研发人员在石墨烯应用于锂硫电池方面表现更为积极。14陈雨晴，杨晓飞，于滢等. 锂硫电池关键材料与技术的研究进展J.储能科学与技术，2017,6(2):169-188.2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告26表 5-1 专利申请量排名前 5 的申请人汇总申请人申请人类型类型所属国家所属国家申请量申请量肇庆市华师大光电产业研究院科研院所中国24株式会社 LG 化学企业韩国16哈尔滨工业大学高校中国13美国纳米技术仪器公司 & 全球石墨烯公司& 扎木阿茹娜 & 张博增（Nanoteck Instruments I

41、nc & GlobalGraphene Group Inc & ZHAMUARUNA&JANG BOR Z）企业美国13中南大学高校中国125.2 锂空气电池锂空气电池随着科技不断进步和人口快速增长，化石能源日渐枯竭，同时环境问题日趋严重，开发新型绿色、环保、高效的能源迫在眉睫。锂空气电池以其成本低、 环境友好和理论能量密度高的优点引起人们广泛研究。但是，锂空气电池仍处于发展的初级阶段，在实际应用和商业化前仍面临诸多问题与挑战。 研究人员尝试将石墨烯材料进行结构设计优化后应用于锂空气电池中，以期改善锂空气电池的循环性能、倍率性能、容量特性和能量效率4。石墨烯在锂空气电池领域的应用相关专利共计

42、88 件，由图 5-3可知，从 2011 第一件相关专利申请开始，每年的专利申请数量均较为稳定。4黄澍, 王玮, 王康丽,等. 石墨烯在化学储能中的研究进展J. 储能科学与技术, 2014, 3(2):85-95.2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告27图 5-3 石墨烯在锂空气电池领域的应用相关专利申请趋势石墨烯主要应用于锂空气电池的催化剂、空气电极、人造 SEI膜等领域。由图 5-4 可以看出，石墨烯作为催化剂相关专利申请量最多，占比为 65.9%。图 5-4 石墨烯在锂空气电池各结构部件中应用的专利申请量由表 5-2 可知，各专利申请人拥有的专利数量并不多，排名居首的北京化工大学常州

43、先进材料研究院其相关专利申请量也仅有 7 件，这与锂空气电池目前还未进入商业化阶段存在较大关系。2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告28表 5-2 专利申请量排名前 5 的申请人汇总申请人申请人类型类型所属国家所属国家申请量申请量北京化工大学常州先进材料研究院科研院所中国7麻省理工学院高校美国6浙江大学高校中国5三星集团企业韩国4加州大学高校美国35.3 锂金属电池锂金属电池本节所述锂金属电池指以金属锂作为负极材料，采用除单质硫、氧气（空气）以外的物质作为正极材料的锂二次电池。目前，石墨烯在锂金属电池领域应用相关专利共 113 件。由图 5-5 可知，从 2009年之间，相关专利申请量始终

44、处于较低位置，2018 年相关专利申请量最大，达到 37 件。图 5-5 石墨烯在锂金属电池领域应用相关专利申请趋势石墨烯在锂金属电池中主要应用于人造 SEI 膜、 正极、 复合负极、集流体、隔膜等结构部件。由图 5-6 可知，石墨烯应用于人造 SEI 膜2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告29中的专利申请量最多，占比为 33.3%，其次为在锂金属电池正极中专利申请量较多，占比 26.3%。石墨烯应用于人造 SEI 膜中有利于锂离子和电子的扩散与传递， 缓解充放电过程中的金属锂体积变化和锂枝晶的生成，避免生成死锂以及防止枝晶刺穿隔膜，从而提高金属锂负极的循环稳定性和倍率性能15。图 5-6

45、 石墨烯在锂金属电池各结构部件中应用的专利申请量表 5-3 专利申请量排名前 5 的申请人汇总申请人申请人类型类型所属国家所属国家申请量申请量美国纳米技术仪器公司 & 全球石墨烯公司&扎木阿茹娜 & 张博增（Nanoteck Instruments Inc & Global GrapheneGroup Inc & ZHAMUARUNA&JANG BOR Z）企业美国16中国科学院宁波材料技术与工程研究所科研院所中国7韩国科学技术研究院科研院所韩国6天津大学高校中国6西北大学高校美国315张毅俊. 金属锂负极的改性及其电化学性能的研究D. 浙江大学, 2017.2021 石墨烯储能领域应用专利分

46、析报告30从表 5-3 可知，专利申请量排名前 5 的专利申请人中有 2 位来自中国，为中国科学院宁波材料技术与工程研究所和天津大学。5.4 钠离子电池钠离子电池尽管锂离子电池具有能量密度高、循环使用寿命长等特点，但受到锂资源匮乏因素影响，锂离子电池较难大规模应用于储能体系中。发展资源丰富、 环境友好的钠离子电池具有重要的战略意义16。 目前，石墨烯在钠离子电池领域的应用共有 263 件专利申请，图 5-7 为专利申请趋势。 由图可知， 2016 年到 2018 年是专利申请集中期， 由于 2019年及以后申请的专利有一部分还处于未公开状态， 所以近三年专利申请趋势尚不清晰，但从当前数据来看，

47、2019 年专利申请量预计将超过 2018 年。可见，近些年，钠离子电池领域关于石墨烯应用的专利申请比较活跃。图 5-7 石墨烯在钠离子电池领域应用相关专利申请趋势16叶飞鹏, 王 莉, 连 芳,等. 钠离子电池研究进展J. 化工进展, 2013(08):1789-1795.2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告31从图 5-8 可知，在钠离子电池相关专利文献中，主要采用石墨烯及其衍生物或者石墨烯复合物作为电极材料， 缓解电极材料的体积膨胀问题，从而提高钠离子电池的循环性能。图 5-8 石墨烯在钠离子电池各结构部件中应用的专利申请量从表 5-4 可知，石墨烯在钠离子电池领域专利申请量靠前的申

48、请人均为来自中国的高校，其中以陕西科技大学申请数量最多，该校曹丽云团队共申请相关专利 15 件。这也从侧面说明，对于石墨烯在钠离子电池领域的应用，目前仍处于实验室研究阶段，相关技术从实验室跨越到大规模的工业应用仍需时日。表 5-4 专利申请量排名前 5 的申请人汇总申请人申请人类型类型所属国家所属国家申请量申请量陕西科技大学高校中国23中南大学高校中国20浙江大学高校中国16华南理工大学高校中国8天津大学高校中国72021 石墨烯储能领域应用专利分析报告325.5 铅酸电池铅酸电池铅酸电池历史十分悠久，从 1860 年正式问世至今已有 160 余年历史，其制备工艺已十分成熟。在铅酸电池负极中加

49、入炭材料可以改善铅酸电池的充电接受能力和活性物质的利用率， 此类铅酸电池被称为铅炭电池17。 而石墨烯作为近年来备受关注的新型炭材料， 研究人员将目光转向在铅炭电池中使用石墨烯材料。由图 5-9 可知，石墨烯在铅炭电池领域的应用相关专利共计 86件。从 2009 年开始，该领域专利申请量呈现波动上升趋势，但每年的专利申请量始终不多，申请数量最多的 2019 年其专利申请量也仅有 17 件。图 5-9 石墨烯在铅炭电池领域应用相关专利申请趋势在相关专利中， 石墨烯作为铅炭电池的负极活性材料应用方式分为三类：（1）复合，石墨烯与负极活性物质铅复合，形成包覆结构或负载结构，将该复合材料做为负极活性物

50、质；（2）共混，石墨烯17王乐莹, 张浩, 曹高萍,等. 炭材料在铅炭电池负极中的应用综述J. 电池, 2017(4):244-247.2021 石墨烯储能领域应用专利分析报告33部分取代负极活性物质铅，在和膏阶段，将石墨烯与铅粉混合均匀后制作成负极活性物质；（3）复合后共混，石墨烯与其他材料复合后作为复合添加剂，在和膏阶段，将该复合添加剂掺入铅粉后制作成负极活性物质。从图 5-10 中可知，在专利文献中，采用共混方式将石墨烯加入铅炭电池负极的专利数量占比最多，专利数量 62 件，占比达到 72.1%。图 5-10 石墨烯在铅炭电池负极中应用方式的专利申请量该领域专利申请量排名前 5 的申请人