基于DII的超级电容器专利技术国际态势分析

王 鑫，靳军宝,2,3，郑玉荣，白光祖，王艳妮，吴新年



基于DII的超级电容器专利技术国际态势分析

王 鑫1，靳军宝1,2,3，郑玉荣1，白光祖1，王艳妮1，吴新年1

(1中国科学院兰州文献情报中心，甘肃 兰州 730000；2中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃 兰州 730000；3中国科学院大学，北京 100049)

超级电容器作为一种新型储能装置越来越受到世界各国的重视。因此，本文基于德温特创新索引国际专利数据库（DII），利用Thomson Data Analyzer（TDA）、智慧芽数据库（Patsnap）等专业分析工具和平台，对超级电容器专利技术进行深入分析，以期全面系统揭示超级电容器技术的研发现状、研发热点、技术方向布局及竞争格局等。研究结果表明，从2009年开始，超级电容器技术专利申请量快速增长，目前仍在快速增长期；其主要技术方向为超级电容电极材料及其制备方法、电解质及其制备方法；研究热点主要为双层电容、电容器电极、电解液等；专利申请排名前三位的国家分别为中国、日本和美国；专利申请排名前三位的机构依次为松下电器、日本贵弥功株式会社、明电舍株式会社。

超级电容器；专利技术；研发热点

随着可再生能源系统、分布式供能系统、微电网及智能电网等的快速发展，能源市场对储能的需求越发迫切[1-2]。储能技术一般分为电储能技术和热储能技术，其中电储能技术主要有3类[3-7]：①机械储能（主要包括抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等）；②电磁储能（主要包括超导电磁储能等）；③电化学储能（主要包括超级电容器、铅酸电池、锂离子电池、液流电池、钠硫电池等）。

超级电容器作为一种新型储能装置，其有多种分类方式，根据储能机理的不同，超级电容器主要可以分为三大类‎[8]：①双电层电容器（electrical double-layer capacitor，EDLC），正、负电极都以双电层为主要储能机制；②法拉第准电容器，正、负电极都以准电容（pseudo-capacitor，也称“赝电容”）为主要储能机制；③混合型超级电容器，正、负电极分别以双电层和准电容为主要储能机制。并且超级电容器作为一种功率型储能技术，因其具有较高的功率密度、较长的循环寿命、效率高、稳定性好等优势[9-10]，适用于短时间高功率的负载平滑和改善电能质量‎[7]，特别是可以在配电网中起到维持电网稳定、抑制电压波动和瞬时断电供电等方面的作用而备受关注[11-12]。

专利是技术研发和市场活动的客观反映，世界上90%～95%发明的创造首次公开是在专利文献 中‎[13]。目前已有学者从专利视角对超级电容器现状进行了分析研究，并取得了一定研究成果。李伟等‎[6]的研究表明，超级电容器储能技术目前处于技术相对成熟的阶段，行业内企业间竞争激烈，我国专利数量排名全球第二，但在专利的质量方面仍然和日美等国家有很大的差距。李莉华等‎[8]梳理了超级电容器的国际专利申请趋势、主要技术方向、主要研发国家和机构。马永新等‎[13]阐述了超级电容器作为一种新型储能装置，其优越的性能和广阔的市场前景已引起了世界上众多国家的研发热度，其中日、中、美、韩成为主要竞争国家，且松下电器、丰田、TDK等日本公司具有绝对的竞争优势。但由于超级电容器的技术目前正处于快速发展时期，因此，上述基于专利文献进行分析的时效性和系统性不够，且相关结论已不能反映最新发展现状及进展。为此，本文基于德温特创新索引国际专利数据库（DII），利用Thomson Data Analyzer（TDA）、Patsnap等专业分析工具和平台，对超级电容器技术专利进行深入分析，旨在系统客观地揭示超级电容器技术的研发现状与态势、技术生命周期、技术方向布局和技术主题分布情况、竞争格局等，为我国超级电容器技术发展研发决策、产业化布局等提供参考。

1 数据来源及分析工具

1.1 数据来源

本研究数据来源于德温特创新索引国际专利数据库（DII）。DII作为全球收录最全的专利引文数据库，收录了来自全球47个专利机构的超过2000万条基本发明专利，4000多万条专利情报，数据可回溯到1963年。

本研究数据的检索条件如下。①检索策略：[TI=(Super-Capacitor* or Ultra- Capacitor* OR Super Capacitor* or UltraCapacitor* OR Electrochemical- capacitor OR Electrical-Double-layer-capacitor OR EDLC OR pseudocapacitor)]。②检索时间范围：1963—2017年。③数据量：共检索到11197条有效数据。

1.2 分析工具

本研究主要分析工具为Thomson Data Analyzer（简称TDA）和Patsnap（简称智慧芽）数据库。其中TDA是一款具有强大分析功能的文本挖掘软件，可以对文本数据进行多角度的数据挖掘和可视化的全景分析。智慧芽数据库是一个集成了专利情报、技术情报、法律情报的专利情报分析平台。

2 结果与讨论

2.1 专利申请趋势

图1为超级电容器专利申请量年度变化趋势，1995年之前，相关专利申请量比较少，1995—2008年，超级电容器专利申请量逐年增加，从2009年开始，超级电容器申请量进入快速增长期，目前仍在快速增长阶段。由于专利公布具有滞后性，因此，2015年之后的数据仅供参考（下文同）。

图1 超级电容器专利申请量年度变化趋势

2.2 主要专利申请国家/地区

2.2.1 主要专利申请国家/地区排名

图2为超级电容器技术专利申请量排名前十 位的国家/地区，其中排名前三位的国家/地区分别为中国（5692件，占前十国家申请量的50%，下文同）、日本（3256件，占28%）、美国（957件，占8%），专利申请量排名前3国家专利量占专利总量的87.55%。

图2 超级电容器专利申请排名前十的国家/地区

2.2.2 主要国家/地区近三年的专利申请活跃程度

主要国家/地区近3年的专利申请活跃程度是指国家/地区近三年专利申请量与该国家/地区专利申请总量的比值，该指标可以反映近三年该国家/地区的研发热度情况。表1为超级电容器专利申请量排名前十的国家/地区近3年的专利申请活跃程度，由于专利公布具有一定滞后性，2015年之后数据仅供参考，故“近3年”选取“2013—2015”的数据。可以看出，近三年专利申请活跃程度排名前三位的国家分别为加拿大（占51.02%）、中国（占42.22%）和美国（占35.11%）。

表1 超级电容器专利申请量排名前十国家/地区近3年的活跃程度

2.2.3 主要国家/地区专利技术布局

图3为超级电容器专利产出主要国家/地区排名前十的技术方向布局，中国的专利技术主要布局在H01G-011/86（超级电容器电极材料的制备方法）、H02J-007/00（超级电容器与电池组并联向负载供电的装置）、H01G-011/30[使用各种材料制备超级电容器（如石墨烯等）]、H01G-011/24（超级电容器的电极材料组成或构成的结构特点）；日本的专利技术主要布局在H01G-009/058（双层电容器专用电极材料及其制备）、H01G-009/00（电双层电容器电极的活性材料及其制备）、H01G-009/155（双层电容器的制造方法）、H01G-009/038（双层电容器专用电解质的制造方法）；美国的专利技术方向主要集中在H01G-009/00（电双层电容器电极的活性材料及其制备）；韩国的专利技术主要集中在H01G- 009/058（双层电容器专用电极材料及其制备）。

H01G-009/058（双层电容器专用电极材料及其制备）、H01G-011/86（超级电容器电极材料的制备方法）、H01G-009/00（电双层电容器电极的活性材料及其制备）、H01G-009/155（双层电容器的制造方法）、H02J-007/00（超级电容器与电池组并联向负载供电的装置）、H01G-011/30（使用各种材料制备超级电容器（例如石墨烯等））、H01G-011/24（超级电容器的电极材料组成或构成的结构特点）、H01G-009/038（双层电容器专用电解质的制造方法）、H01G-011/36（超级电容器的纳米结构，如纳米纤维、纳米管等）、H01G-011/46（纳米复合材料、金属氧化物作为超级电容器的电极和电解质）

2.3 主要机构分析

2.3.1 主要机构排名

图4为超级电容器专利申请量排名前十的机构，其中排名前五位的机构分别为：松下电器（312件，占前十机构申请专利总量的22%，下文同）、日本贵弥功株式会社（160件，占11%）、明电舍株式会社（144件，占10%）、旭硝子株式会社（129件，占9%）、海洋王照明科技股份有限公司（129，占9%）。

图4 超级电容器专利申请排名前十的机构

2.3.2 主要机构近三年的专利申请活跃程度

主要机构近3年的专利申请活跃程度是指机构近三年专利申请量与该机构专利申请总量的比值，该指标可以反映近三年该机构的研发热度情况。表2为超级电容器专利申请排名前十的机构近3年的专利申请活跃程度，其中排名前三位的申请活跃机构分别为宁波南车新能源科技有限公司（占75.73%）、日本贵弥功株式会社（占15.63%）、海洋王照明科技股份有限公司（占11.63%）。

表2 超级电容器专利申请排名前十的机构近3年的专利申请活跃程度

2.3.3 主要机构专利技术布局

图5为超级电容器技术专利产出主要机构排名前十的技术方向布局，其中松下电器的专利技术主要布局在H01G-009/00（电双层电容器电极的活性材料及其制备）、H01G-009/038（双层电容器专用电解质的制造方法）、H01G-009/058（双层电容器专用电极材料及其制备）；日本贵弥功株式会社的专利技术主要布局在H01G-009/058（双层电容器专用电极材料及其制备）；明电舍株式会社的专利技术主要布局在H01G-009/155（双层电容器的制造方法）。

H01G-009/058（双层电容器专用电极材料及其制备）、H01G-011/86（超级电容器电极材料的制备方法）、H01G-009/00（电双层电容器电极的活性材料及其制备）、H01G-009/155（双层电容器的制造方法）、H02J-007/00（超级电容器与电池组并联向负载供电的装置）、H01G-011/30 [使用各种材料制备超级电容器（例如石墨烯等）]、H01G-011/24（超级电容器的电极材料组成或构成的结构特点）、H01G-009/038（双层电容器专用电解质的制造方法）、H01G-011/36（超级电容器的纳米结构，如纳米纤维、纳米管等）、H01G-011/46（纳米复合材料、金属氧化物作为超级电容器的电极和电解质）

2.4 主要技术布局

2.4.1 基本专利布局

国际专利分类号(IPC)是目前国际上常用的专利技术分类体系，包含丰富的专利技术信息[6,14]。本文通过对超级电容器技术领域的IPC小组进行统计分析，可以判定出该领域的技术主题布局。图6为超级电容器的基本专利技术布局，排名前三的技术方向分别为：H01G-009/058（1501件，16%）、H01G-011/86（1446件，16%）、H01G-009/00（1183件，13%）。

2.4.2 技术年度变化情况

图7为超级电容器的技术方向年度变化，从图中明显看出，H01G-009/00技术研发的时间比较早，且1989年（46件）和2010年（118件）为两个研究热度峰值；H01G-011/86技术领域虽然研究的步伐比较滞后，但是近几年关注热度呈现井喷式增长，据2016年不完全统计，专利数量达到472件。

图6 超级电容器专利申请排名前十的技术方向

表3 超级电容器的前十专利技术方向中文释义

图7 超级电容器专利IPC分类小组技术年度变化

2.4.3 专利技术主题分布

智慧芽数据库（Patsnap）具有强大的分析和可视化功能，且“智慧芽专利评估系统Emposis”从技术、法律、市场等多维角度对专利价值进行综合评估，并将评估金额超过100万美元以上的专利定义为高价值专利。因此，本文通过Patsnap数据库对超级电容器专利技术主题进行聚类分析，并对其高价值专利分布情况进行了分析。分析结果表明（图8），超级电容器研发热点为活性炭/石墨/双层电容/ 电容器电极/碳材料；高价值专利主要集中在：①非水电解质/电解液/活性炭；②电双层/电容器电极/双层电容。图9为每个技术主题对应的研发力量。

图8 超级电容器专利技术主题分布

图9 超级电容器专利主要技术主题的机构分布情况

为了进一步挖掘高价值专利技术主题分布，本文将高价值专利细分主题再次进行聚类分析，分析结果如图10、图11所示，其中高价值专利第一主题细分技术领域主要集中在电极/活性炭/超级电容器电极/电化学电容器/电动双电层/电解液/电极材料/等方面；高价值专利第二主题细分技术领域主要集中在电容器/双电层/电动双电层/电容器/双电层/电极/等方面。

2.5 专利技术生命周期分析

通过技术生命周期可以判断一项技术目前所处的阶段。常见的基于专利信息分析的技术生命周期方法有S曲线法、专利指标法、相对增长率法、技术生命周期图法、TCT计算法[15-16]等。本文选取技术生命周期图法对超级电容器技术生命周期进行分析。

图10 高价值专利第一主题细分技术方向

图11 高价值专利第二主题细分技术方向

图12为超级电容器专利技术生命周期曲线图，可以直观的反映出超级电容器技术的两个发展阶段：①1970—1996年，该技术处于萌芽期，相关专利权人数量和专利申请数量均很少；②1997至今，该技术处于成长阶段，相关专利权人数量和专利申请数量增长较快，说明越来越多的人开始关注和研究超级电容器技术。

图12 超级电容器专利技术生命周期分析

3 结 论

（1）就申请趋势而言，从2009年开始，超级电容器技术专利申请量进入快速增长期；申请主要技术方向为超级电容器电极材料及其制备方法和电解质及其制备方法；研究技术主题为双层电容、电容器电极、电解液等。

（2）就申请国别而言，超级电容器技术专利申请量排名前三的国家分别为中国、日本、美国，其专利量占专利总量的87.55%；近三年专利申请活跃程度排名前三的国家分别为加拿大、中国和美国。

（3）就申请机构而言，超级电容器技术专利申请排名前三的机构分别为松下电器、日本贵弥功株式会社、明电舍株式会社；近三年专利申请活跃程度排名前三的机构分别为宁波南车新能源科技有限公司（现宁波中车新能源科技有限公司）、日本贵弥功株式会社、海洋王照明科技股份有限公司。

（4）就专利技术生命周期而言：①1970—1996年，该技术一直处于萌芽期，超级电容器技术领域的专利权人数量和专利申请数量较少；②1997至今，该技术处于成长阶段，目前仍在成长阶段。

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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。

甘肃省科技计划（18ZC1LA017）。

王鑫（1990—），女，研究实习员，主要从事产业竞争情报分析，E-mail：wangxin1820@163.com；

吴新年，硕士生导师，主要从事情报理论与方法、知识管理与知识服务、产业技术情报分析、区域发展研究等，E-mail：wuxn@lzb.ac.cn。