噴墨打印應用在電池制造中的專利分析

姜峰+周小沫+吳冰+胡明軍+嚴薇+張施露

摘 要：噴墨打印已經被作為一種微尺寸成型技術而廣泛應用，該文對噴墨打印在電池制造中應用的中國專利申請信息進行了統(tǒng)計分析，詳細介紹了國內該領域中的專利申請現(xiàn)況，以此為基礎，為國內在該領域的發(fā)展提出一些建議，為我國技術研發(fā)和政策制定提供相關參考。

關鍵詞：噴墨打印 電池 專利 分析

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（b）-0048-03

隨著微電子技術和集成電路規(guī)模化的快速發(fā)展，對于電池尺寸的微型化提出了更高的要求。傳統(tǒng)電池制造技術如疊層、卷繞等技術在微尺寸上無法實現(xiàn)精細化的精確操作，在制作微型電池時不僅存在巨大的挑戰(zhàn)和難度，也無法滿足快速增長地微電池規(guī)模化生產的需求。因此，開發(fā)一種能夠在微尺寸維度內進行精細化控制的制造技術成為關鍵問題。

噴墨打印作為一種計算機控制的數字印刷技術，其原理是通過微米級尺寸的打印頭，將墨水分散成墨水滴，同時依據計算機預先設定的打印程式，將墨水滴打印沉積在載體上，進而呈現(xiàn)出圖案或文字[1-2]。近些年來，噴墨打印作為一種可以實現(xiàn)在微米級尺度上精確控制的圖案化技術，已經被越來越廣泛地應用于生物技術[3-5]、發(fā)光器件[6-8]、傳感器[9-10]、晶體管[11-12]等領域，特別是電池制造[13-19]領域。

中國作為制造和消費大國，擁有巨大的電池能源市場，實現(xiàn)電池領域的中國創(chuàng)造，不僅要清楚行業(yè)現(xiàn)狀，更要掌握技術的發(fā)展趨勢。本文以噴墨打印在電池領域中應用的中國專利申請數據為樣本，從時間分布、地域分布、技術分布以及申請人分布等多角度詳細分析了國內在該領域中的發(fā)展現(xiàn)狀，進而為國內該領域的發(fā)展提出一些建議，為技術研發(fā)和政策制定提供相關參考。

1 數據分析

1.1 申請整體概況

本文以CNABS專利文摘數據庫為基礎，通過分類號和關鍵詞的組合檢索方式，檢索統(tǒng)計得到涉及噴墨打印在電池領域中應用的專利申請總量為56件（檢索截止時間為2014年1月3日，截至上述檢索日，2012年7月3日以后的申請中，可能存在部分申請由于未滿十八個月尚未公布，因此，涉及2012年7月3日以后的專利申請數據僅供參考）。

從總申請量來看，目前該領域專利申請仍偏少，也反映出國內在該領域仍處在發(fā)展初期，成熟的專利布局尚未形成，也意味著仍有較大的發(fā)展空間。

該領域首次中國專利申請由美國申請人斯里國際提出，申請日為1998年11月24日，申請?zhí)枮镃N1314829A，涉及燃料電池膜電極組件的制造。佐證了美國在全球技術發(fā)展與革新的帶動作用和領先地位；首位中國內地申請人為中國科學院大連化學物理研究所，申請時間為1999年4月7日，申請?zhí)枮镃N1269429A，涉及燃料電池膜電極組件制造。第一個國內申請人的申請時間落后于國外申請人僅半年，說明國內在該領域的研究雖然仍處于落后地位，但可以緊跟世界范圍內的技術最新發(fā)展趨勢。

1.2 申請人分布

1.2.1 申請人屬性分布

圖1顯示了申請人屬性的整體狀況。從全部申請人來看，高校/科研機構申請人占比26.32%，企業(yè)申請人占比68.42%，個人申請人僅占比5.26%。在申請人的群體中，企業(yè)依然是專利申請的主體，反映出企業(yè)作為社會生產的實踐者，其對于先進技術的需求最直接，對技術發(fā)展革新的趨勢也最敏銳，也反映出相對于高校/科研機構，企業(yè)擁有更強的技術專利化保護意識。

1.2.2 申請人地域分布

圖2顯示了申請人的地域分布情況。其中，中國內地申請人（不包括港澳臺地區(qū)）的申請量占比21.43%，國外申請人占比8.57%。美國占比14.29%，歐盟地區(qū)占比28.57%，日本占比25%，韓國占比8.93%，美、歐、日、韓四地區(qū)申請人的申請量合計占總申請量的62.5%，占國外申請人總申請量的79.55%，占據了國內該領域專利申請的主體。上述四地區(qū)均為發(fā)達國家和地區(qū)，工業(yè)化程度高，工業(yè)技術發(fā)展研究均處于領先地位，在該領域所呈現(xiàn)出的主體地位也是可以理解的。

1.2.3 重要申請人

表1列出了該領域中排名前10的申請人。外國申請人占據了前8，具有絕對的技術優(yōu)勢。其中，有三位申請人來自日本，包括排在第一位的日產自動車株式會社，反映出日本在該領域中的領先地位。外國申請人均來自美國、日本、歐盟和韓國，由此也不難理解四地區(qū)在該領域中的強勢地位。外國申請人中只有排名第6的精工愛普生株式會社主要涉及打印機領域，其余分布在電子設備、汽車、能源等領域，均與電池領域密切相關，由此可見，其在該領域中的領先地位與其積極的投入是分不開的。前10中僅有2位中國申請人，分別是武漢理工大學和漢能科技有限公司。漢能科技有限公司業(yè)務涉及燃料電池、能源轉化方面，其占有的重要位置也受益于企業(yè)戰(zhàn)略層面的重視。

1.3 申請技術分布

專利申請技術分布如圖3所示。可以看出，噴墨打印技術重點分布在燃料電池、太陽能電池以及鋰二次電池三個電池領域，從現(xiàn)有專利申請的內容來看，這主要與電池結構和制造過程有關。燃料電池的膜電極組件中，通過在質子交換膜表面覆合催化劑層而制成，催化劑一般為貴金屬納米材料，可以溶解于溶劑而制作成噴墨打印用墨水，同時質子交換膜由有機材料組成，也可以分散于有機溶劑而制作墨水。鋰二次電池的電極常規(guī)制作工藝中，電極經歷預混合電極物質與添加劑成電極漿料等程序，其中電極漿料經過進一步改進優(yōu)化也可制成噴墨打印墨水。太陽能電池中，以聚合物太陽能電池為主，源于聚合物太陽能電池結構中多是聚合物組分或是無機組分，有利于制作成墨水。噴墨打印的關鍵技術之一便是打印墨水的制作，而這三種電池均有便于制作墨水的技術優(yōu)勢，因此投入研究較多，專利申請量也較大。

1.4 申請時間分布

1.4.1 申請量時間分布endprint

從圖4可以看出，該領域的首次中國申請出現(xiàn)在1998年，但在接下來的幾年申請量并沒有顯著增長，直到2003-2004年，申請量才出現(xiàn)較為明顯的上升，這反應出一項新技術的研發(fā)需要經歷一定的周期。從2004開始，申請量一直維持在約5件/年的較低水平，這個時期申請量未有明顯增長主要歸因于該領域中的研究并未取得任何實質性的進步和技術上的突破，遇到了技術發(fā)展的瓶頸。在2011年，該領域中專利申請量顯著增加，一方面源于對打印制造設備的改進和發(fā)展，使得噴墨打印技術在制造領域中的應用更具可操作性；另一方面源于打印制造技術受到的持續(xù)關注，吸引了更多的研究者投入其中，進而加速推動了技術的進步。

1.4.2 各地區(qū)申請時間分布

圖5詳細的展示了1998年至2003年之間，美國、日本、歐盟、韓國以及中國申請人的專利申請量隨時間變化的趨勢。可以看出，美國作為技術發(fā)展革新的引領者，最早從1998年就在中國提出專利申請。中國緊隨其后，借助科研機構對技術發(fā)展趨勢的敏銳性和研發(fā)自主性，在1999年提出第一件專利申請。日本在該領域中的專利布局較為落后，在2004年才開始提出申請，其申請量一直穩(wěn)定在較高的水平。韓國則相對較晚，2009年才開始提出專利申請，這歸因于該領域技術發(fā)展并不成熟，仍存在一定的技術瓶頸。專利申請量的第一次增長分布在2004年左右，借助打印機技術的發(fā)展成熟，以及中國在制造業(yè)中“世界工廠”的重要地位，各國申請人開始重視在中國市場的戰(zhàn)略規(guī)劃，意圖建立自己的專利領土，搶占中國市場；第二次增長分布在2011年，中國提出中國創(chuàng)造的概念，鼓勵創(chuàng)新的政策導向，以及專利制度在支持和保護中國創(chuàng)造中重要作用的日益凸顯，推動了專利申請量的增長；同時，借助3D打印技術的熱潮，噴墨打印成型技術憑借其制造優(yōu)勢，也引起了越來越廣泛的關注，同時也推動了技術的發(fā)展。

2 對我國噴墨打印制造電池專利技術發(fā)展的建議

2.1 政策導向，重點扶持

目前國內在該領域仍處于發(fā)展初期，專利技術發(fā)展尚未成熟，專利壁壘也未形成。國內在該領域具有一定的研究基礎和積累，但還需要在多個關鍵技術方面取得突破，才能使該領域進入快速發(fā)展階段。國家和地區(qū)政府應出臺相關政策，為提升中國創(chuàng)造的競爭力，對相關創(chuàng)造行為給予更多的鼓勵和保護，引導更多的優(yōu)秀企業(yè)和人才進入該領域，推動該領域的發(fā)展。

2.2 產研結合，重點突破

企業(yè)在生產第一線，對于市場需求敏感性強；科研機構具有很強的綜合研發(fā)實力，對技術發(fā)展趨勢變化敏感性強；對于該領域的發(fā)展，應有效結合二者的優(yōu)勢，實現(xiàn)產研結合，促進重點企業(yè)和重點科研機構之間的合作，結合市場導向，對該領域中的關鍵技術和重點技術進行集中研發(fā)，爭取掌握該領域中的核心關鍵技術。

2.3 積極布局，劃定領地

國內電池領域的行業(yè)從業(yè)者應著眼未來，抓住機遇，盡早做出專利規(guī)劃，積極地對相關技術進行專利布局保護，借助技術創(chuàng)新，搶占市場先機，建立起專利壁壘，劃定屬于自己的專利領地。

（注：作者周小沫對本文所作貢獻與第一作者等同，因篇幅所限，將其列為第二作者，特此說明。）

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