基于專利視角的天津市鋰離子電池隔膜產業分析

摘 要：【目的】以專利數據為基礎，融合產業、市場、政策等信息對鋰離子電池隔膜的發展態勢進行具體分析，明晰天津市鋰離子電池隔膜產業的定位，為相關產業發展提供決策參考?！痉椒ā拷Y合研究需要，繪制主要專利分析指標圖表，可視化展示相關指標狀況與趨勢?！窘Y果】通過對圖表的分析與解讀，對天津市鋰離子電池隔膜領域的專利申請趨勢、地域分布、主要申請人、技術分布等維度信息統計分析?！窘Y論】當前天津市本土鋰離子電池隔膜產業總體偏弱，還需加強領域內本地優勢企業培育引進，各高校、科研院所在新研發上也需積極探索。

關鍵詞：鋰離子電池隔膜；專利分析；天津市；發展態勢

中圖分類號：TM912；G255.53" "文獻標志碼：A" "文章編號：1003-5168（2023）21-0130-07

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.21.027

Analysis of Lithium-ion Battery Separator Industry in Tianjin Based on Patent Perspective

XIANG Lijun HUA Lijian WANG Jianjun

（Tianjin Intellectual Property Protection Center， Tianjin 300384，China）

Abstract： [Purposes] The development situation of lithium-ion battery separator is specifically analyzed based on patent data integrating industry， market， policy and other information， which clarifies the positioning of the lithium-ion battery separator industry in Tianjin and provides decision-making reference for the development of the industry. [Methods] Combining with the research needs， this paper draws the charts of the main patent analysis indicators to visualize the status and trend of the relevant indicators. [Findings] By analyzing and interpreting the charts， the patent information in the field of lithium-ion battery diaphragm in Tianjin is statistically analyzed about the dimensions of application trend， geographical distribution， major applicants， and technology distribution. [Conclusions] Currently， the local lithium-ion battery separator industry in Tianjin is generally weak. It is necessary to strengthen the cultivation and introduction of local advantageous enterprises in the field. Universities and research institutes in Tianjin also need to actively explore new research and development.

Keywords： lithium-ion battery separators; patent analysis; Tianjin City; development situation

0 引言

鋰離子電池作為一種新型可再生清潔能源，具有體積小、能量密度高、自放電小、安全性高、可大電流充放電、壽命長、環境友好等諸多優點，在便攜式電子設備、電動汽車、航空航天、軍事裝備等多個領域扮演著越來越重要的角色^［1］。鋰離子電池主要由正電極、負電極、電解液和隔膜組成。其中，隔膜是一種具有微孔結構的薄膜，是鋰離子電池產業鏈中最具技術壁壘的關鍵內層組件，其主要作用是隔離正、負極并阻止電子自由穿過，讓電解質液中的離子在正負極間自由通過^［2］。當前市場上主流的鋰電池隔膜生產工藝主要分為干法和濕法兩大類，另外在實驗室及規模性產業化起步階段還有一些新的工藝技術在被探索，如靜電紡絲工藝、濕法抄造工藝、熔噴紡絲工藝、相轉化法等^［3］。根據鋰離子電池隔膜的制備材料結構特點和生產技術，也可分為微孔聚烯烴膜、改性聚烯烴膜、無紡布隔膜、涂層復合膜、納米纖維膜和固體電解質膜等六大類^［4］。

我國隔膜產業的發展經歷了從進口依賴到自主研發，再到逐步完成國產替代的過程。隔膜是鋰電池四大關鍵材料中最晚實現國產的環節，直到2011年國內開始對整個新能源汽車產業鏈實行力度極大的補貼政策后，隔膜行業的投資、技術和工藝水平才開始大幅提升。2018年后，隔膜國產化比例已達到90%，但當前高端膜市場層面仍存在短板^［5］。天津市前期已形成涵蓋鋰離子電池材料前驅體、正極、負極、電解液、隔膜、殼體、電池管理系統等的完整產業鏈，下游新能源汽車產業發展初具規模、體系完整，后發潛力較大。

本研究基于專利數據對國內外及天津市鋰離子電池隔膜的發展情況進行具體分析，輔助明晰天津市鋰離子電池隔膜產業的定位，為相關產業發展提供決策參考。

1 鋰離子電池隔膜專利態勢分析

1.1 專利申請發展趨勢

本研究統計范圍是2022年7月1日前已公開的專利申請，國內外鋰離子電池隔膜專利申請趨勢統計結果如圖1所示。從全球專利申請量和隔膜產業的發展歷程可以看出，雖然1970年就已經出現了微孔隔膜生產工藝的專利登記信息，但全球隔膜專利申請在1996年以前較少。20世紀90年代初期，全球第一塊商業化鋰離子電池的誕生標志著隔膜產業與其他鋰離子電池相關產業正式進入快速發展階段。在此期間日本政府制定了一項為期10年的鋰電池研究計劃，美國Celgard作為干法制膜的鼻祖也正式開啟鋰電隔膜的先河，此時正是鋰離子電池隔膜技術的研發起步階段。

從1996年開始，隨著材料科學的不斷發展，隔膜材料、制備技術的不斷豐富，尤其是鋰離子電池應用場景的發展，為隔膜的發展提供了廣闊的市場。1996—2009年，除少數年份的專利申請量有短暫回落之外，鋰離子電池隔膜專利申請量處于明顯的上升期，這可能與日本等國紛紛放棄笨重的鎳氫電池，開始使用輕量、高能的鋰離子電池有關。為了適應不斷發展的鋰電池市場，上游隔膜企業也先后開始升級產品。

從國內專利申請趨勢可以看出，我國鋰離子電池隔膜專利申請起步較國外晚10年左右。從2000年開始我國專利申請量才開始逐步提升，直到2009年增速都比較平緩，從2010年開始才正式進入快速增長期。這與我國市場快速崛起、國外傳統隔膜巨頭開始進行大量布局有關，同時中國企業在國內補貼政策支持下開始提升技術及工藝水平，力求通過自主研發掌握核心技術來打破之前完全依賴國外進口的局面。

從2009年開始，伴隨著鋰電池在電力驅動應用中的快速發展，國內外隔膜行業均迎來了一次產能擴張，國內外相關專利申請也都隨之進入快速增長期，二者保持相同的發展趨勢。2009—2018年，這10年間是鋰離子電池隔膜的快速發展時期，全球與中國專利在此階段每年的申請量都大幅提升，這主要得益于全球電動車市場的迅速發展及中韓兩國的隔膜產業的崛起，上游隔膜行業的投資、技術和工藝水平隨之大幅提升。

2018年之后的專利申請量較往年相比有下降，原因如下。一是傳統的隔膜技術已經相對成熟，前期積累了大量的專利，新的突破與改進減少。二是由專利申請流程導致。在專利申請中，申請文件從申請到公開之間，最長可達18個月，存在部分專利未公開的情況。另外可能受新冠疫情影響，出現了相關研發進度被滯后及部分未能及時將最新研究成果申請專利的情況。同時，在新能源汽車全球市場需求增長的帶動下，隔膜產業作為上游供給可能會繼續保持較好的增長態勢，這也可能倒逼隔膜技術新研發新突破專利的加快布局。

1.2 技術來源與目標市場國家/地區分布

由于申請人通常傾向于優先在本國提交申請，因此，最早優先權國家/地區一定程度上代表技術來源國家/地區。通過專利申請量分析技術來源國家/地區可以看出該國家/地區的技術創新能力和活躍程度。而目標市場國家/地區專利申請量分布則主要反映著技術主要布局，其專利申請量在一定程度上反映了該目標市場的受關注程度。

鋰離子電池隔膜技術來源與目標市場國/地區分布如圖2所示。在技術來源國/地區分布方面，中國申請的專利申請量位居第一位，占所有優先權專利量的41.86%，其后依次為日本、美國和韓國等。中國、日本、美國和韓國四個國家的專利申請量占所有優先權專利量的93.06%，是鋰離子電池隔膜技術開發最為積極的國家，也是該領域主要創新主體區域。其中，中國以外的全球技術原創國家或地區中，日本占比最大，達到26.92%，作為電池領域最大的核心技術產出國，日本在隔膜領域也具有核心地位。而我國各類創新主體在國家政策的支持下，加大研發投入，專利申請數量及質量都大幅提升。

在目標市場國/地區分布方面，中國局受理的專利申請量也位居第一，占比約為50%，從側面也反映出全球市場創新主體對中國市場的高度重視。緊隨中國之后的目標市場國家/地區為美國、歐洲、日本，這一布局與其下游新能源汽車市場格局相關。當前新能源汽車作為能源綠色化的重要標志正讓汽車領域經歷著自其誕生以來罕見的全局性變革，隨著各國制定利好政策支持新能源汽車行業發展，全球新能源汽車銷量呈現高速增長態勢。中國新能源汽車發展態勢迅猛，通過發布利好政策、發放購置補貼、加強基礎設施建設、推動新能源電動汽車下鄉等一系列措施推動中國新能源汽車市場占有率不斷提高。美國新能源汽車市場由特斯拉領頭，在雄厚經濟實力和深厚汽車產業基礎支撐下蘊藏著巨大潛力。歐洲作為全球最大新能源汽車市場，歐盟理事會于2023年3月28日批準一項法規，決定從2035年起禁售會導致碳排放的新的燃油轎車和小型客貨車，在該法規的指導下，預計歐洲將制定更多利好政策促進新能源汽車行業發展，歐洲新能源汽車行業領先和優勢地位也將持續保持。日本新能源汽車技術有比較深厚的積累，其在燃料電池產品的研發和產業化推進也領先于其他國家，但近年受有關技術發展的限制和產業發展目標的不確定性影響，日本新能源汽車發展暫時陷入遲緩期。

1.3 在中國專利申請布局分析

主要國家申請人在中國專利申請量占比如圖3所示，國內的申請量占比很高，達到總申請量的77.66%，國外申請人中，日本、韓國、美國申請人的占比靠前，但都低于15%。可見國內申請人在中國的申請量上有絕對優勢，說明國內創新主體對鋰離子電池隔膜在本國的專利布局比較重視，充分發揮東道主優勢積極搶占中國市場先機。而作為鋰離子電池隔膜產業最重要的生產國日本對中國市場也很重視，在中國進行了一定的專利布局。

1.4 技術分支申請趨勢

當前鋰離子電池隔膜領域的研發主要集中在隔膜材料及其制備工藝上，主要包括改性復合膜、無紡布膜、聚烯烴膜、納米纖維膜及無機非金屬膜，對其各技術分支專利申請趨勢進行分析，結果如圖4所示。可以看出各分支申請趨勢與該領域整體專利申請趨勢相一致（如圖1所示），在2018年出現拐點，2018年之后的專利申請量較往年相比開始減少，說明這些技術分支技術已處于相對成熟狀態，新突破與新改進在減少。而固態電解質膜分支自2009年后始終保持快速增長狀態，且專利數量在各分支中處于高位，說明固態電池是當前技術研究的熱點，未來可能在固態電池技術成熟后，鋰離子電池中傳統隔膜研究熱度會進一步下降。

2 天津市鋰離子電池隔膜產業概況

2.1 專利申請趨勢

天津市鋰離子隔膜相關專利申請趨勢如圖5所示，總體呈增長趨勢，但每年布局的專利數量相對較少。其中，2011—2012年增長迅速的原因是天津東皋膜技術有限公司在這兩年密集提出專利申請。2016年又出現一個小波峰，主要是因為天津凱普瑞特新能源科技有限公司于2016年3月注冊成立，作為一家從事新能源鋰電池材料、隔膜相關材料及鋰電池技術、涂覆技術研發、生產、銷售的國家高新技術企業，在成立之初就對相關產品所涉技術進行了大量的專利布局。

2.2 天津專利申請量在全國的地位

通過對中國專利省市布局分析可了解中國申請專利保護較多的省市的創新活躍程度，明晰天津市在全國的地位。鋰離子電池隔膜在中國各省市專利分布如圖6所示，位于前10位的省市分別是：廣東、江蘇、上海、北京、浙江、山東、安徽、福建、湖北、湖南。其中廣東占國內申請人總申請量的19.18%，達2 232項，位居申請量榜首。主要是由于廣東經濟發展水平比較高，整個鋰離子電池產業鏈發達，分布著眾多制造廠家，對鋰離子電池隔膜的研發生產有著得天獨厚的優勢。另外廣東對新能源汽車一直比較關注并給予大力扶持，因此上游鋰離子電池隔膜產業也隨之發展，聚集著多家鋰離子電池隔膜廠商，如比亞迪、星源材質、中興新材、格瑞普、金輝高科等。江浙滬地區是中國經濟發展最活躍、開放程度最高、創新能力最強的區域之一，分布著許多新能源新材料企業，其中上海恩捷更是全球鋰電隔膜龍頭。北京的申請量也較大，主要在于北京具有隔膜行業中唯一央企背景的中材科技且此地分布著眾多高?？蒲性核?，如清華大學、中國科學院化學研究所、北京理工大學、北京工業大學等，這些高校院所在鋰離子電池隔膜領域進行了廣泛深入的研究，提高了專利申請的總量。相比之下，天津專利申請量偏低。

2.3 天津主要申請人排名及類型

天津市相關專利排名前10主要申請人如圖7所示，結合市場調研情況可以看出，專利統計創新主體情況與實際市場調研情況相一致，企業是該領域的主力軍，高校科研院所是有力補充，再次體現出鋰離子電池隔膜領域的研發更傾向于市場應用。申請量排名前三的申請人為天津力神、天津工業大學及并列第三的天津東皋膜技術有限公司和天津市捷威動力工業有限公司。

2.4 主要申請人的專利技術分布

天津市排名前10主要申請人的專利技術分布如圖8所示。對排名靠前的專利申請主體進行綜合分析發現：①申請量排名第一的天津力神，作為國內重要電池生產廠商，在鋰離子電池隔膜領域其研發主要集中在裝置裝備或加工檢測方法上，圍繞著隔膜的孔徑大小、閉孔溫度、透氣度等功效進行檢測手段的探索。②天津工業大學依托其傳統紡織技術研發優勢，在靜電紡絲技術制膜上獨樹一幟，在納米纖維鋰離子電池隔膜、聚烯烴無紡布增強凝膠聚合物電解質膜等方向上有一定量的專利申請，為天津市在該領域的創新發展提供了智力支撐。③天津東皋膜技術有限公司作為天津市曾經在鋰離子電池隔膜領域中的翹楚，在當年的隔膜市場上獨具競爭力，它也是天津市隔膜領域唯一的PCT申請人，其完全自主知識產權的“超臨界萃取”工藝路線及當時兩條國內先進的“濕法”超高分子量聚乙烯雙向拉伸隔膜生產線，曾填補了國內高端隔膜產品空白，打破了國外壟斷格局。

天津當前鋰離子電池隔膜產業總體偏弱，主要體現在相關產業規模小，且研發技術多集中于非核心零部件配套，在隔膜制備材料方面專利儲備較少。除了天津東皋膜和天津凱普瑞特新能源科技有限公司外，其他企業都并非傳統意義上隔膜專門廠商，例如天津市鋰電池領域明星企業——天津力神電池雖曾于2014年與河北金力達成新能源戰略合作致力于動力鋰電隔膜開發，但隨著公司戰略調整，其產品線仍主打圓（柱）型、方型、動力和聚合物電池及超級電容器的生產制造，并未在鋰離子電池隔膜領域上深耕。同時領域內原本地優勢企業式微暫無后繼，僅相關高校、科研院所在新技術研發上有所探索。

4 結論及建議

結合前文分析結果和天津市鋰離子電池隔膜產業技術水平、市場現狀，提出以下建議。

一是加強和其他地區產業交流，增強與產業鏈上下游企業間的互動，形成優勢互補。通過與江浙滬及廣東、深圳等產業發達地區進行技術交流和投資互動，在尋求源頭技術突破的同時，接收其他地區的技術溢出和產業溢出，引導區域間產業有序轉移承接合作，激發各自經濟協調發展的內生動力。通過上下游企業間的合作交流，實現產業鏈條意義上的范圍經濟，不斷降低產品生產成本，最終形成優勢互補。例如，在鋰離子電池隔膜上游聚烯烴供給方面，天津石化作為聚烯烴新品開發的標桿性龍頭企業實力不俗。在下游消費電池、電池電芯制造上，力神電池也擁有較強的研發實力。

二是以天津市鋰離子電池技術創新中心為依托，強化對固態電解質膜的研發與支持。固態電解質膜是當前的研發熱點，處于產業化初期階段。天津市鋰離子電池技術創新中心聚集了中電科十八所、力神電池公司等多家實力鋰電企業及南開大學、天津大學等高?？蒲袡C構，可通過給予創新中心平臺政策與資金支持，促進企業成員與科研院所成員間的技術合作，共享優勢資源，集中科研力量攻克固態電解質膜技術難題，扶持相關孵化企業發展壯大。

三是不斷強化校企產學研合作，引導靜電紡絲工藝技術攻關。隨著靜電紡絲技術與高端鋰離子電池隔膜結合越來越緊密，靜電紡絲工藝在鋰離子電池隔膜領域越來越受到業界的重視。天津部分高校在靜電紡絲工藝上具有開發高端隔膜的研究潛力與實力，但要攻克當前技術瓶頸仍需企業力量加持，因此要充分調動高校院所的優質資源，依托高校、科研院所、企業和產業園區創建產學研創新發展平臺，建成若干政府主導、高校引領、中小企業為主的產業空間新格局。

四是人才培養和引進是天津市發展鋰離子電池隔膜產業的有效手段。在人才培養方面，可設置激勵獎勵機制，如通過提高薪酬、給予科研項目資金與平臺支持、提供自身技能等級和專業技術水平提升的機會、優化人才配套服務等措施調動現有人才的積極性，促進產業技術發展。以高校專業教育為基礎，建設人才培養示范基地，創新人才培養方式，鼓勵企業導師參與，打造專業化人才梯隊，為產業發展壯大夯實人才基礎。在人才引進方面，結合相關發明人情況，以現實需求為導向，側重固態電解質膜及靜電紡絲工藝改性膜方向，關注該領域活躍發明人及團隊。必要時通過優惠的政策引進這些外部創新型人才，充分挖掘重點分支上的現有高校、科研院所和重點企業核心發明人資源，通過引進、合作等方式豐富天津市在鋰電產業領域的人才，不斷強化其與本地核心研發人員的融合，合理搭建團隊，逐步形成高水平的研發隊伍，為產業的長足發展提供人力支撐。

五是持續增強創新主體的創新意識，鼓勵和引導其加大專利投入。鑒于天津市目前在鋰離子電池隔膜領域技術專利整體數量偏低、重點發展技術分支的專利布局尚未形成規模的情況，應鼓勵創新主體在技術開發和產品研發的過程中及時申請專利、擴大專利產出，提高專利申請數量及質量，并結合研發和市場策略開展有針對性的專利申請與布局，力爭通過為關鍵技術和核心技術構建專利池，在熱點技術領域中占得先機。鼓勵有能力的創新主體盡早建立專業的知識產權人才隊伍，引導其建立健全知識產權規章制度，提升專利運營和管理水平。

參考文獻：

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［5］ 于捷， 張文龍. 鋰離子電池隔膜的發展現狀與進展［J］. 化工進展， 2023， 42（4）： 1760-1768.

收稿日期：2023-07-21

作者簡介：向麗君（1989—），女，碩士，工程師、知識產權師，研究方向：知識產權；華李?。?995—），男，碩士，研究方向：知識產權。

通信作者：王劍君（1970—），女，碩士，高級工程師，研究方向：知識產權。