1、纳米能源领域技术发明能力比较研究 毛荐其 李新秀 陈雷 山东工商学院工商管理学院 山东能源经济协同创新中心 摘 要： 鉴于能源短缺和环境问题, 纳米能源科技备受世界各国关注。本文将纳米能源技术划分为八个领域, 基于德温特专利数据库收集了 1991-2015 年间的纳米能源各领域的专利数据, 采用专利计量的方法进行分析, 探讨纳米能源各技术领域技术的总体分布、结构分布、时间序列分布、地域分布以及技术热点等。研究发现:纳米能源各领域的技术活动呈现不均衡性发展;中国、美国、日本和韩国是纳米能源各领域技术活动的强国;各领域技术能力分布存在差异且技术热点不同。在未来的发展中, 中国应巩固和增强现有的技术
2、优势, 实现各领域均衡协调发展。关键词： 纳米能源; 专利计量; 技术能力; 作者简介：毛荐其 (1963-) , 男 (汉) , 安徽桐城人, 山东工商学院管理学院教授, 研究方向为技术与创新管理。作者简介：李新秀 (1990-) , 女 (汉) , 山东日照人, 山东工商学院管理学院研究生, 研究方向为能源技术经济。作者简介：陈雷 (1976-) , 女 (汉) , 河北定州人, 山东工商学院煤炭研究院副研究馆员, 研究方向为创新管理。收稿日期：2016-10-16基金：国家自然科学基金面上项目 (71672103) Comparison of technological inventio
3、n capacities in nano-energy fieldMao Jianqi Li Xinxiu Chen Lei School of Business Administration, Shandong Technology and Business University; Shandong Collaborative Innovation Center of Energy Economy; Abstract： Given energy shortage and environmental issues, nano-energy has attracted many attentio
4、ns worldwide.This article divides nano-energy technology into eight sub-fields and explores the overall distribution, structural distribution, temporal distribution, geographical distribution and hotspot technologies of each nano-energy sub-field using patentometric method based on nano-energy paten
5、t data during 1991-2015 collected from Derwent Innovation Index database.We find that technological activities in each subfield present imbalance development, and China, USA, Japan and South Korea are technological leaders, but there are differences in technological capacities and hotspot technologi
6、es in each field.China needs to consolidate and enhance existing technological advantages to achieve balanced progress in nano-energy field in the future.Keyword： nano-energy; patentometric; technological capacities; Received： 2016-10-161 引言能源始终是人类生存、经济增长和社会发展的关键组成部分, 是世界各国关心和瞩目的重要问题1。煤炭、石油和天然气等化石能源
7、不仅不可再生, 且它们的大规模消耗造成一系列严重的环境污染和气候异常, 危及人类的健康安全和经济的持续增长2,3。近年来, 纳米技术在传统能源及新兴能源领域的应用引起了学者、投资人和政府部门的广泛关注, 因为纳米科技对能源生产、存储、收集、转换、使用及管理等诸多环节带来重大影响3-5。纳米技术、纳米材料在能源领域的应用不仅从根本上增加化石能源的效率而且使可持续能源的商业化规模得以实现;此外, 通过低排放、甚至是零排放, 还能降低能源消费带来的环境影响。纳米技术、纳米材料在能源领域的应用衍生出新兴纳米能源科技领域5,6。纳米能源范式对能源安全和社会可持续发展具有重大贡献。世界许多国家都非常重视纳
8、米能源发展。中国在国家“863”计划中设置了纳米能源研究专题, 在纳米研究国家重大科学研究计划“十二五”专项规划中又将能源纳米材料与技术作为纳米技术的主要研究任务之一。美国、日本、韩国、欧盟、加拿大等国也都在国家大型计划中资助纳米科技在能源领域的应用研究。有少数学者收集纳米能源领域的文献数据和专利数据, 测度整个纳米能源领域的科技能力并进行国际比较分析。然而, 还没有学者将关注的焦点聚焦到细分的不同纳米能源领域发明能力的比较研究上。尽管纳米技术在化石燃料碳捕获技术、低排放技术开发以及太阳能电池、太阳能光伏、陶瓷燃料电池、热能等能源领域已经取得了一定的进展6-9。鉴于纳米能源科技对解决能源短缺和
9、环境问题的重要性, 我们试图通过专利计量的方法和指标以及突现检测方法, 选择有代表性的国家, 从长时间跨度的研究视角, 对纳米化石燃料、纳米太阳能、纳米潮汐能、纳米风能、纳米生物能、纳米核能、纳米水能、纳米地热能共 8个纳米能源细分领域的技术发明增长过程、技术的结构分布、技术的地域分布、技术的热点和重点技术进行测度和比较分析, 以期发现纳米能源各细分领域的技术特点及发展景观并为中国纳米能源科技发展提供指导建议。2 数据检索在本研究中, 我们使用复合词检索策略, 从德温特专利数据库检索收集纳米能源 8 个细分领域的专利数据。选择该检索策略是因为纳米能源领域边界模糊且正处于动态变化过程中, 目前还
10、没有权威的技术分类码界定这一领域。我们采用佐治亚大学纳米技术研究与创新系统评估小组定义的纳米技术检索词检索纳米技术专利10。对于能源专利检索词, 我们参考已有的检索词11-13, 并进行补充和完善, 最终确定了化石燃料、太阳能、潮汐能、风能、生物能、核能、水能、地热能 8 个能源领域的专利检索词 (如表 1 所示) 并用于检索相关的能源专利。在德温特专利数据库中, 将纳米技术专利检索结果分别与各个能源领域的专利检索结果进行逻辑运算得到纳米能源细分领域的专利数据。表 1 能源领域的专利检索词 Table 1 Patent search terms in the energy field 下载原表
11、 我们于 2016 年 1 月进行了专利检索过程, 经过彻底的数据清洗, 最终获得了1991-2015 年间的 8 个纳米能源细分领域的 18495 项专利, 其中 16973 项专利的专利权人涉及了企业、大学或研究院所。由于德温特专利数据库不提供专利权人的国别信息, 本文在进行技术能力的国际比较之前逐一识别 16973 项纳米能源专利的机构专利权人的国别信息, 并将它们都归属到具体的国家。3 比较分析3.1 总体、时间及结构分布专利量是表征技术发明能力的一个重要指标。图 1 提供了我们关注的各个纳米能源细分领域专利量占 8 个纳米能源领域专利总量的百分比。可知, 世界范围的组织机构在各纳米能
12、源领域的发明活动活跃程度表现不同。其中, 纳米化石燃料和纳米太阳能领域的发明活动非常活跃, 纳米化石燃料专利百分比高达47.85%, 位居 8 个纳米能源细分领域的榜首;纳米太阳能领域专利量占 24.86%, 位居第二位。纳米潮汐能、纳米风能、纳米生物能和纳米核能四个领域的技术发明较少, 它们的专利量占我们关注的 8 个纳米能源领域专利总量的 26.68%。因而, 这四大领域的技术发明活动相对来说还不太活跃。纳米水能和纳米地热能的专利量则更少, 它们各自所占比例均不超过 1%。为了解纳米能源各领域发明活动随时间的演变过程, 图 2 给出了纳米能源专利量的时间分布图。可知, 2000 年为纳米能
13、源技术活动的分水岭。在这之前, 纳米能源技术发明活动处于起步阶段, 各领域的纳米能源发明活动表现得都不活跃, 专利量都非常少且增长缓慢;在这之后, 各纳米能源领域的技术发明开始呈现出明显的增长。纳米化石燃料的专利产出在 2001-2015 年间一直领先于其它7 个纳米能源领域, 且最近五年呈现爆发式增长。可见, 纳米技术在传统的化石能源领域具有广泛的应用。2004 年起, 纳米太阳能领域的专利产出开始呈现快速增长趋势, 这一期间该领域的专利产出量仅次于纳米化石燃料。可见, 太阳能作为清洁的可再生资源引起了广泛关注。纳米潮汐能、纳米风能、纳米生物能和纳米核能领域的专利产出也具有一定幅度的增长。纳
14、米水能和纳米地热能领域的专利产出量自 2006 年开始增长, 目前它们的基数都还较小。图 1 纳米能源领域的专利百分比 (1991-2015) Figure 1 Percentage of patents in the nano-energy field (1991-2015) 下载原图图 2 纳米能源领域的专利产出量的时间分布 Figure 2 Distribution of times for patent outputs in the nano-energy field 下载原图我们通过二维矩阵法对 2001-2015 年间纳米能源各领域的专利总量和相对增长率进行组合分析, 以揭示纳米能
15、源各领域的技术成长情况。如图 3 所示, 我们分别以纳米能源各领域的专利总量和相对增长率为矩阵横轴、纵轴, 分别以 8个纳米能源领域专利总量的均值和相对增长率的均值为中线绘制散点图, 将二维组合矩阵划分为四个象限。其中, 相对增长率用来表征某一纳米能源技术领域相对于所有 8 个纳米能源技术领域总体发明的成长情况。如果相对增长率大于 1, 则说明该纳米能源技术领域专利产出的增长快于 8 个纳米能源技术领域总体专利产出的增长;如果相对增长率小于 1, 则说明其处于落后状态。相对增长率是考察期内某一纳米能源技术领域的专利产出量的复合增长率与所有 8 个纳米能源技术领域专利产出量复合增长率的比值。图
16、3 专利总量-相对增长率组合散点图 Figure 3 Scatter plot for patent total amount-relative growth rate 下载原图纳米化石燃料和纳米太阳能两个技术领域位居高总量-高增长象限中。其中, 纳米化石燃料的专利产出量是 8 个领域中最高的, 纳米太阳能的专利产出量排第2 位, 它们属于纳米能源领域的主导技术领域;这两个技术领域专利产出量的相对增长率较大, 在 8 个纳米能源领域中分别居于第 4 位和第 2 位, 具有较高的增长潜力。纳米风能和纳米生物能居于低总量-高增长象限中。其中, 纳米风能和纳米生物能领域的专利产出量分别为 1349
17、和 1021 项, 低于所有 8 个纳米能源领域专利产出总量的平均值, 并且它们的相对增长率均不小于 1。这两个技术领域具有较低的专利总量和较高的相对增长率, 说明这两个技术领域具有较大的发展空间, 可能会成为未来纳米能源领域的支柱和主导领域。纳米潮汐能、纳米核能、纳米水能和纳米地热能都位居低总量-低增长象限内, 这四个技术领域的专利产出量和相对增长率都居于较低的水平, 表明它们是萌芽型的技术领域, 发明活动活跃程度还比较低。我们未发现位居高总量-低增长象限内的纳米能源技术领域。3.2 国家分布专利产出量是衡量一个国家发明能力的重要指标之一。由表 2 可以考察纳米能源专利产出量的地理分布。可以
18、发现, 中国是纳米能源专利最多产国家;美国、日本和韩国紧跟其后;德国、法国、英国和加拿大纳米能源专利产出量则相对较少。因而, 欧洲国家在纳米能源专利活动方面很大程度上滞后于中国、美国、日本和韩国。各个国家在不同纳米能源领域的专利产出能力存在显著差异性。在纳米化石燃料、纳米潮汐能、纳米风能和纳米生物能领域中, 中国的专利产出量领先于其它国家, 美国和日本的专利产出量相当;在纳米太阳能和纳米核能领域中, 美国、中国的专利产出量旗鼓相当, 日本和韩国紧随其后;在纳米核能和纳米地热能领域中, 中、美两国专利产出最高。表 2 纳米能源各领域专利高产国家的专利量 Table 2 Quantity of p
19、atents in productive countries in the nano-energy field 下载原表 鉴于 2000 年之前世界各国在 8 个纳米能源领域中的专利产出很少且增长平缓, 我们仅关注 2001-2015 年间纳米能源专利量的年度分布。图 4 提供了考察期里纳米能源各领域中专利多产国家的专利产出量随时间的演变趋势。值得说明的是, 图 4 中某些国家近几年的专利数量出现轻微减少现象, 这可能是专利公开的滞后性所致。自 2001 年以来, 几个主要国家在纳米化石燃料领域中的专利产出量增长较为明显。不难发现, 中国、美国、日本和韩国是纳米化石燃料领域专利高产国家。然而,
20、 这四个国家的专利活动随时间的演化模式不同:起初美国和日本是世界上纳米能源化石燃料领域技术研发的关键活动者, 并且它们在很长一段时间里占据了领导地位;最近几年纳米化石燃料专利产出的地理中心发生了一定的转移。自 2011 年起, 中国和韩国已经表现出在纳米化石燃料领域的重要地位。特别地, 中国的纳米化石燃料专利产出量在 2011 年超过了美国和日本, 且保持着迅速增长的势头。自 2004 年起, 几个主要国家在纳米太阳能领域中的专利产出量开始明显增加。中国、美国、日本和韩国仍然是纳米太阳能领域专利最多产国家。2004-2007年间, 日本在纳米能源领域的专利产出最多, 是发明活动的关键活动者。2
21、007-2012 年间, 中、美、日三国在纳米能源领域的专利产出相当。随后, 中国表现出最为明显的增长。2005 年之前, 世界各国在纳米潮汐能领域的专利产出量缓慢增长;2005 年之后, 各国的专利产出迅速增长。其中, 美国和日本一直以来都是纳米潮汐能领域专利产出大国。2005 年以后, 中国和韩国也逐步占据了关键地位。特别地, 中国自 2007 年起在纳米潮汐能领域的专利产出最多, 成为该领域专利产出第一大国。2001-2006 年间, 世界各国在纳米风能和纳米生物能领域的发明活动处于零星探索期, 随后进入起步和发展阶段。中国在纳米风能领域的专利产出增长最为明显, 是纳米风能专利产出第一大
22、国, 占据绝对优势地位。其余国家则增长缓慢。中国自 2009 年在纳米生物能领域的专利产出超过了美国, 位居第一位。在纳米核能的专利产出方面, 中国和美国占据主导地位。2001-2010 年间, 美国在纳米核能领域的专利产出量最高;2010 以后, 中国成为纳米核能专利产出第一大国。图 4 纳米能源领域专利多产国家的专利量年度分布 Figure 4 Annual distributions of patents in productive countries in the nano-energy field 下载原图3.3 技术热点分析3.3.1 词频分析不同的技术代码能够表征构成专利发明的不
23、同的技术能力3。我们统计各纳米能源领域的技术代码以发现纳米技术的热点领域。表 3 给出了 8 个纳米能源领域的前 10 个高频技术代码, 以及每个技术代码实例化的专利数占该领域专利总数的百分比。表 3 各纳米能源领域的高频 4 位 IPC 号 Table 3 High-frequency 4-digit IPC codes in each nano-energy field 下载原表 依据软件 SciTool 进行分析, 实际上纳米化石燃料领域 8852 项专利共涉及了405 个不同的 4 位 IPC 号。技术代码 H01M 表示用于直接转变化学能为电能的过程或方法的技术, 其发展最为迅速,
24、它实例化的专利高达 2924 项;技术代码B01J 表示如胶体化学和催化作用的化学或物理过程及其相关设备的技术, 其备受青睐;技术代码 C01B 表示非金属元素及其化合物的技术, 其发展较为迅速。总体上看, 这三项技术能力实例化的专利都超过了 1000 项, 所占比例都在 10%以上。据 4 位 IPC 号统计, 4599 项的纳米太阳能专利分布于 288 个技术领域中。其中, 与半导体器件和其他类目中不包括的电固体器件相关的技术 (H01L) 是纳米太阳能技术中最热点的领域, 它实例化的专利量为 2883 项, 占纳米太阳能专利总量的 62.69%, 说明纳米太阳能领域有超过一半的专利属于与
25、半导体器件和其他类目中不包括的电固体器件相关的技术。在 1956 项的纳米潮汐能专利中共有 313 个不同的技术代码。其中, 纳米潮汐能领域中数量最多的技术代码 H01L, 它实例化了 347 项纳米潮汐能专利;此外, 技术代码 H01S 的数量也比较多, 它表示利用受激发射的基本电气元件的技术能力。纳米风能领域的 1385 项专利共涉及到 309 个不同技术领域。表 3 所示, 这些技术领域涉及层状产品 (B32B) 、使用无机物或非高分子有机物作为配料 (C08K) 、有机高分子化合物的组合物 (C08L) 等多种材料及其制备、处理方法。在 1044 项纳米生物能专利中共包含了 198 个
26、不同的 4 位 IPC 技术代码。其中, 技术代码 C02F、C12N、B01J、B01D、C01B 和 G01N 实例化的纳米生物能专利较多, 所占比例都在 10%以上。这意味着:在纳米生物能领域, 有关水、废水、污水或污泥的处理, 微生物或酶及其组合, 繁殖、保藏或维持微生物, 变异或遗传工程, 培养基, 如胶体化学和催化作用的化学或物理过程及其相关设备等技术的发展较为迅速。与纳米核能专利相关的 188 个 4 位 IPC 技术代码中居于前三位的是 G21C (表示除聚变反应堆、混合裂变-聚变反应堆入和核爆炸入的所有核反应堆) 、B01J和 H01L。这三个技术代码实例化的纳米核能专利量分
27、别为 65、58 和 56 项, 所占比例都超过了 10%。纳米水能专利共涉及了 84 个不同的 4 位 IPC 技术代码。其中, 最活跃的技术代码实例化了 8 项纳米水能专利, 它们是 B01D (表示分离技术) 和 C02F。技术代码 H02N (表示其他类目不包含的电机) 和技术代码 H01L 所占百分比都超过了10%, 实例化的纳米水能专利量较多。46 项的纳米地热能专利共涉及了 63 个 4 位 IPC 技术领域。可以看出, 与半导体器件和其他类目中不包括的电固体器件的技术是纳米地热能技术中最热点的领域, 该领域的专利申请量为 13 项, 占全部纳米地热能专利申请总量的 28.26%
28、。其它技术领域的纳米地热能专利申请较少。综上, 少数的技术代码被频繁使用, 而多数技术代码的被使用频次很低。特别地, 在纳米化石燃料、纳米太阳能和纳米地热能领域中, 排在首位的技术代码实例化的各领域专利数分别占了该领域专利总数的 33.03%、62.69%和 28.26%。可见, 目前只有少数的技术能力在纳米能源各领域占据优势地位, 而其余大多数的技术能力都处于一个相当低的水平。3.3.2 突现分析我们使用 Kleinberg (2003) 14的突现检测算法来识别各纳米能源领域的突现技术, 进而揭示纳米能源领域技术能力的动态性。经过一系列的突现识别过程, 分别获得了纳米化石燃料、纳米太阳能、
29、纳米潮汐能、纳米风能、纳米生物能和纳米核能领域涉及的 55、21、26、19、16 和 5 个突现的技术领域;在纳米水能和纳米地热能领域中, 我们没有发现突现的技术领域。表 4 各纳米能源领域前 10 个突现的技术领域 Table 4 Top 10 burst technology fields in each nano-energy field 下载原表 表 4 各纳米能源领域前 10 个突现的技术领域 Table 4 Top 10 burst technology fields in each nano-energy field 下载原表 表 4 给出了各纳米能源领域突现值位于前 10 的
30、突现技术领域。在纳米化石燃料领域, 技术领域 B82Y 具有最大的突现值, 其值为 70.72, 这说明该技术领域在纳米化石燃料领域的被使用频次经历了最大的突然性增加, B82Y 表示纳米结构相关的技术, 包括了应用、测度、制造和处理;突现值较大的技术领域是 C01B, 其值为 57.72, 表示非金属元素及其化合物;技术领域 D01F 的突现值是 40.51, 居于第 3 位, 表示与纳米纤维或碳纤维制造相关的技术。在纳米太阳能领域, 技术领域 H01M 的突现值为 80.67, 它的被使用频次经历了最大的突然性增加, 表示用于直接转变化学能为电能的过程或方法的技术, 如电池组;突现值较大的
31、技术领域是 H02S, 其值为 21.62, 它的突现仍然在继续。在纳米潮汐能领域, 技术领域 H01L 具有最大的突现值, 其值为 24.62, 表示与半导体器件和其他类目中不包括的电固体器件相关的技术领域;技术领域 H01S 也具有较大的突现值, 其值为 16.10, 它表示利用受激发射的器件。除纳米生物能领域的技术代码C05G 之外, 纳米风能、纳米生物能和纳米核能三个领域涉及的其它技术领域的突现值都小于 10。4 结论各纳米能源技术活动呈现不均衡性发展。纳米化石燃料和纳米太阳能两个技术领域具有高总量-高增长的特性, 它们的技术活跃性最强且已进入快速发展阶段, 是纳米能源的主导技术领域;
32、纳米风能和纳米生物能具有低总量-高增长的特性, 它们的技术活动较为活跃且处于成长阶段, 有望成为未来纳米能源的支柱;纳米潮汐能、纳米核能、纳米水能和纳米地热能具有低总量-低增长的特性, 前两者技术活动有趋于活跃的迹象, 后两者技术活动则仍处于零星探索期。纳米能源技术活动地域分布呈现不均衡性发展。中国、美国、日本和韩国四个国家是纳米能源技术活动的强国, 它们的纳米能源技术能力普遍优于其他国家;在各纳米能源技术发展起步阶段, 中国稍微落后, 然而确具有后来居上的势头, 中国在过去十几年对各纳米能源技术领域的技术活动具有很强的推动作用, 在世界上占据主导地位。纳米能源领域技术能力发展存在明显差异性,
33、 各领域的技术发展重点和热点也不尽相同, 充分表明纳米能源各领域的技术发展态势与景观。不同纳米能源领域的技术突现也不相同, 纳米化石燃料、纳米太阳能和纳米潮汐能 3 个领域的技术突现显著, 指引未来的研究热点与方向;而纳米风能、纳米生物能和纳米核能领域, 目前的技术突现还不明显, 纳米水能与纳米地热能没有发现技术突现, 显示新的研究热络尚未形成。在未来的发展中, 中国应以现有的技术优势, 巩固和增强自身在纳米能源各领域的技术能力, 同时关注纳米能源领域未来技术重点与发展趋势。当然, 由于数据局限性, 我们在本研究中未考察纳米能源各技术领域的影响力, 有待未来研究探索。参考文献1毛荐其, 孙静林
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