液流電池技術(shù)專利分析

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

當(dāng)前,儲能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)日益受到重視,各種新型電化學(xué)儲能電池技術(shù)不斷取得研究進(jìn)展。液流電池技術(shù)作為新一代儲能技術(shù),具有電池壽命周期長等特點(diǎn),近年來同樣得到了飛速發(fā)展。

液流電池技術(shù)是一種大規(guī)模高效電化學(xué)儲能技術(shù),一般通過液態(tài)活性物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng),實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換及能量存儲。液流電池也常被稱為氧化還原液流電池[1]。液流電池的活性物質(zhì)是具有流動性的液體電解質(zhì)溶液,可以存儲在電堆外部,通過泵輸送至電池內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)。電池內(nèi)的正、負(fù)極電解液由離子交換膜隔開,在充、放電過程中,電解液中的活性物質(zhì)離子在惰性電極表面發(fā)生價(jià)態(tài)變化,實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)換,從而實(shí)現(xiàn)電能的存儲與釋放。根據(jù)不同的活性物質(zhì),液流電池可以分為全釩、鋅-溴、多硫化鈉-溴、鐵-鉻等多種技術(shù)路線[2-3]。特別是全釩液流電池,其壽命長、規(guī)模大、安全可靠的優(yōu)勢尤為突出,成為規(guī)模儲能的首選技術(shù),在調(diào)峰電源系統(tǒng)、大規(guī)模風(fēng)光電系統(tǒng)儲能、應(yīng)急電源系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[4]。

筆者以全球范圍內(nèi)公開的液流電池相關(guān)專利為基礎(chǔ),對液流電池專利的總體時間趨勢、地域分布、技術(shù)熱點(diǎn)、主要專利權(quán)人等進(jìn)行分析,展現(xiàn)液流電池技術(shù)的發(fā)展情況。

2 專利數(shù)據(jù)來源與檢索方法

筆者檢索的專利主題為液流電池,專利數(shù)據(jù)來源于德溫特專利數(shù)據(jù)庫,檢索地域范圍為國內(nèi)外,時間截止至2018年9月15日。

通過制訂相應(yīng)的檢索策略,經(jīng)初步取樣人工解讀、批量去噪,獲得相關(guān)專利申請13 234件。

由于專利的地域性,同樣的技術(shù)內(nèi)容會出現(xiàn)在多個國家進(jìn)行申請的情形,將這種情形的專利按照德溫特?cái)?shù)據(jù)庫的運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行合并后,獲得7 762個德溫特專利家族。

3 專利情報(bào)分析要點(diǎn)

3.1 專利地圖

以液流電池相關(guān)專利數(shù)據(jù)作為分析樣本生成的專利地圖如圖1所示。這一專利地圖由德溫特創(chuàng)新專利檢索平臺自動聚類分析生成,可以在一定程度上反映專利技術(shù)的總體布局。圖1中每一個點(diǎn)代表一件專利文獻(xiàn),將主題相近的專利文獻(xiàn)會聚在一起,形成綠色區(qū)域山峰,峰頂標(biāo)出技術(shù)主題。等高線越密集的地方,表示專利數(shù)量越多,白色區(qū)域表示最高峰。專利密度較低處形成淡藍(lán)色區(qū)域,且在技術(shù)上的相互關(guān)聯(lián)性較低。

由圖1可以看出,液流電池專利主要集中在電池本體結(jié)構(gòu)及檢測技術(shù)方面,另有較多專利涉及充放電電路轉(zhuǎn)換器及其它電力相關(guān)技術(shù)。在電池本體結(jié)構(gòu)中,電極、電解液、離子交換膜方面專利數(shù)量較多,儲液罐、雙極板、液流框方面專利數(shù)量相對較少。

3.2 專利申請年代發(fā)展趨勢

筆者對專利家族的最早優(yōu)先權(quán)年進(jìn)行統(tǒng)計(jì),來分析專利家族年申請趨勢,了解液流電池技術(shù)的發(fā)展歷程。由于各同族專利的技術(shù)內(nèi)容在一般情況下都基本保持一致,因此以專利家族的數(shù)量進(jìn)行上述分析更為恰當(dāng)。每個專利家族的最早優(yōu)先權(quán)年是衡量專利活動表現(xiàn)的常用指標(biāo),這一日期與申請人決定針對該項(xiàng)發(fā)明創(chuàng)造申請專利權(quán)的創(chuàng)新日期聯(lián)系也最為緊密。

液流電池技術(shù)專利家族年申請量趨勢如圖2所示。由圖2可以看出,最早的液流電池技術(shù)專利申請出現(xiàn)在1962年,此后的近20年中,相關(guān)專利申請很少。直至進(jìn)入20世紀(jì)80年代,相關(guān)專利申請量才開始出現(xiàn)實(shí)質(zhì)性增長,但技術(shù)發(fā)展較緩慢,且應(yīng)用可能性較低,專利申請量在振蕩中緩慢增長,整體較平穩(wěn)。21世紀(jì)以來,尤其是2008年開始,全球液流電池技術(shù)專利申請出現(xiàn)爆發(fā)式增長,年專利申請量呈指數(shù)級遞增,可見液流電池技術(shù)實(shí)現(xiàn)了重要突破,日趨成熟,商業(yè)化應(yīng)用前景日漸明朗。

由于專利申請至公開有一段較長的時間,因此圖2中2017年和2018年的數(shù)據(jù)不具有參考價(jià)值,目前液流電池技術(shù)專利申請仍處于較快的增長階段。

圖2 液流電池技術(shù)專利家族年申請量趨勢

3.3 專利地域分布

由于專利家族中的同族專利通常分布在不同地域,以專利家族為單位進(jìn)行國內(nèi)外技術(shù)分析沒有意義,因此以未進(jìn)行同族歸并的專利申請量進(jìn)行國內(nèi)外技術(shù)的比對分析。

液流電池技術(shù)專利申請地域分布如圖3所示。由圖3可見,液流電池技術(shù)專利申請地域分布較集中,主要分布在中國、美國、日本、歐洲和韓國,這些國家和地區(qū)占全部專利申請總量的75%。特別是中國、美國和日本三國,占全球申請總量的61%,可見,中國、美國和日本是液流電池技術(shù)最重要的潛在應(yīng)用市場。歐洲、韓國及加拿大的相關(guān)專利申請數(shù)量也較多,表明這些國家和地區(qū)也是液流電池技術(shù)重要的潛在應(yīng)用市場。

主要國家和地區(qū)液流電池技術(shù)專利年申請量趨勢如圖4所示。由圖4可以看出,雖然美國的液流電池技術(shù)專利申請起步很早,但是自從20世紀(jì)80年代初日本機(jī)構(gòu)大舉進(jìn)入后,美國相關(guān)專利申請量沒有明顯的持續(xù)增長,而且與日本有較大差距,直至21世紀(jì)才開始出現(xiàn)實(shí)質(zhì)性增長,并于2008年超過日本的申請量。日本雖然起步較美國晚,但從20世紀(jì)80年代初期開始一直到2007年,年專利申請量均為全球之最,是全球總體變化趨勢的主導(dǎo)力量,但是近年來相關(guān)專利申請量增長不及中國、美國和韓國。相比日本、美國、歐洲,中國進(jìn)入液流電池技術(shù)領(lǐng)域較晚。不過進(jìn)入21世紀(jì)后,特別是2008年以來,中國相關(guān)專利申請量急劇增長,迅速超過日本和美國,成為目前全球最大的液流電池技術(shù)研發(fā)和專利申請國,以及全球最大的液流電池技術(shù)應(yīng)用市場。韓國進(jìn)入液流電池技術(shù)領(lǐng)域時間較晚,不過近年來相關(guān)專利申請量增長也很快。

圖3 液流電池技術(shù)專利申請地域分布

3.4 技術(shù)熱點(diǎn)方向

國際專利分類(IPC)是國際通用的標(biāo)準(zhǔn)化專利技術(shù)分類體系,蘊(yùn)含豐富的專利技術(shù)信息。通過對液流電池技術(shù)專利的IPC進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,可以準(zhǔn)確、及時獲取這一領(lǐng)域涉及的主要技術(shù)主題和研發(fā)重點(diǎn)。

筆者檢索到的7 762個液流電池技術(shù)專利家族涉及1 000多個IPC,其中排名前20位的IPC見表1。

圖4 主要國家和地區(qū)液流電池技術(shù)年專利申請趨勢

表1 液流電池技術(shù)專利IPC排名

由表1可以看出,液流電池技術(shù)專利申請主要集中在以下方面:① 電極材料選擇及制備方法;② 離子交換膜材料選擇及制備方法;③ 電池檢測及監(jiān)測技術(shù);④ 電池充放電裝置;⑤ 電解質(zhì)制備,尤其是用于釩電池的電解質(zhì)制備;⑥ 相關(guān)電路技術(shù)。

對于專利申請數(shù)量排在前列的中國、日本、美國、韓國、歐洲,統(tǒng)計(jì)在各個IPC中的專利申請量,結(jié)果如圖5所示。

圖5 主要國家和地區(qū)液流電池技術(shù)專利申請IPC分布

由圖5可以看出,中國、日本、美國、歐洲、韓國在H01M08、H01M04、H01M10下的專利申請量都呈現(xiàn)明顯的集中效應(yīng),可見全球的研究重點(diǎn)集中在電池制造,尤其是電極制造技術(shù)上。中國在非活性部件結(jié)構(gòu)零件或制造方法、電路裝置、充放電裝置等方面稍占優(yōu)勢,在導(dǎo)電材料選擇方面稍弱,專利總數(shù)多,總體分布較均勻。美國專利總量也較多,在材料光學(xué)分析方面有較大優(yōu)勢,但在電網(wǎng)電路裝置方面較弱。日本專利總體分布也較均勻,在導(dǎo)電材料選擇方面有較大優(yōu)勢。歐洲在電路裝置、充放電裝置等方面專利數(shù)量相對較少。韓國主要集中在非活性部件結(jié)構(gòu)零件或制造方法、高分子材料制造方面。

3.5 主要專利權(quán)人

對液流電池技術(shù)專利家族數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),進(jìn)而對主要專利權(quán)人進(jìn)行分析。通過匯總分析,專利家族數(shù)量排名前20位的專利權(quán)人如圖6所示。其中,最早優(yōu)先權(quán)年在2015年及之前的專利家族數(shù)量用藍(lán)色表示,最早優(yōu)先權(quán)年在2016年及之后的專利家族數(shù)量用橙紅色表示。

由圖6可以看出,除中國科學(xué)院、中國清華大學(xué)、中國電力科學(xué)研究院、韓國能源研究所等少數(shù)幾家科研機(jī)構(gòu)和高校外,其它絕大多數(shù)液流電池技術(shù)專利權(quán)人均為企業(yè)。相比其它幾個國家,科研機(jī)構(gòu)和高校占中國液流電池技術(shù)專利數(shù)量較多,表明中國的液流電池技術(shù)多停留在研究階段,產(chǎn)業(yè)化還有一定距離。

從國別來看,液流電池技術(shù)主要專利權(quán)人中,中國和日本最多,然后是韓國。其中,日本關(guān)西電力的液流電池技術(shù)專利總體較多,但其在2016年后沒有新的專利家族產(chǎn)出,活躍度較低。日本住友電氣在2015年建成60 MW安平町南早來變電站,是當(dāng)時投入使用的世界最大規(guī)模氧化還原液流蓄電池,日本住友電氣目前仍是液流電池領(lǐng)域的領(lǐng)軍技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)[5-7]。

3.6 近3年創(chuàng)新實(shí)力

對最早優(yōu)先權(quán)年在2016年及之后的液流技術(shù)電池專利家族數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),進(jìn)而對近3年創(chuàng)新實(shí)力進(jìn)行分析。

近幾年是液流電池技術(shù)發(fā)展迅猛的階段,僅統(tǒng)計(jì)近3年新研發(fā)的技術(shù),其專利家族數(shù)量達(dá)1 680個。通過匯總分析,專利家族數(shù)量在10個以上的專利權(quán)人如圖7所示。

由圖7可以看出,近3年有較強(qiáng)創(chuàng)新實(shí)力,保持較大專利家族數(shù)量的機(jī)構(gòu)中,來自中國的機(jī)構(gòu)最多,其次為韓國、日本、美國,韓國企業(yè)專利家族數(shù)量占比較大。對這些活躍度較高的企業(yè)專利家族進(jìn)行IPC統(tǒng)計(jì),見表2。

圖6 主要專利權(quán)人液流電池技術(shù)專利家族數(shù)量分布

圖7 近3年主要專利權(quán)人液流電池技術(shù)專利家族數(shù)量分布

表2中C08G61、C08L65、H02J13等主要指向高分子化合物及其組合物、儲電系統(tǒng)電路裝置、廢液處理等技術(shù)領(lǐng)域。由表2可以看出,目前活躍度較高的企業(yè),其研發(fā)重點(diǎn)同樣聚集在電池制造技術(shù),尤其是電極技術(shù)及電路裝置。此外,主要研發(fā)精力還集中于全釩液流電池技術(shù)路線。中國科學(xué)院、中國國家電網(wǎng)、中國大連理工大學(xué)均有涉及液流電池廢液處理的技術(shù),中國國家電網(wǎng)在配電網(wǎng)絡(luò)、充放電、遠(yuǎn)距離控制等電路裝置方面專利數(shù)量相對較多。韓國LG在高分子化合物材料方面有較大的優(yōu)勢,專利數(shù)量遠(yuǎn)高于其它機(jī)構(gòu)。

4 分析結(jié)論

通過對液流電池技術(shù)專利的總體時間趨勢、地域分布、技術(shù)熱點(diǎn)、主要專利權(quán)人進(jìn)行分析,可知中國近年來在液流電池技術(shù)方面有了長足進(jìn)步,不僅是液流電池應(yīng)用的重要市場國,而且是液流電池技術(shù)專利的重要申請國與受理國,不僅專利數(shù)量多,而且各技術(shù)領(lǐng)域的專利分布也相對均勻,導(dǎo)電材料選擇等方面則還有較大進(jìn)步空間。對于液流電池而言,如果知識產(chǎn)權(quán)未覆蓋所有重要相關(guān)領(lǐng)域,那么可能在實(shí)際應(yīng)用中受制于人。建議加大技術(shù)薄弱點(diǎn)的研發(fā)力度,或采取技術(shù)合作或聯(lián)合開發(fā)的方式,提高綜合技術(shù)實(shí)力。

釩液流電池是液流電池技術(shù)的研發(fā)熱點(diǎn),中國不僅掌握釩電池的關(guān)鍵技術(shù),而且擁有豐富的釩礦資源。中國已成功開發(fā)了5 MWh/10 MWh大規(guī)模全釩液流電池儲能系統(tǒng),并連續(xù)運(yùn)行超過5年。中國科學(xué)家組織研究制定了釩液流電池標(biāo)準(zhǔn)體系[8-10],釩液流電池將在中國具有很好的發(fā)展和應(yīng)用前景。

近年來,中國、韓國、日本等在液流電池領(lǐng)域仍有較大發(fā)展,中國在這一領(lǐng)域的專利數(shù)量仍在大幅持續(xù)增長,可見目前液流電池技術(shù)發(fā)展較快,正在考慮進(jìn)入這一領(lǐng)域的企業(yè)需要考慮如何規(guī)避已受保護(hù)的專利技術(shù)。