動力電池梯次利用技術專利分析

謝英豪，余海軍，張學梅，吳奔奔

（1.廣東邦普循環科技有限公司，廣東 佛山 528137;2.廣東省電池循環利用企業重點實驗室，廣東 佛山 528137;3.湖南邦普循環科技有限公司，湖南 長沙 410600）

2021年，我國新能源汽車產、銷量分別為354.5萬輛和352.1萬輛，同比均增長1.6倍，其中純電動汽車產、銷量分別為294.2萬輛和291.6萬輛，同比分別增長了1.7倍和1.6倍[1]。GB/T 31484-2015《電動汽車用動力蓄電池循環壽命要求及試驗方法》規定，動力電池的循環壽命應不低于1 000次[2]。隨著新能源汽車產業的快速發展，近幾年會有大量的動力電池面臨退役，需要報廢處理。據測算，到2025年，動力電池累計報廢量將達174萬噸[3]。動力電池退役時，大部分模塊并無嚴重的容量衰減，仍保留初始容量的77%[4]。相關政策規定，廢舊動力電池的利用應遵循先梯次利用、后再生利用的原則[5]，因此大量的退役動力電池將進行梯次利用。這就需要相關技術來配套未來的產業發展。前期研究者進行的專利分析研究，主要針對電池回收大領域[6]，在梯次利用細分領域未見報道。

本文作者主要從專利的視角，對動力鋰離子電池梯次利用技術進行統計和分析，通過對專利申請發展趨勢、主要申請人、分布區域、技術領域和技術路線等的分析，探討動力電池梯次利用技術的研究現狀與發展趨勢。

1 專利申請總體分析

所有數據來源于智慧芽專利數據庫，專利檢索申請日截止至2021年12月31日，檢索得到690件專利申請。動力電池梯次利用技術的發展可概括為3個階段:萌芽期、探索期和成長期。動力電池梯次利用專利發展趨勢與動力電池報廢量趨勢基本一致，如圖1所示。

圖1 動力電池的梯次利用專利發展趨勢與報廢量趨勢Fig.1 Echelon utilization patent development trend and waste quantity trend of power battery

2009年1月，中國啟動了“十城千輛節能與新能源汽車示范推廣應用工程”。受制于當時的技術，動力電池的壽命通常僅有2～3 a，在首批動力電池報廢以及國家要求規范處理動力電池的交叉節點之下，我國首件動力電池梯次利用專利誕生于2011 a。2012年印發的《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012-2020年）》[7]，明確建立動力電池梯次利用和回收管理體系，加強對廢舊電池的回收利用。在政策支持下，2011-2015年的梯次利用專利年申請量維持在13件以內，該階段為萌芽期。2016年1月發布的《電動汽車動力蓄電池回收利用技術政策（2015年版）》[5]，規定廢舊動力電池的利用應遵循先梯次利用、后再生利用的原則，提高了資源利用率，同時，支持具備相應技術條件的企業開展廢舊動力電池梯次利用。這一期，專利年申請量達到40件以上，并維持到2017年，為探索期。2018年2月，中國首個梯次利用領域的國家標準GB/T 34015-2017《車用動力電池回收利用余能檢測》[8]實施，2018年新能源汽車產、銷量分別為127.0萬輛和125.6萬輛。在國家標準規范和新能源汽車產業快速發展協同作用之下，梯次利用技術也得到快速跟進，到2018年，專利年申請量超過100件，該階段為成長期。

2 專利主要申請人分析

中國梯次利用專利申請數量前10的申請人見圖2。

從圖2可知，國家電網有限公司（簡稱國家電網）和中國電力科學研究院有限公司（簡稱中國電科院）的梯次利用技術專利申請量領先于其他申請人，其他申請人專利數量約為10件，暫未形成規模。國家電網在動力電池梯次利用領域的專利主要集中在2018-2020年，年申請量在12件以上，而在2017年之前年申請量少于6件，申請趨勢上與全國梯次利用專利申請量的走勢基本相同。這與動力電池報廢潮的到來和政策的引導密切相關。2019年，國家電網建設了國內首個電池梯次利用電網側儲能電站，探索以“變電站+儲能站+光伏充電站+數據中心”的方式建設運營，助力實現“碳達峰”“碳中和”的目標。中國電科院是國家電網直屬科研單位，申請的37件專利中，29件專利與國家電網為共同申請人。

3 專利申請區域分析

中國梯次利用專利申請數量前10的區域分布見圖3。

圖3 梯次利用專利申請數量前10的區域分布Fig.3 Regional distribution of top 10 echelon utilization patent applications

從圖3可知，就地區申請數量而言，北京以120件的專利申請量居首位，廣東以117件居第2位，江蘇、安徽和上海分別為68件、55件和54件，分別居第3、4和5位，浙江、湖南、山東、河南和湖北的數量較接近，發展相對較均衡。

專利申請量排名前兩個地區（北京和廣東）的申請人類型結構見表1。

表1 典型區域申請人類型結構Table 1 Type structure of typical regional applicant

從表1可知，北京區域梯次利用技術專利申請人主要是高校/院校和電力企業，兩者占比71.6%，其中高校/院所占比過半。廣東區域梯次利用專利申請主要來源于企業，占比94.8%，包括電力企業、電池回收企業、電池設備企業和充電樁企業等，反映出廣東的梯次利用產業化步伐比北京走得更前。

4 專利技術領域分析

通過國際專利分類（IPC），分析研究技術集中點和技術熱點，得到的梯次利用專利申請主要技術領域分布情況見圖4。

圖4 梯次利用專利申請技術領域分布Fig.4 Distribution of patent application technology regions for echelon utilization

從圖4可知，梯次利用專利中涉及H01M10（主要是二次電池及其制造）的占比32.8%;H02J7（主要是用于電池組的充電、去極化或由電池組向負載供電的裝置）占比15.8%;G01R31（主要是電性能的測試裝置）占比15.1%;H01M2（主要是非活性部件的結構零件或制造方法）占比10.7%;H02J3（主要是交流干線或交流配電網絡的電路裝置）占比7.6%;B07C5（主要是按照物品或材料的特性或特點分選）占比6.5%;H01M50（主要是除燃料電池外的電化學電池非活性部件的結構零部件或制造工藝）占比5.7%;H02J9（主要是用于緊急或備用電源的回路裝置）占比2.5%;H02J15（主要是存儲電能的系統）占比1.5%;G06K9（主要是識別模式的方法）占比1.5%。

2011-2021年梯次利用各技術領域發展態勢見表2。

從表2可知，2016-2021年在梯次利用技術各領域中，H01M10的技術占比維持在28%～41%，相對穩定;G01R31的技術占比從2012年的50%降至2021年的14.9%，總體上呈下降的趨勢;H02J7在2011年、2012年和2014年均無相關技術申請，在2015年后占比穩定維持在約15%;H01M2在2014年首次出現，經歷了從2016年的5.6%上升至2018年的23.8%（頂峰階段），之后持續下降至2020年的 7.1%水平。2011-2021年，H01M10、G01R31和H02J7的占比之和均不小于50%，為主要技術領域;H01M50連續3年（2019-2021年）持續增長。

5 專利技術路線分析

圖5為專利申請量排名前3的專利申請人近3年的專利申請情況。

圖5 專利數量前3的申請人分析Fig.5 Analysis of the top 3 patent applicants

從圖5可知，近3年國家電網、中國電科院和邦普循環的梯次利用專利年均申請量分別為10件、5件和4件，國家電網的年均專利申請量明顯大于另外2家企業。2021年國家電網和中國電科院專利申請量均出現了下降，均僅為2件，這可能是在梯次利用儲能電站安全事故影響之下，用戶端開始對梯次利用失去信心，技術研發重心發生轉移。

退役動力電池梯次利用主要過程包括拆解、評估、分選、重組和場景應用等環節。將退役電池做成梯次利用產品，還需要對退役電池的壽命進行評估，以確保產品質量。為了對重組后的電池進行精準的控制管理，研究人員專門開發了電池管理系統（BMS）和控制方法。生產制造梯次利用產品還需要使用到機柜等附屬件。

研究2019-2021年申請數量排名前3的申請人申請的87件專利（若國家電網與中國電科院為共同申請人，僅計1件專利），可以了解我國動力電池梯次利用領域目前主要的技術和發展趨勢。研究結果見圖6。

從圖6可知，在這87件專利中，場景應用占比最高，為24.1%，表明場景應用屬于梯次利用的研究熱點，梯次利用研究側重于實際的應用落地。分選、評估占比相近，分別為20.7%、18.4%。壽命預測、重組和安全占比相近，分別為12.6%、9.2%和8.0%，表明在技術研究上更傾向于電池來料時的分選、評估等前期環節，而弱化安全、重組等后期環節。安全研究主要是為消除退役電池存在的不穩定因素而開展的，但該領域占比較低，主要原因是通常在梯次利用前期評估、壽命預測環節間接實現了梯次利用電池的安全應用。這也反映出目前梯次利用專利在安全和重組等領域的數量較少，后期可在上述領域加強布局。

對作為研究熱點的場景應用類專利進行分析，按不同的應用場景分類，得到圖7。

圖7 場景應用類專利分析Fig.7 Scenario application patent analysis

從圖7可知，針對場景的應用類專利，主要有儲能系統、路燈、光伏儲能、便攜式電源、發光斑馬線和教具等。儲能系統為主要的應用場景，涉及的專利占所有應用領域的57.1%，是當前研究的技術熱點。

6 結論與建議

我國動力電池梯次利用目前處于成長階段，近年來，隨著動力電池報廢量的增加以及政策的支持，不斷受到技術人員的重視，專利年申請量已達100件。申請人呈現既集中又分散的狀態，集中是指國家電網、中國電科院等單位的專利數量遠超出其他申請人，分散是指申請人數量眾多，專利申請規模不大，技術布局零散。

目前，我國動力電池梯次利用行業的研究熱點是針對不同場景的梯次利用產品應用，產品應用中以儲能系統研究居多;同時，對梯次利用過程涉及的拆解、重組、安全和環保的重視程度不夠。針對行業發展的現狀，本文作者提出以下幾點建議:

企業應加大對動力電池梯次利用的全流程研究。在關注梯次利用場景應用的同時，關注產品生產過程的拆解、重組、安全和環保等。拆解的效果不僅影響可梯次利用電池的收率，而且影響拆解過程的安全。梯次利用電池性能離散性強，重組不僅影響整個系統的容量，還會對整個系統壽命及安全性產生重要的影響。建議盡快啟動針對拆解、重組、使用環節的環保處理和安全控制的研究。

企業應加強梯次利用產品降成本的研究。新品電池成本在不斷壓縮，價格不斷下降。梯次利用產品若沒有成本優勢，有可能面臨無法與新品電池競爭的局面，對梯次利用行業的發展將產生很大的影響。目前已開展針對梯次利用電池的控制管理算法，若重新設計BMS，會提高使用成本，將改進的控制管理算法用原BMS來執行，可能是發展的方向。

產業鏈上下游應協同發力。動力電池在產品設計上應考慮可拆解性、BMS可回收性、通訊端口和協議標準化等。動力電池包在使用過程中，通過大數據為退役電池回收定價、電池可梯次利用評估、梯次利用產品壽命及梯次利用產品定價等提供更科學的依據。在梯次利用產品落地銷售層面，可能還涉及商標等知識產權的問題，需要通過政策的引導來打破壁壘。梯次利用是整個新能源產業要去面對和解決的問題，通過產業鏈上下游協同發力，才可以促進梯次利用行業的發展。