電池梯次利用技術的中國專利分析

孟 欣,金 鵬

(1.知識產權出版社,北京 100081; 2.北方工業大學電氣與控制工程學院,北京 100144;3.北京電動車輛協同創新中心,北京 100144)

2022年,中國國內動力電池累計裝車量為294.6 GW·h,累計同比增長90.7%,其中,三元材料鋰離子電池累計裝車量為110.4 GW·h,占總裝車量的37.5%,同比增長48.6%;磷酸鐵鋰鋰離子電池累計裝車量為183.8 GW·h,占總裝車量的62.4%,同比增長130.2%[1]。動力電池的退役數量隨著電動汽車產銷量的增加而增加。2022年動力電池退役量為2×105t,按動力電池平均壽命6～7 a計算,預計2025年可供回收的廢舊動力電池達4.283×105t,到2030年將增至3×106t[2]。為保證電動汽車的性能,動力電池在容量衰減到80%時,就需要退役。退役動力電池如果不能合理地處理和使用,不僅會造成資源浪費,還會對環境造成危害[3]。

2018年2月,工信部印發《新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》[4],提出要鼓勵開展動力電池梯次利用和再生利用,推動動力電池回收利用模式創新。在國家政策的支持和引導下,國內企業和研究機構開始在電池梯次利用領域進行布局和研究。

本文作者通過對我國電池梯次利用技術的專利申請進行系統分析,探討我國相關技術的研究現狀與發展趨勢。

1 研究方法和數據來源

研究中的數據,均來源于國家知識產權局專利檢索及分析平臺,檢索時間為2022年12月20日,檢索范圍為截至檢索時間內的所有中國專利(包括港澳臺地區)。利用專利名稱中含“梯次利用”、摘要關鍵詞含“電池”進行檢索,并進行數據整理和分類收集,篩選出相關專利申請共404件。

采用專利計量學、統計學和專家咨詢法等方法,對專利申請類型、數量、區域、申請人的機構和技術領域分類號等字段進行統計分析,深入研究電池梯次利用技術的創新趨勢、申請人區域及技術領域分布等情況。專利申請到專利公開一般有滯后期,因此,2021年6月以后的數據僅供參考[5]。

2 專利申請情況分析

2.1 專利類型情況

在檢索到的404件專利申請中,發明專利共266件,占申請總量的65.84%;實用新型專利共137件,占申請總量的33.91%;外觀設計專利共1件,占申請總量的0.25%。

2.2 專利申請量分析

梯次利用技術專利申請量年度分布情況見圖1。

圖1 梯次利用技術專利申請量年度分布Fig.1 Annual distribution of echelon utilization technology patent applications

從圖1可知,第一件與電池梯次利用技術相關的專利申請出現在2011年。從2011年開始,經過了3個發展期:①停滯發展期(2011-2015年):專利年申請量較低,共申請16件,占總申請量的3.96%;②緩慢發展期(2016-2017年):每年申請量不超過35件,共申請57件,占總申請量的14.11%;③快速發展期(2018-2022年):共申請331件,約占全部申請量的81.93%,年均申請量約為66件。專利申請量最多的年份是2020年,達到93件,占全部申請量的23.02%;2018年的申請量增長最多,增長了48件,同比增長超過100%,原因是工信部發布了《新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》《新能源汽車動力蓄電池回收利用溯源管理暫行規定》[6]等關于動力電池回收的政策,對動力電池回收行業進行了規范和指導,動力電池回收和梯次利用的研究、技術開發和產業得以迅速發展,隨后的幾年時間里,電池回收技術專利申請量進入了快速增長期。這說明,新能源汽車和電池回收的相關技術和發展,與國家的政策方針息息相關。

2.3 專利申請區域分析

每項專利申請的申請人數量至少為1人次,因此在404件專利申請中,核算統計得到共計285個申請人,申請總量為566人次。根據申請人的專利申請區域分布見圖2。

圖2 梯次利用技術專利申請區域分布Fig.2 Regional distribution of echelon utilization technology patent application

從圖2可知:①北京市申請共127人次,區域申請量排第1,占總申請人次的22.44%,主要有國家電網有限公司、中國電力科學研究院、中國華電科工集團有限公司、北京匠芯電池科技有限公司等機構;②廣東省以89人次居次席,占總申請人次的15.72%,主要有廣東邦普循環科技有限公司、深圳市科陸電子科技股份有限公司、廣州智光儲能科技有限公司、格林美股份有限公司等企業;③安徽省以45人次居第3位,占7.95%,主要有蕪湖格利特新能源科技有限公司、安徽艾伊德動力科技有限公司、安徽綠沃循環能源科技有限公司等企業;④上海市以43人次居第4位,占7.60%,主要有上海伊控動力系統有限公司、上海中興派能能源科技股份有限公司、上海電力大學等;⑤江蘇省以43人次并列第4位,占7.60%,主要有張家港清研再制造產業研究院有限公司、南京萊迪新能源科技有限公司、南京理工大學等。

經總結各區域各自的專利申請情況可知:首先,一些新能源和電池技術發展一直較領先的省市,仍表現得突出并占據前列,如北京市、廣東省、安徽省、上海市和江蘇省等;其次,電池梯次利用技術的發展成果仍以公司企業為主,大專院校、科研單位等不如企業;第三,目前在全國范圍內,新能源汽車行業技術發展是熱點,但電池梯次利用技術還不是很成熟,雖然近幾年發展比較快速,但仍未得到應有的重視,現階段仍處于發展階段。

2.4 專利申請人分析

2.4.1 專利申請人機構屬性分析

在566人次的申請人中,各類企業申請共434人次,占總量的76.68%;大專院校申請共74人次,占總量的13.07%;科研單位申請共47人次,占總量的8.30%;個人申請11人次,占總量的1.94%。各類企業的申請量占總量的76.68%,表明近年來,在新能源汽車市場利好的背景下,企業加大了對電池各項技術包括梯次利用技術的研發力度,且非常重視知識產權的保護,努力通過提升自身的創新能力和技術水平,來贏得核心競爭力,已成為電池梯次利用技術創新的中堅力量。在這種情況下,各大專院校、科研單位等對促進梯次利用技術發展的積極性和主觀能動性均不足,不管是在技術研發還是研究成果上,都落后于企業。

2.4.2 專利申請人前10名具體情況分析

對404件專利申請的566個申請人次進行分析比對,剔除實用新型、外觀設計專利等專利后,篩選出申請量排名前10名的申請人,共涉及77件專利,占申請總量的19.06%;共119人次,占申請總人次的21.02%。具體情況見表1。

表1 專利申請數量前10名具體情況 Table 1 Top 10 specific cases of patent application

從表1可知,在申請人次排名前10的單位中,有8家企業,2家科研機構,沒有大專院校。企業共申請84人次,占申請人次總量(119人次)的70.59%;科研機構共申請35人次,占比為29.41%。對電池梯次利用技術申請最多的是國家電網有限公司,共申請41人次,占比34.45%,在電池梯次利用技術方面居領先地位;其次是中國電力科學研究院及其相關單位;剩余為7家企業。大專院校缺乏相應的市場競爭壓力和主觀能動性,在專利申請方面的表現不如企業,而企業直面殘酷的市場競爭,需要更好地抓住難得的市場發展機遇,努力提升創新能力和技術水平,以贏得核心競爭力,搶占更多的市場份額,得到長遠的發展。

2.5 技術領域分析

國際專利分類(IPC)可從一定程度上反映技術的集中點和研究熱點。根據IPC分類號進行歸納分析,得到的專利申請主要技術領域分析情況見圖3。

圖3 專利申請主要技術領域分析Fig.3 Major technical fields analysis of patent application

從圖3可知,梯次利用專利申請的前5個領域是:涉及H01(主要是H01M,二次電池)的專利210件,占51.98%;涉及H02(主要是H02J,電路裝置或系統、電能存儲系統)的專利129件,占31.93%;涉及G01(主要是G01R,電學性能的測試)的專利75件,占18.56%;涉及B07(主要是B07C,根據性質分選)的專利47件,占11.63%;涉及G06(主要是G06Q,用于管理、監督和預測的數據處理方法和系統)的專利31件,占7.67%;其他的專利共76件,占18.81%。

近10年梯次利用專利申請前5個領域申請量的增長趨勢見圖4。

圖4 主要技術領域專利申請趨勢Fig.4 Trend of patent application in the major technical fields

從圖4可知,從2016年開始,前5項技術領域的專利申請量均開始增長,H01、H02專利數量迅猛增長,變化尤為明顯,在2020年H01達到峰值55件、H02達到峰值40件,之后開始回落。涉及G01分類的專利數量在2019年達到峰值21件,涉及B07、G06的專利申請的數量增長較為緩慢。

3 技術及發展趨勢分析

3.1 梯次利用技術簡介

目前,從電動汽車上退役的動力電池主要的處理方法為梯次利用和回收拆解等。從資源利用角度來看,直接將退役電池作為原材料回收是變相虧損。電池在電動汽車使用階段所消耗的能量僅占電池全生命周期全部可用能量的36%,如果不進行梯次利用,其使用成本是按電池生命周期的全部成本計算的。電池電極材料和電解液中含有多種重金屬和有毒有害物質,在回收拆解過程中,會產生廢氣和廢水,需要進行無害化處理。大量電池的同時拆解回收,會對環境造成很大壓力。對電池進行梯次利用,對失效電池進行逐步淘汰和拆解回收,可緩解環境壓力,降低電池使用成本,具有好的環境效益和經濟效益。

電池的梯次利用包括余能檢測、殘值評估、重組利用和安全管理等環節。具體流程如圖5所示。

圖5 電池梯次利用流程圖Fig.5 Flow chart of battery echelon utilization

退役的動力電池首先要進行電池組拆解,以分離單體電池;之后,對單體電池進行余能檢測和評估,根據檢測和評估結果及預期的使用場景,進行篩選和分組;分選成組后的電池進行組裝和整體測試后,就可進入實際應用。梯次利用的電池組同樣需要電池管理。由于梯次利用電池的特殊性,對梯次利用電池的管理也有很多特殊的要求。

3.2 專利技術分析

前10名申請人的共計77件專利中,提到電動汽車的專利共有63件,占比81.82%。2022年,電動汽車動力電池裝機總量294.6 GW·h,儲能領域新增裝機量僅14.0 GW·h,動力電池的主要應用和退役電池的來源依然是電動汽車。

在77件專利中,與鋰離子電池相關的專利共有44件,占比57.14%,說明鋰離子電池是目前動力電池領域的主流產品。在44件關于鋰離子電池的專利中,明確提到磷酸鐵鋰鋰離子電池的專利有14件,三元材料鋰離子電池的專利有8件,其中有4件是兩種體系的電池均有所提及。從專利的數量來看,磷酸鐵鋰鋰離子電池是鋰離子電池市場的主流。這與國內鋰離子動力電池的市場趨勢相符。2023年1月,乘聯會和科瑞咨詢聯合發布的《2022年12月新能源汽車三電系統洞察報告》[7]中指出,磷酸鐵鋰鋰離子電池在短期內依然保持快速增長,2022年市場份額超越三元材料鋰離子電池,達到55.6%。磷酸鐵鋰鋰離子電池2019年、2020年和2021年在乘用車領域的裝機量占比分別為4.2%、13.0%和39.4%。這一趨勢與國家政策明顯是分不開的。2022年6月,國家能源局綜合司發布的《防止電力生產事故的二十五項重點要求(2022年版)(征求意見稿)》[8]中提出,中大型化學儲能電站不得選用三元材料鋰離子電池和鈉硫電池,不宜選用梯次利用動力電池;選用梯次利用動力電池時,應進行一致性篩選并結合溯源數據進行安全評估。今后,在報廢電池的處理方面,三元材料鋰離子電池可能會更多地進行回收拆解,而磷酸鐵鋰鋰離子電池則進入梯次利用領域。

在技術領域的77件專利中,篩選成組方面有24件,實際應用方面有14件,安全管理方面有27件,報廢回收方面有5件,經濟性評估方面有3件,大數據方面有1件,自動化生產線方面有1件,其他2件。這表明,這77件專利主要集中在篩選分組和應用后安全管理這兩個領域,具體見圖6。

圖6 專利技術分布Fig.6 Distribution of patent technology

對篩選成組的24件專利進行分析可知,絕大部分專利的分組依據都是電池的電壓和內阻。當前,梯次利用仍處于發展初期,很多專利只是簡單地利用開路電壓來判斷電池是否可以進行梯次利用;再測量特定荷電狀態(SOC)下的內阻,將內阻相近的電池編成同一組,完成篩選分組的工作。這種分組方式僅考慮梯次利用電池的內阻這一個參數,流程簡單,在大規模應用中較易實現,但缺乏對電池其他特征參數的估計和分析,對成組后的管理提出了更高的要求。

實際應用方面的14件專利中,9件為將梯次利用電池作為電網儲能系統來應用,2件作為太陽能路燈的儲能組件,1件為便攜式電源,另外2件作為梯次利用電池包的外殼專利。由此可知,目前梯次利用的動力電池,主要應用領域為儲能系統,從小型的太陽能路燈、農村分布式小型太陽能發電儲能系統、微電網系統,到電網的大規模儲能系統,都可作為梯次利用的領域[9]。一方面,大量的電動汽車動力電池退役時,剩余可用容量仍超過70%,直接拆解回收金屬材料是極大的浪費;另一方面,隨著分布式儲能、微電網技術的發展,儲能系統作為電網的組成部分,可優化電力配置,提升電網效率,解決風光等分布式發電方式不穩定和難以并網的問題。未來梯次利用電池的最主要的應用領域將是電網儲能。隨著梯次利用電池行業的逐步發展,梯次利用電池的應用范圍也在擴展,如用于便攜式電源、電動自行車等。

安全管理是比較籠統的分類,可進一步分為對梯次利用電池的管理和對電池系統的使用控制,如功率分配等。對安全管理方面的27件專利進行分析可知,關于電池參數估計和電池管理方面的專利有19件,對電池系統的使用控制專利有8件。其中,關于梯次利用電池容量衰減預測的專利有7件,可見,對于梯次利用電池,電池容量快速衰減是嚴重影響系統穩定的問題。梯次利用電池組成儲能系統后,如果儲能系統內部分單體出現容量“跳水”的現象,除了會導致儲能系統容量下降,影響儲能系統的安全性和穩定運行外,更會對整個系統的功率分配和運行調度產生影響。研究梯次利用電池的容量衰減機制,估計和預測電池容量衰減的進程,可以更好地保障梯次利用電池儲能系統的安全運行。

此外,還有一些技術發展趨勢值得關注,如2021年的專利中出現了電池多特征參數分選方法,使用聚類算法、數據驅動等方法進行分選的專利。這表明,隨著對退役動力電池特性研究的深入,梯次利用電池的篩選成組方法正在不斷發展和進化。由于電池組的拆解難度較大,工序復雜,且后續還需要重新組裝,近年來也有人提出,不拆解電池組,對退役的整組電池進行檢測,如果滿足需求,就直接將整組電池進行梯次利用。還有將不同電壓、不同容量的電池組進行組合,用儲能變換器的方式靈活接入系統,并由系統進行功率分配的專利,大大簡化了梯次利用的流程,提高了梯次利用電池的應用效率和經濟效益。

4 結論與建議

隨著我國新能源汽車行業的蓬勃發展,動力電池裝機量不斷攀升的同時,退役電池的數量也隨之大幅度增加。目前,我國還未進入動力電池退役的高峰期,但隨著國家相關政策的發布,企業紛紛在電池梯次利用領域開展了研究工作。目前,市場已經呈現出了磷酸鐵鋰鋰離子電池加速替代三元材料鋰離子電池的趨勢。未來幾年,對于報廢動力電池的處理,三元材料鋰離子電池可能更多地進入拆解回收領域,而磷酸鐵鋰鋰離子電池則會進入梯次利用領域。對于電池梯次利用技術,比較關注的主要是電池企業和電網企業。國家正在考慮制定政策,明確電池生產者、新能源汽車制造者、消費者等各方在動力電池回收階段的責任劃分。電池企業作為電池生產者提前布局,可以在梯次利用領域搶占先機;電網企業作為梯次利用電池可能的使用方,可針對梯次利用電池建立符合電網需求的梯次利用標準,研究梯次利用電池的使用、管理和運營技術,為未來梯次利用電池的大規模應用打下基礎。目前的專利主要集中在篩選分組和安全管理兩個方面。隨著退役電池數量的增加,梯次利用技術研究的深入和市場的逐漸鋪開,梯次利用電池將會進入更加廣泛的領域。技術上也將融合多特征估計、大數據、聚類算法、數據驅動、新型儲能變換器等新興技術,進入發展的快車道。針對以上的現狀和情況,提出以下建議:①企業和研究機構應參與到國家政策的制定當中,加快建立梯次利用電池的行業標準,規范各方的責任,建立良好的梯次利用市場環境;②針對梯次利用電池的特點,擴展梯次利用的應用領域,深入研究梯次利用電池的篩選、成組、管理和運行等相關技術,擴大梯次利用的市場需求;③企業應重視知識產權信息的研究和分析,結合自身的特點和優勢、相關的行業需求來指導發展方向,制定科學的開發策略和發展規劃。