基于专利分析的钠硫电池发展态势研究

张军　戴炜轶　马廷灿

〔摘要〕新能源技术的不断发展对大规模储能技术提出更高的要求，钠硫电池作为一种备受关注的电化学储能技术，具有良好的性能与经济效益。本文以钠硫电池为研究对象，旨在通过对钠硫电池储能技术相关专利的分析，梳理并总结钠硫电池领域中技术研发重点与专利分布特点。专利数据来源于DII数据库中钠硫电池储能领域的全球专利。在调研钠硫电池研发概况的基础上，利用TDA和Innography工具，从专利申请总体态势、技术主题、主要国家/地区分布、重要专利权人等方面，对钠硫电池相关专利展开分析。最后，就我国钠硫电池储能技术的发展提出建议。

〔关键词〕钠硫电池；高温二次电池；专利分析；专利情报；知识产权；发展态势

DOI：10.3969/j.issn.1008-0821.2016.09.025

〔中图分类号〕G306；TM911〔文献标识码〕A〔文章编号〕1008-0821（2016）09-0142-09

〔Abstract〕With the development of new energy technologies，the large-scale energy storage technologies should get higher performance.Recently，sodium-sulphur batteries gain momentum as a kind of electrochemical energy storage technology，which have a great number of advantages，such as long lifespan and low cost.In order to reveal the development features of this technology and provide intellectual property strategy for our country，this paper studied the patents in sodium-sulphur battery technology.The patent information was gathered from the Derwent Innovation Index（DII）database.This paper also analyzed the trend of the patent application number，the subject of the technology，the situation of patent applications in main countries or regions，and the significant patentees by using the TDA and Innography.Finally，it got the present situation and trend of sodium-sulphur battery technology，and presented some proposals for our country.

〔Key words〕sodium-sulphur battery；high temperature secondary battery；patent analysis；patent intelligence；intellectual property；development situation

随着经济的发展，能源需求快速增长，使得能源问题成为制约经济发展的重要因素之一。同时，环境问题、气候问题也成为全球关注的焦点。在此情况下，发展清洁能源成为必然选择。为解决风能、太阳能等新能源发电不稳定、不连续的缺陷，储能电池装置在近年来得到广泛关注[1]。其中，钠硫电池（Sodium Sulfur battery，简称NaS）作为一种特性优良的二次电池，也是最典型的钠电池[2]，具有高比功率和比能量、低原材料成本和制造成本、温度稳定性及无自放电等特性[3]，是二次电池中成熟且具潜力的一种储能电池。

钠硫电池最早由美国福特公司针对电动汽车而提出[4]，它是由熔融电极和固体电解质组成，负极的活性物质为熔融金属钠，正极活性物质为液态硫和多硫化钠熔盐，固体电解质兼隔膜工作温度在300～350℃，钠硫电池在放电过程中，电子通过外电路由阳极（负极）到阴极（正极），Na+则通过固体电解质β-Al2O3与S2-结合形成多硫化钠产物，在充电时电极反应与放电相反[5-6]。目前，钠硫电池的主要不足之处在于工作温度较高，以及安全性问题有待解决。

1数据来源与分析方法

针对钠硫电池国际发展态势的研究，在此选用德温特创新索引数据库（DII），检索时间为2016年3月2日，共检索到相关专利2 247件。考虑到专利申请到公开的时间滞后性问题，2014年和2015年的数据仅供参考（下同）。

本文主要运用专利计量方法对钠硫电池储能专利的申请态势、技术特征、 核心权利人等进行分析。上述过程中使用TDA（Thomson Data Analyzer）进行数据清洗和共现矩阵构建，运用Innography工具进行专利的深度挖掘与分析，同时使用Excel进行部分基础数据的统计分析。

2钠硫电池技术专利分析

21钠硫电池技术专利总体态势分析

根据钠硫电池的相关专利数量随申请年的变化趋势可以看出，钠硫电池相关专利的申请始于20世纪60年代中后期，20世纪70年代初出现小幅度的增长，但这一趋势只持续了5年左右，随后又逐渐降低。20世纪80年代初期至90年代初期，相关专利申请量再次呈现增长态势，期间1988年和1989年出现爆发式增长。20世纪90年代中期至21世纪初期，相关专利申请数量又一次的回落，直至2007年，相关专利数量呈现快速增长态势，这与各国加大对钠硫电池研发投入密切相关，如2006年8月开始，上海硅酸盐所和上海电力公司合作，联合开发储能应用的钠硫电池；日本NGK公司自2002年开始将钠硫电池产业化以来，2008年起实现真正意义上的盈利[7]；2009年上半年，美国政府拨款20亿美元用于支持包括大规模储能在内的电池技术研发[2]，等。总体来看，钠硫电池的发展历程一波三折，颇受争议，但也不乏一些中坚力量不断地推动其发展。（由于专利从申请到公开，到被DII收录，会有一定时间的延迟，所以图中2014年、2015年的数据小于实际数据，仅供参考。）图1钠硫电池专利申请数量的年度分布

根据钠硫电池专利技术发明人及其相关技术条目（基于IPC大组）的年度变化情况可见，发明人的变化情况与相关专利申请量变化情况有相似之处，都呈现波浪式的增长。2004年以来，新发明人的数量出现大幅度的增加，从而有力地促进了钠硫电池的进一步研发。如图3所示，近年来钠硫电池每年都有大量的新技术条目涌现，说明该领域的技术在持续革新。综合图2与图3可见，钠硫电池在发展过程中曾出现数次步调放缓的迹象，20世纪初开始逐渐呈现加快发展的趋势，其未来发展情况与其关键技术的攻克及政策扶持情况有着密切的关系。

22钠硫电池专利申请技术主题分析

国际专利分类（International Patent Classification，IPC）是国际通用的标准化专利分类体系。通过对钠硫电池专利的IPC进行统计分析，可以获取该领域涉及的关键技术主题和研发重点。

基于IPC大组统计发现，在2 247件专利数据中，二次电池及其制造（H01M-010）大组占了718%；其次，非活性部件的结构零件或制造方法（H01M-002）大组占2252%；电极（H01M-004）大组占1291%；陶瓷成型制品、陶瓷组合物（C04B-035）大组占831%；电池组充电或去极化装置（H02J-007）占581%。在钠硫电池的研发初期，1967-1970年期间，以用于直接转变化学能为电能的方法或装置（H01M-000）大组为主，随后各主要技术大组的专利申请数量逐渐上升。

考虑到IPC分类号大组缺乏对具体技术细节深入的揭示，故而将分类号的统计分析细化到小组。表1中，列出了钠硫电池专利申请量排名前15个技术主题。在二次电池及其制造中，高温工作的二次电池及其制造（H01M-010/39）小组、加热或冷却温度控制（H01M-010/50）小组、电池结构（H01M-010/38）小组为主，其中高温工作的二次电池及其制造占所有专利的6193%。自2007年以来，钠硫电池的专利申请主要集中在高温工作的二次电池及其制造（H01M-010/39）、保持装置（H01M-002/10）、电池组充电或去极化装置（H02J-007/00）、充放电方法（H01M-010/44）、与测量试验或指示情况的装置相结合的蓄电池（H01M-010/48）。电池箱、套或罩技术主要涉及钠硫电池组包装组件及电池保护套；温度控制主要涉及钠硫电池专用保温箱与升温方法，同时也在研制室温下的钠硫电池；以氧化铝为基料的固体电解质陶瓷管制备技术是影响电池性能与寿命的主要因素，β-氧化铝陶瓷管是钠硫电池的核心材料。目前，除此之外，研发人员也在关注另一种导电耐腐蚀钙钛矿结构材料作为钠硫电池的电解质隔膜。由于液态S与Na2Sx具有强腐蚀性，因此硫极集流体材料的选择及防腐蚀尤为重要。

为对具体技术细节展开足够深入的探析，利用Innography专利检索与分析平台的文本挖掘功能，对非结构化的专利文本信息进行分析，通过不断的聚类与筛选，提取出钠硫电池技术相关专利的关键技术要点与研究主题，如图4所示。钠硫电池技术领域的研究要点可以分为固体电解质管、正电极、绝热、蓄电池模块、活性材料、β-铝6个大类。其中具体的关键词包括：绝缘环、电解质陶瓷、阴极箱、电极活性材料、电池壳体、多硫化钠、高温、电池组、碱性电池、烧结体等。结合IPC分类号的统计情况可见，利用文本挖掘聚类的方法得出的结论与IPC分类号统计的结果基本一致，同时，文本挖掘的方法所揭示的结果更为具体。

23钠硫电池专利国家/地区分布

钠硫电池相关专利的主要产出国家/地区有：日本、美国、中国、德国、英国、法国、加拿大、南非、澳大利亚、瑞士等（由图5所示）。从钠硫电池相关专利受理数量来看，以上国家/地区也是该领域的主要保护区域。其中，日本处于遥遥领先的地位，其专利申请数量比其他十国钠硫电池相关专利申请总量还要多，其钠硫电池相关专利的受理量与其他十国的受理总量相当。其次，美国和中国在钠硫电池的申请/受理数量也处于前列，且两国之间的差距较小，与日本的差距较大。

各国受理的专利申请中，日本和中国以来自本土申请人为主，美国来自本土申请人的专利约占1/3，如图6所示，可见美国市场深受各国的重视。同时，在日本、中国、德国等主要国家受理的钠硫电池相关专利中，来自美国的专利申请数量基本位列前三。可见，美国也是重要的专利输出国，重视其专利在国外市场的保护。虽然中国在专利申请量上仅次于日本，但绝大部分均在本国受理，专利输出数量较少，表明国内申请人对他国市场重视程度不够。同时，通过分析钠硫电池在华专利来源地发现，892%的申请来自国内（包括台湾省），其中最多的是来自上海、北京、江苏，分别占总体的43%、11%和8%。进一步分析发现，来自上海的大多是由中国上海电气钠硫储能技术有限公司、中国科学院上海硅酸盐研究所以及国家电网上海电力公司申请。国外在华专利申请多来自美国和日本。来自日本的专利申请权利人多为日本碍子株式会社。

从主要国家/地区钠硫电池相关专利申请数量的年度变化情况来看，日本、英国、美国、加拿大钠硫电池相关专利申请起步较早。在20世纪70年代，欧美国家经历了钠硫电池相关专利申请的小高潮，到了90年代欧美各国对钠硫电池的研究进入了低谷，直至近几年，美国再次重视钠硫电池研发。究其原因在于，美国福特公司最早在1966年首先针对电动汽车提出钠硫电池，然而在后续研发中以更有优势的锂电池替代了钠硫电池在电动汽车中的应用，使得钠硫电池的研发停滞了一段时间，直至日本在钠硫电池的成功产业化应用，引起欧美各国的再次重视。而中国与韩国的钠硫电池相关专利申请起步较晚，但是近几年表现尤为突出。日本作为钠硫电池研究的中坚力量，其专利申请的年度变化情况与全球总体趋势基本一致。20世纪80年代至90年代是日本钠硫电池相关专利申请量最大的时期，也正是这一时期的积累，使得日本在2002年开始实现钠硫电池的产业化。进入21世纪初期，日本钠硫电池相关专利申请量有所放缓，直至2011年再次呈现上升趋势。究其原因在于2011年9月21日大容量钠硫电池系统在客户方发生了燃烧，使得钠硫电池的性能提升再次受到研发人员高度关注[8]。

从专利申请前9位国家在钠硫电池领域的技术布局情况（基于IPC小组）来看，主要国家专利大都分布在H01M-010/39、H01M-002/02、C04B-35/10等领域，即高温工作的二次电池及其制造、电池箱或罩、以氧化铝为基料等。图8主要国家钠硫电池专利申请量年度分布

其中，日本除二次电池及其制造以外的各技术小组分布均匀，以β-氧化铝为基料的陶瓷成型制品（C04B-035/113）技术是其他各国少有的。中国的各项技术分布中，结构或制造（H01M-010/38）、电池箱或罩（H01M-002/02），以及用于电池组的充电或去极化或用于由电池组向负载供电的装置（H02J-007/00）等技术所占比重较大。美国则是注重在高温下工作的一次电池（H01M-006/20）、带有固体电解质的一次电池（H01M-006/18）以及作为活性物质或活性液体的材料的选择（H01M-004/36）。图9主要国家/地区钠硫电池的技术布局

24钠硫电池专利申请人分析

241专利申请人概况

将全球钠硫电池专利申请人分为企业、大学、个人、科研机构4类，他们的钠硫电池相关专利申请数量所占比例分别为8201%、147%、1103%、548%。由此可见，钠硫电池处于一个较为成熟的技术领域，有超过80%的专利申请来自企业。图10为主要国家不同类型的专利申请人专利数量构成情况。可见，在日本、中国、美国、英国、德国、法国、瑞士，企业是钠硫电池专利申请的主力军，而在韩国、 加拿大，企业的地位并非十分突出。在韩国，科研机构占据了专利申请的近一半比例，其次是企业和个人，大学所占比例最小。在加拿大，个人和企业所占比例相当。

242重要专利申请人分析

在专利申请数量排名前28位申请人中，企业占24位，科研机构占4位。企业中，日本企业有14位，美国企业有3位，中国与瑞士企业各有2位，英国、法国、韩国企业均为1位。4个科研机构分别来自韩国、中国、日本和美国。申请专利数量前4位均为日本公司，分别为：碍子、日立、汤浅蓄电池电气株式会社、东京电力。如图11所示。结合Innography生成的专利权人气泡图可知，美国通用公司和福特汽车公司的收益最高，其次是日本日立公司。尤其是日立图10主要国家不同类型申请人钠硫电池专利数量构成

公司，不仅拥有的专利数量较多，公司的综合实力也较强，在市场上具有重要的地位。而日本碍子公司虽然拥有的相关专利最多，但其收益整体来看偏低。根据Innography对专利强度的划分，处于80%～100%专利强度属于核心专利[9]。统计钠硫电池技术领域共有24件核心专利，其中日本碍子公司共有5件专利入选，专利号分别为EP2001098、US8957640、EP1968151、EP1970981、US8810203；通用公司共有4件专利入选，专利号分别为US7489048、US8471406、US20100089547、US20130138279；上海电气钠硫储能技术有限公司共有3件专利入选，专利号分别为CN102142584、CN102152902、CN103151487。1983年起日本碍子（NGK）与日本东京电力合作开发钠硫电池，2002年进入商品化阶段。汤浅蓄电池电气株式会社是日本著名的蓄电池生产研发企业。中国上海电气钠硫储能技术有限公司专利申请数量排名第5，与上海电气、国家电网上海市电力公司以及中国科学院上海硅酸盐研究所强强联合，专注于钠硫储能技术的开发，代表了中国在该领域的最高水平，目前来看，其收益在整体中处于末端。英国克劳瑞德电力集团始建于1891年，是欧洲最大的UPS生产和服务供应商，也是全球最早生产蓄电池的厂家之一，20世纪60年代开始生产UPS不间断电源和工业电源。图11钠硫电池技术重要申请人

基于Innography专利分析平台，从技术实力、经济实力两个方面对钠硫电池储能技术领域重要的11位专利权人进行了综合评价。技术实力由专利数量、技术分类和专利引用三方面构成。图12可分为4个象限，分别代表领袖型专利权人、技术领先型专利权人、资金领先型专利权人和追赶型专利权人。目前，虽然在钠硫电池技术领域中还未出现完全符合领袖型要求的专利权人，但日立公司与通用公司都有望在不久的将来有所突破，成为该领域的领袖型专利权人。而NGK公司在该领域处于绝对的技术优势，成为技术领先型专利权人；福特公司以其雄厚的资金实力成为资金领先型专利权人。以东京电力为首的7位专利权人成为该领域的追赶型专利权人，其中克劳瑞德在技术水平上与通用、日立公司相当，有望成为该领域的技术领先型专利权人。我国的上海电气钠硫储能有限公司从技术实力来看，在这11位专利权人中处于中等水平，但经济实力处于末端。中国国家电网相对于其他专利权人处于左下方，技术实力与经济实力偏低。图12钠硫电池技术重要申请人综合实力对比图

3结论与启示

31结论

近年来，钠硫电池作为一种备受关注的电化学储能技术，其具有高比功率和比能量，低原料成本及制造成本，无自放电等优势，具有较好的发展前景[10]。通过分析，可见以下趋势。

钠硫电池的研究始于20世纪60年代中后期，全球相关专利申请数量在20世纪90年代初呈现上升趋势，随后出现下降，直至2007年再次呈现快速增长趋势。总体来看，钠硫电池的发展一波三折，期间对其发展有过争议，但也不乏中坚力量一直推动着其技术的不断革新。2008年以来，钠硫电池领域不断涌入新的发明人，研究人员数量逐年增加，新的技术条目不断涌现，呈现快速发展态势，从申请人类型来看，有超过80%的专利来自企业，表明钠硫电池领域经历了成长期趋向成熟。钠硫电池专利申请主要集中在：高温工作的二次电池及其制造、电池箱或套、温度控制、以氧化铝为基料的陶瓷制品、保持装置、充放电方法、电极技术等方面。其中以β-氧化铝为基料的陶瓷制品技术是其他各国少有的，这也是钠硫电池的核心材料，影响电池性能和寿命的主要因素。

对于全球钠硫电池技术的研发，日本处于遥遥领先的地位，虽然欧美各国在钠硫电池领域的研究起步较早，但由于中间一段时间的停滞，使得在该领域落后日本较多。日本钠硫电池相关专利申请量是美中两国申请量总和的26倍，其受理量是美中两国受理量总和的2倍。日本作为钠硫电池领域的中坚力量，其专利申请量的年度变化情况与全球总体趋势基本一致。我国进入钠硫电池领域虽然较晚，但近几年发展较快，以上海电气钠硫储能技术有限公司为代表的产学研相结合，以及出现一批新民营企业投入到该领域中，使得我国能在短期内快速发展钠硫电池领域，并成为专利申请量排名第二的国家。但与此同时也存在发展中的问题，如专利输出较少，关键技术有待攻克，在国际环境中的竞争力不足等。美国虽在专利申请数量与受理数量上与我国水平相当，但其专利输出水平与市场竞争力要优于我国。

32启示

总体来看，钠硫电池在电化学储能中具有良好的性能和经济效益，但其安全性仍有待提高[11]。需从电池结构、温度控制、制备材料等方面攻克。当前，钠硫电池的核心材料为β-氧化铝陶瓷管，该技术已被日本牢牢掌握，要想有所突破，我国需探索其他价格低廉、性能优良的替代材料。同时，钠硫电池作为一种高温二次电池，其工作温度成为其应用的一大局限，目前已有机构致力于研究常温下的钠硫电池，这将成为钠硫电池技术革新的又一关键点。

根据目前我国专利受理情况来看，来自国外的钠硫电池相关专利所占比例较小，同时，各国向我国输出的专利数量在其本国专利数量的占比较小。由于专利保护具有地域性，即在某国境内只保护在该国申请并获得专利权的专利。因此，可利用未在我国进行专利布局的重要专利，同时，及时规避已在我国获得专利保护的发明创造。

针对我国目前相关专利输出较少，专利质量有待提高的现状，一方面，要加大对知识产权保护制度的宣传，强化专利技术投资组合；另一方面，各相关部门和机构应出台有力的政策支持与研发投入，提升专利质量，推动行业发展，促进产业升级，形成良好的产业生态圈。

积极鼓励企业与科研机构、高校，以及企业间的合作交流，引导国内企业与国际大型企业的合作，如日本碍子公司、日立、东京电力、通用电气等。从上海电气钠硫储能有限公司的成功案例可见，构建多方紧密协同的研发体系，强化产学研一体，非常有利于行业的快速发展，推动产业化进程。

参考文献

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（本文责任编辑：郭沫含）