液流电池技术专利分析

上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

当前,储能技术和产业日益受到重视,各种新型电化学储能电池技术不断取得研究进展。液流电池技术作为新一代储能技术,具有电池寿命周期长等特点,近年来同样得到了飞速发展。

液流电池技术是一种大规模高效电化学储能技术,一般通过液态活性物质发生氧化还原反应,实现电能与化学能相互转换及能量存储。液流电池也常被称为氧化还原液流电池[1]。液流电池的活性物质是具有流动性的液体电解质溶液,可以存储在电堆外部,通过泵输送至电池内进行反应。电池内的正、负极电解液由离子交换膜隔开,在充、放电过程中,电解液中的活性物质离子在惰性电极表面发生价态变化,实现化学能与电能的转换,从而实现电能的存储与释放。根据不同的活性物质,液流电池可以分为全钒、锌-溴、多硫化钠-溴、铁-铬等多种技术路线[2-3]。特别是全钒液流电池,其寿命长、规模大、安全可靠的优势尤为突出,成为规模储能的首选技术,在调峰电源系统、大规模风光电系统储能、应急电源系统等领域具有广阔的应用前景[4]。

笔者以全球范围内公开的液流电池相关专利为基础,对液流电池专利的总体时间趋势、地域分布、技术热点、主要专利权人等进行分析,展现液流电池技术的发展情况。

2 专利数据来源与检索方法

笔者检索的专利主题为液流电池,专利数据来源于德温特专利数据库,检索地域范围为国内外,时间截止至2018年9月15日。

通过制订相应的检索策略,经初步取样人工解读、批量去噪,获得相关专利申请13 234件。

由于专利的地域性,同样的技术内容会出现在多个国家进行申请的情形,将这种情形的专利按照德温特数据库的运算规则进行合并后,获得7 762个德温特专利家族。

3 专利情报分析要点

3.1 专利地图

以液流电池相关专利数据作为分析样本生成的专利地图如图1所示。这一专利地图由德温特创新专利检索平台自动聚类分析生成,可以在一定程度上反映专利技术的总体布局。图1中每一个点代表一件专利文献,将主题相近的专利文献会聚在一起,形成绿色区域山峰,峰顶标出技术主题。等高线越密集的地方,表示专利数量越多,白色区域表示最高峰。专利密度较低处形成淡蓝色区域,且在技术上的相互关联性较低。

由图1可以看出,液流电池专利主要集中在电池本体结构及检测技术方面,另有较多专利涉及充放电电路转换器及其它电力相关技术。在电池本体结构中,电极、电解液、离子交换膜方面专利数量较多,储液罐、双极板、液流框方面专利数量相对较少。

3.2 专利申请年代发展趋势

笔者对专利家族的最早优先权年进行统计,来分析专利家族年申请趋势,了解液流电池技术的发展历程。由于各同族专利的技术内容在一般情况下都基本保持一致,因此以专利家族的数量进行上述分析更为恰当。每个专利家族的最早优先权年是衡量专利活动表现的常用指标,这一日期与申请人决定针对该项发明创造申请专利权的创新日期联系也最为紧密。

液流电池技术专利家族年申请量趋势如图2所示。由图2可以看出,最早的液流电池技术专利申请出现在1962年,此后的近20年中,相关专利申请很少。直至进入20世纪80年代,相关专利申请量才开始出现实质性增长,但技术发展较缓慢,且应用可能性较低,专利申请量在振荡中缓慢增长,整体较平稳。21世纪以来,尤其是2008年开始,全球液流电池技术专利申请出现爆发式增长,年专利申请量呈指数级递增,可见液流电池技术实现了重要突破,日趋成熟,商业化应用前景日渐明朗。

由于专利申请至公开有一段较长的时间,因此图2中2017年和2018年的数据不具有参考价值,目前液流电池技术专利申请仍处于较快的增长阶段。

图2 液流电池技术专利家族年申请量趋势

3.3 专利地域分布

由于专利家族中的同族专利通常分布在不同地域,以专利家族为单位进行国内外技术分析没有意义,因此以未进行同族归并的专利申请量进行国内外技术的比对分析。

液流电池技术专利申请地域分布如图3所示。由图3可见,液流电池技术专利申请地域分布较集中,主要分布在中国、美国、日本、欧洲和韩国,这些国家和地区占全部专利申请总量的75%。特别是中国、美国和日本三国,占全球申请总量的61%,可见,中国、美国和日本是液流电池技术最重要的潜在应用市场。欧洲、韩国及加拿大的相关专利申请数量也较多,表明这些国家和地区也是液流电池技术重要的潜在应用市场。

主要国家和地区液流电池技术专利年申请量趋势如图4所示。由图4可以看出,虽然美国的液流电池技术专利申请起步很早,但是自从20世纪80年代初日本机构大举进入后,美国相关专利申请量没有明显的持续增长,而且与日本有较大差距,直至21世纪才开始出现实质性增长,并于2008年超过日本的申请量。日本虽然起步较美国晚,但从20世纪80年代初期开始一直到2007年,年专利申请量均为全球之最,是全球总体变化趋势的主导力量,但是近年来相关专利申请量增长不及中国、美国和韩国。相比日本、美国、欧洲,中国进入液流电池技术领域较晚。不过进入21世纪后,特别是2008年以来,中国相关专利申请量急剧增长,迅速超过日本和美国,成为目前全球最大的液流电池技术研发和专利申请国,以及全球最大的液流电池技术应用市场。韩国进入液流电池技术领域时间较晚,不过近年来相关专利申请量增长也很快。

图3 液流电池技术专利申请地域分布

3.4 技术热点方向

国际专利分类(IPC)是国际通用的标准化专利技术分类体系,蕴含丰富的专利技术信息。通过对液流电池技术专利的IPC进行统计分析,可以准确、及时获取这一领域涉及的主要技术主题和研发重点。

笔者检索到的7 762个液流电池技术专利家族涉及1 000多个IPC,其中排名前20位的IPC见表1。

图4 主要国家和地区液流电池技术年专利申请趋势

表1 液流电池技术专利IPC排名

由表1可以看出,液流电池技术专利申请主要集中在以下方面:① 电极材料选择及制备方法;② 离子交换膜材料选择及制备方法;③ 电池检测及监测技术;④ 电池充放电装置;⑤ 电解质制备,尤其是用于钒电池的电解质制备;⑥ 相关电路技术。

对于专利申请数量排在前列的中国、日本、美国、韩国、欧洲,统计在各个IPC中的专利申请量,结果如图5所示。

图5 主要国家和地区液流电池技术专利申请IPC分布

由图5可以看出,中国、日本、美国、欧洲、韩国在H01M08、H01M04、H01M10下的专利申请量都呈现明显的集中效应,可见全球的研究重点集中在电池制造,尤其是电极制造技术上。中国在非活性部件结构零件或制造方法、电路装置、充放电装置等方面稍占优势,在导电材料选择方面稍弱,专利总数多,总体分布较均匀。美国专利总量也较多,在材料光学分析方面有较大优势,但在电网电路装置方面较弱。日本专利总体分布也较均匀,在导电材料选择方面有较大优势。欧洲在电路装置、充放电装置等方面专利数量相对较少。韩国主要集中在非活性部件结构零件或制造方法、高分子材料制造方面。

3.5 主要专利权人

对液流电池技术专利家族数量进行统计,进而对主要专利权人进行分析。通过汇总分析,专利家族数量排名前20位的专利权人如图6所示。其中,最早优先权年在2015年及之前的专利家族数量用蓝色表示,最早优先权年在2016年及之后的专利家族数量用橙红色表示。

由图6可以看出,除中国科学院、中国清华大学、中国电力科学研究院、韩国能源研究所等少数几家科研机构和高校外,其它绝大多数液流电池技术专利权人均为企业。相比其它几个国家,科研机构和高校占中国液流电池技术专利数量较多,表明中国的液流电池技术多停留在研究阶段,产业化还有一定距离。

从国别来看,液流电池技术主要专利权人中,中国和日本最多,然后是韩国。其中,日本关西电力的液流电池技术专利总体较多,但其在2016年后没有新的专利家族产出,活跃度较低。日本住友电气在2015年建成60 MW安平町南早来变电站,是当时投入使用的世界最大规模氧化还原液流蓄电池,日本住友电气目前仍是液流电池领域的领军技术研发机构[5-7]。

3.6 近3年创新实力

对最早优先权年在2016年及之后的液流技术电池专利家族数量进行统计,进而对近3年创新实力进行分析。

近几年是液流电池技术发展迅猛的阶段,仅统计近3年新研发的技术,其专利家族数量达1 680个。通过汇总分析,专利家族数量在10个以上的专利权人如图7所示。

由图7可以看出,近3年有较强创新实力,保持较大专利家族数量的机构中,来自中国的机构最多,其次为韩国、日本、美国,韩国企业专利家族数量占比较大。对这些活跃度较高的企业专利家族进行IPC统计,见表2。

图6 主要专利权人液流电池技术专利家族数量分布

图7 近3年主要专利权人液流电池技术专利家族数量分布

表2中C08G61、C08L65、H02J13等主要指向高分子化合物及其组合物、储电系统电路装置、废液处理等技术领域。由表2可以看出,目前活跃度较高的企业,其研发重点同样聚集在电池制造技术,尤其是电极技术及电路装置。此外,主要研发精力还集中于全钒液流电池技术路线。中国科学院、中国国家电网、中国大连理工大学均有涉及液流电池废液处理的技术,中国国家电网在配电网络、充放电、远距离控制等电路装置方面专利数量相对较多。韩国LG在高分子化合物材料方面有较大的优势,专利数量远高于其它机构。

4 分析结论

通过对液流电池技术专利的总体时间趋势、地域分布、技术热点、主要专利权人进行分析,可知中国近年来在液流电池技术方面有了长足进步,不仅是液流电池应用的重要市场国,而且是液流电池技术专利的重要申请国与受理国,不仅专利数量多,而且各技术领域的专利分布也相对均匀,导电材料选择等方面则还有较大进步空间。对于液流电池而言,如果知识产权未覆盖所有重要相关领域,那么可能在实际应用中受制于人。建议加大技术薄弱点的研发力度,或采取技术合作或联合开发的方式,提高综合技术实力。

钒液流电池是液流电池技术的研发热点,中国不仅掌握钒电池的关键技术,而且拥有丰富的钒矿资源。中国已成功开发了5 MWh/10 MWh大规模全钒液流电池储能系统,并连续运行超过5年。中国科学家组织研究制定了钒液流电池标准体系[8-10],钒液流电池将在中国具有很好的发展和应用前景。

近年来,中国、韩国、日本等在液流电池领域仍有较大发展,中国在这一领域的专利数量仍在大幅持续增长,可见目前液流电池技术发展较快,正在考虑进入这一领域的企业需要考虑如何规避已受保护的专利技术。