王艷輝 張玉良 姜 超

(* 國網內蒙古東部電力有限公司 呼和浩特 010020) (**中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司 長春 130021)

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基于專利分析的鈉硫電池技術發(fā)展趨勢研究①

王艷輝②*張玉良**姜 超**

(*國網內蒙古東部電力有限公司 呼和浩特 010020) (**中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司 長春 130021)

通過對德溫特(Derwent)數據庫收錄的全球鈉硫電池技術發(fā)明專利數據的分析，包括對專利技術區(qū)域、技術組織、技術研發(fā)等內容的分析，深度揭示了全球鈉硫電池技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢。鈉硫電池技術在能源存儲方面具有巨大應用潛能，并且已經成為支撐新能源發(fā)展的戰(zhàn)略性技術。研究發(fā)現(xiàn)，目前全球范圍內中國和日本是兩個完全掌握鈉硫電池技術的國家，中國盡管在電池箱和電池使用維護等方面形成了自己的優(yōu)勢，但在商業(yè)化發(fā)展道路上仍處于起步階段，較日本還存在一定的差距。該研究對有效開展我國鈉硫電池技術的創(chuàng)新發(fā)展有參考意義。

鈉硫電池, 專利分析, 合作網絡, 技術現(xiàn)狀, 發(fā)展趨勢

0 引 言

大規(guī)模的儲能技術已經成為支撐新能源發(fā)展的戰(zhàn)略性技術，而鈉硫電池作為一種快速發(fā)展的新型儲能電池，已在許多國家得到應用。鈉硫電池與鋰電池和全礬液流電池等化學電池相比，是一種同時適用于功率型儲能和能量型儲能的電池技術，其優(yōu)點在于電池體積小、能量密度高、功率密度大、循環(huán)壽命長和運行維護方便等[1]。鈉硫電池儲能系統(tǒng)不僅可以解決巨大的晝夜電力需求峰谷差問題，而且可以幫助太陽能、風能等新型能源技術成功并網以解決電力短缺問題，是城市智能電網建設重要的組成部分。

全球鈉硫電池已發(fā)展50年時間，產業(yè)化應用的條件日趨成熟。隨著煤、石油、天然氣等天然能源的耗盡和環(huán)境污染的加重，以風能、太陽能為代表的新能源技術受到各國的重視，但風能和太陽能發(fā)電具有明顯的不穩(wěn)定性和不連續(xù)性，給傳統(tǒng)電網的安全性和調峰能力帶來巨大的挑戰(zhàn)，鈉硫電池存儲技術在很大程度上解決了風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的隨機性、間隙性和波動性等問題，使大規(guī)模風力發(fā)電和太陽能發(fā)電并入常規(guī)電網成為可能。繼日本礙子株式會社(NGK)之后，美國、德國、法國等國相繼投入到鈉硫電池儲能技術研究與開發(fā)中，截至目前，全球已經建成200 個以上的應用示范項目[2]，而日本走在技術商業(yè)化應用的前沿，NGR是全球唯一一個能夠提供10MW以上的系統(tǒng)的供應商。

本文通過專利分析方法研究了全球鈉硫電池技術的發(fā)展態(tài)勢。研究中所用鈉硫電池專利數據均來源于德溫特(Dervent)數據庫。我們利用關鍵詞進行檢索，檢索時間為2016年6月1號，檢索范圍為1967至今的所有專利數據，共檢索查重得到相關的專利數據1791條，并采用TDA、EXCEL等分析工具對專利申請時間、國家、機構、技術分類號等字段進行統(tǒng)計分析，從專利角度深入研究了全球鈉硫技術的創(chuàng)新趨勢、技術區(qū)域分布、專利權人分布、合作網絡關系、技術差異分布等情況，為相關鈉硫電池技術的發(fā)展和科技決策支持提供數據支持。由于專利申請和公開之間具有一定的延遲，所以2015年之后的數據僅供參考。

1 鈉硫電池技術總體發(fā)展態(tài)勢分析

1.1 全球專利申請趨勢分析

圖1顯示了全球鈉硫電池的專利申請逐年變化情況，可以看出，鈉硫電池領域的相關專利申請最早起始于1967年，經過了波浪式的推進發(fā)展過程，目前主要形成了3個比較典型的發(fā)展時期：(1) 1967～1982年的緩慢發(fā)展期。美國福特公司最早在1967年研發(fā)了鈉硫電池[3]，隨后世界各國也相繼開展了相關的研究，但由于當時研發(fā)的最初目標是作為電動汽車的動力電池，鈉硫電池運行溫度高、安全性差等問題限制了其在車載動力電池的應用，因此相關的專利申請速度較為緩慢。(2) 1982～2006年的快速成長期。日本的NGK公司在1982年開始與東京電力公司合作開發(fā)儲能鈉硫電池，并于1992年建立了第一個鈉硫儲能示范項目，2003年開始了儲能項目的商業(yè)化生產[4]，此時期研發(fā)的重心由車載動力電池轉向儲能系統(tǒng)的開發(fā)，各國相繼部署自己的鈉硫儲能系統(tǒng)，使得鈉硫電池的發(fā)展獲得了快速的成長。值得注意的是以日本為代表的技術強國壟斷了鈉硫電池的整個市場，并在2000年初就已經完成了相關技術配套服務的開發(fā)，而其他國家的技術研發(fā)仍面臨著許多問題，因此在這一時期，全球專利申請?zhí)幱谳^低的水平；(3) 2006～至今的技術成熟階段。產業(yè)化和商業(yè)化發(fā)展是目前的主流趨勢。美國電力公司2006年在西弗吉尼亞安裝了第一套鈉硫電池儲能系統(tǒng)，中國的硅酸鹽研究所也成功研制出30AH的單體電池，使中國成為繼日本后第二個掌握大容量鈉硫電池技術的國家，截至2009年，全球已經建成了200個以上的項目，商業(yè)化和產業(yè)化的發(fā)展不斷推動著鈉硫電池儲能技術走向成熟。

圖1 全球鈉硫電池的專利申請逐年變化情況

1.2 技術區(qū)域分析

1.2.1 公開國家或組織分布

圖2顯示了全球鈉硫電池公開專利排名前10的國家或組織分布，可以看出，全球鈉硫電池的專利公開國之間存在著明顯的數量差距。日本憑借1052件公開專利排名第1位，其次排名前五的分別是中國、美國、韓國和世界知識產權局(WIPO)，專利公開量在90件以上。

僅從各國專利公開數量來看，日本處于技術主導位置，日本是掌握鈉硫電池儲能技術的第一國家。據全球鈉硫儲能系統(tǒng)的統(tǒng)計，以日本組建的鈉硫儲能系統(tǒng)就有100座以上[5]，占總數的1/2；中國以232件公開專利排名第2位，中國是繼日本之后第二個進行大容量儲能用鈉硫電池技術開發(fā)的國家，在2006年自行研制成功具有自主知識產權的650AH大容量儲能用的鈉硫單體電池[6]，并在2010年上海世博會期間成功示范運行了100kW/800kWh的鈉硫電池儲能裝置，目前中國儲能用的鈉硫電池發(fā)展已進入產業(yè)化的前期準備階段；美國是第一個提出鈉硫電池的國家，但卻以118件的公開專利排名第3位。美國一方面從2000年開始就已經從日本購進相關的鈉硫電池儲能系統(tǒng)配套服務設施，另一方面也出臺了相關的政策支持大規(guī)模儲能電池技術的研發(fā)的相關政策，更偏向于推動技術朝向產業(yè)化方向發(fā)展。韓國和德國也比較重視相關技術的開發(fā)，其中德國在2011年底，至少已經完成了20個電池儲能示范項目；各國也比較注重PCT國際專利的申請，僅在世界知識產權組織就申請公開了95件專利。

圖2 全球鈉硫電池公開專利的排名前10的國家或組織分布

1.2.2 優(yōu)先權國家或組織分布

圖3顯示了全球鈉硫電池優(yōu)先權國家或組織專利布局分布情況，橫坐標代表專利申請的優(yōu)先權國家，縱坐標代表專利公開國家，氣泡大小代表專利的件數。由于一件專利可能對應多項專利優(yōu)先權，所以數據間存在一定的重復性。通過優(yōu)先權國家的專利布局情況，我們可以直觀地了解優(yōu)先權國家的專利布局情況，從而進一步了解其專利戰(zhàn)略。

圖3示出了優(yōu)先權國家為日本的專利布局，其主要的專利申請公開國是日本本國，有1051條專利，其次是世界知識產權組織(WIPO)的PCT專利申請，有54條專利。日本雖然在美國、德國和歐專局都有相關的專利申請，但更多采取的是專利防御型的實施策略，在充分的占有本國市場的基礎上，然后逐漸開始關注國際市場的專利布局。優(yōu)先權國家中國、美國、韓國、德國等也都十分注重本國市場的保護，在本國申請的專利申請最多，但同時存在一定的策略差別。美國和韓國雖然申請的專利數量較少，但非常注重國際市場的開發(fā)，擁有一定數量的PCT專利；中國比較注重本國市場的開發(fā)，但對于國際市場的關注度有待提高。

圖3 全球鈉硫電池優(yōu)先權國家或組織專利布局分布

1.3 技術組織分析

1.3.1 技術機構分布

表1詳細地統(tǒng)計了全球排名前20專利申請機構的排名情況以及計算了近四年專利申請活躍度情況?？梢钥闯?，全球排名前20的機構組織中有9家日本機構，4家中國機構、兩家美國機構，韓國、法國、英國和瑞士機構各1家。日本機構中的日本礙子株式會社(NGK)是全球鈉硫電池技術的領頭機構，專利申請數量排名第1位，1982年NGK便和日本東京電力公司合作開發(fā)鈉硫儲能用電池，并且在1992年成功研制出世界上第一個鈉硫儲能系統(tǒng)，2002年進入到商品化推廣的階段[7]，NGK憑借特有的高度陶瓷技術，實現(xiàn)了世界首次兆瓦級鈉硫蓄電的實用化；其次日立集團、日本湯淺蓄電池和日東東京電力集團都是日本知名的電子電氣企業(yè)，全球專利申請排名分別為第2位、第3位和第4位，地位同等重要；中國機構中以上海電氣鈉硫儲能有限公司為代表的機構全球專利申請排名第5位。與國網上海市電力公司(排名第8位)是僅有的兩家進入全球排名前10的中國機構，其中上海電氣鈉硫儲能有限公司是由上海電氣總公司、國網上海市電力公司、中科院上海硅酸鹽研究所(排名第17位)共同投資組建的鈉硫電池產業(yè)化公司，開創(chuàng)了技術—產業(yè)化—用戶“三位一體”的高新技術產業(yè)化合作模式。另外，韓國鋼鐵業(yè)巨頭浦項(排名第6位)也正在著手布局鈉硫電池的生產應用。

表1 全球鈉硫電池前20專利申請機構排名

從專利申請的活躍度來看，中國東方電氣專利申請總量雖少，僅11件，但其中9件專利是近四年申請的，因此專利活躍度排名第1位；其次上海電氣鈉硫儲能有限公司和中國國網上海市電力公司分別排名第2位和第3位，從側面反映出中國的研發(fā)活躍度近兩年比較高，這在一定程度上離不開國家政策支持和各科研機構、企業(yè)的共同推進；日本礙子專利申請數量雖為第1位，但其專利活躍度相對靠后，排名第10位，說明其技術更多地由研發(fā)重心轉移到商業(yè)化、市場化的推廣階段。

1.3.2 技術機構合作網絡分析

圖4展示了全球鈉硫電池排名前20的專利申請機構的合作網絡分析，其中連線粗細代表了合作的緊密度，數值大小代表了具體合作的專利數量。通過探究機構之間的合作網絡，可以探究各研發(fā)機構間采取的專利研發(fā)策略。

圖4 全球鈉硫電池前20專利申請機構合作網絡分析

從圖4中可以看出，全球排名前20位的申請機構僅有日本企業(yè)的4家機構(日本礙子株式會社、日立集團、日本東京電力公司、日本電氣硝子株式會社)以及中國的3家機構(中科院上海硅酸鹽研究所、國網上海市電力公司、上海電氣鈉硫儲能有限公司)進行了相關的合作開發(fā)研究，其他機構均采取保守的獨立研發(fā)策略，其中日本機構以日本東京電力公司的合作研發(fā)活躍度最高，分別與日本礙子、日立集團、日本電氣硝子株式會社形成了82件、35件、1件的雙向合作關系。日本礙子株式會社和日立集團、日本東京電力公司分別是全球排名第1位、第2位和第4位的巨頭企業(yè)，其分散式的專利合作網絡關系構成了整個鈉硫電池儲能技術的寡頭壟斷，對整個技術行業(yè)的發(fā)展影響巨大。值得注意的是日本電氣硝子株式會社，盡管鈉硫方面的相關專利較少，但也開始積極尋求與大企業(yè)之間的合作，其基本的專利研發(fā)策略是追隨型策略。

中國機構中，采取的是一種閉環(huán)式的專利合作網絡關系。以國網上海市電力公司的合作研發(fā)活躍度最高，分別與上海電氣鈉硫儲能有限公司、中科院上海硅酸鹽研究所形成了12件和24件的雙向合作關系，閉環(huán)式的專利合作網絡關系在一定程度上形成了中國本土的競爭優(yōu)勢。中科院上海硅酸鹽研究所作為中國唯一進入全球排名前20的科研機構，在中國鈉硫電池儲能技術的研究上，也發(fā)揮著重要的作用。

1.4 技術研發(fā)分析

1.4.1 關鍵技術分布

圖5和表2分別對全球專利的排名前10的IPC技術小類進行了統(tǒng)計和注釋，IPC分為部、大類、小類、大組和小組，通過統(tǒng)計不同的部、類、組，可以對技術的研發(fā)趨勢和熱點空白點進行發(fā)現(xiàn)。可以看出，目前鈉硫電池技術領域的相關研究主要分布在鈉硫電池制備(H01M)、鈉硫儲能系統(tǒng)裝備(H02J)、鈉硫材料制備(C04B、C23C、H01B、B23K、B28B、C22C、H01G)等三大方面。鈉硫電池的制備包含了多種材料的組合技術，如部件的封接技術、電極材料的選擇技術等，是鈉硫電池組裝過程的難點[8]；鈉硫儲能電池是先進二次電池中最為成熟的一種，也是最具有發(fā)展?jié)摿Φ南冗M儲能電池[9]，因此研發(fā)鈉硫電池儲能系統(tǒng)成為各國的重點，鈉硫電池儲能系統(tǒng)主要包括鈉硫電池子系統(tǒng)和功率轉換子系統(tǒng)(PCS)兩個子系統(tǒng)，繼日本NGK之后，美國、法國、英國都在著手部署鈉硫儲能系統(tǒng)，日本在2008年已經建成全球最大的34MW的風電儲能電站[1]；鈉硫材料制備包含多種無機材料，如電解質陶瓷隔膜、正負極絕緣陶瓷、封接用玻璃、金屬焊料、導電碳、集流用金屬電機以及活性物質鈉和硫等[8]。目前電池組技術發(fā)展最為成熟，相關的專利較多，而鈉硫存儲系統(tǒng)的研發(fā)、產業(yè)化、商業(yè)化是當前技術的重點，全球僅有日本和中國掌握該項技術，未來發(fā)展空間比較大。

圖5 全球鈉硫電池排名前10技術小類分布 表2 全球鈉硫電池排名前10技術小類注釋

序號IPC小類專利數量 IPC小類注釋1H01M1544用于直接轉變化學能為電能的方法或裝置,例如電池組2H02J163供電或配電的電路裝置或系統(tǒng);電能存儲系統(tǒng)3C04B140石灰;氧化鎂;礦渣;水泥;組合物;陶瓷;耐火材料4G01R50測量電變量;測量磁變量5C23C33對金屬材料的鍍覆;用金屬材料對材料的鍍覆;表面擴散法,化學轉化或置換法的金屬材料表面處理;真空蒸發(fā)法、濺射法、離子注入法或化學氣相沉積法的一般鍍覆6H01B33電纜;導體;絕緣體;導電、絕緣或介電材料的選擇7B23K30釬焊或脫焊;焊接;用釬焊或焊接方法包覆或鍍敷;局部加熱切割,如火焰切割;用激光束加工8B28B23黏土或其他陶瓷成分、熔渣或含有水泥材料的混合物,例如灰漿的成型9C22C22合金10H01G22電容器;電解型的電容器、整流器、檢波器、開關器件、光敏器件或熱敏器件

1.4.2 技術熱點布局

圖6為全球鈉硫電池排名前10技術研究重點的分布情況，橫坐標代表優(yōu)先權國家，縱坐標代表全球排名前10的IPC分類號所對應的技術分支。IPC分類號能夠在一定程度上反映技術申請的側重點，通過對比不同國家在不同IPC分類號上的專利分布，一方面可以了解各國在技術研發(fā)上的專利布局，另一方面也可以對比各國研發(fā)的優(yōu)勢和劣勢，從而對研發(fā)方向具有一定的指導性。以上數據顯示，高溫工作的二次鈉硫電池研發(fā)技術是本領域的基本技術，鈉硫電池工作的溫度需要維持在300～350℃，高溫運行下的鈉硫電池陶瓷管一旦破裂形成短路，將會造成很大的安全事故[7]，所以制造安全系數高、高溫工作的電池組研發(fā)是各國的基礎。因此各國分別在此技術分支上進行相關的專利申請，以日本專利數量居多，有909件，其次日本也比較注重鈉硫電池的電池箱、套、罩的研究開發(fā)， 并且在溫度控制、保持裝置、電池結構與制造等全球排名前10的技術分支中都有相關的專利申請。中國也比較注重高溫工作的二次電池技術，并且比較關注電池結構與制造，以降低電池體系的工作溫度，解決高溫工作下鈉硫電池的腐蝕問題,另外在電池箱、電池結構和制造和電池使用維護上都進行了相關專利的開發(fā)。美國在充放電方法和裝置上進行了重點的部署研發(fā)。韓國在高溫工作二次電池和電池保持裝置方面形成了自己的優(yōu)勢。德國也在充放電裝置上占有自己的一席之地。

總體來看，日本屬于鈉硫電池技術大國，在各技術分支上都進行了專利部署，處于主導位置。其他國家也在各技術分支上進行了重點研發(fā)。在電池結構與制造、電池箱、套、罩以及電池使用維護上，中國具有一定的研發(fā)優(yōu)勢。在充放電方法和裝置上，美國、德國具有一定的研發(fā)優(yōu)勢。在保持裝置方面，韓國具有一定的研發(fā)優(yōu)勢。

圖6 全球鈉硫電池排名前10技術研究重點分布

2 結 論

通過對鈉硫電池技術領域的全球研發(fā)態(tài)勢研究發(fā)現(xiàn)，伴隨著鈉硫電池研發(fā)重心由動力用電池轉向儲能用電池，鈉硫電池在分布式能源的存儲、負荷平定、削峰填谷、應急電源以及風力發(fā)電、太陽能發(fā)電等新興能源領域的應用上有巨大的潛能。

目前為止，全球已經進入到第3個研發(fā)的高峰期，技術發(fā)展比較成熟，其中以日本為代表的技術強國主導著整個鈉硫電池技術的發(fā)展方向，中國盡管是世界上第二個掌握鈉硫電池技術的國家，但鈉硫電池儲能系統(tǒng)的商業(yè)化和產業(yè)化尚處于前期準備階段，較日本還有一定的差距。目前各國采取的專利布局策略均為防守型策略，即大都選擇在本國申請相關專利，因此國際市場開發(fā)前景廣闊。以日本礙子株式會社、日立集團、日本東京電力集團等帶頭的巨頭企業(yè)實施合作開發(fā)的研發(fā)模式，企圖壟斷整個鈉硫電池技術的市場，而以上海電氣鈉硫儲能有限公司、中科院上海硅酸鹽研究所、國網上海市電力公司等形成的閉環(huán)式專利合作網絡關系在一定程度上形成了中國本土的研發(fā)競爭優(yōu)勢，使之有力量與日本抗衡。但應注意到，鈉硫電池儲能系統(tǒng)牽扯到鈉硫材料的制備、鈉硫電池的制備和鈉硫儲能系統(tǒng)裝備的研發(fā)，中國盡管在電池結構與制造、電池箱、套、罩和電池使用維護等具體技術分支上形成了自己的競爭優(yōu)勢，但在充放電方法和裝置上，應向日本、美國和德國學習。目前全球200多座鈉硫系統(tǒng)儲能項目，僅與日本合作共建的儲能系統(tǒng)就在100座以上，而中國僅在2010年上海世博會期間成功示范運行了100kW/800kWh的鈉硫電池儲能裝置，在未來商業(yè)化、產業(yè)化的發(fā)展方向上仍有一段路需要走，這離不開國家政策的大力支持以及企業(yè)、科研機構研發(fā)人員的共同努力。

[1] 孫文，王培紅. 鈉硫電池的應用現(xiàn)狀與發(fā)展. 節(jié)能論壇， 2015，(2)：85-89

[2] California Energy Commission. Ngk’s sodium sulfur(nas)battery: the vendor’s perspective on barriers & issues encountered in u.s. deployment. http://www.energy.ca.gov/2009_energypolicy/documents/2009-04-02_workshop/presentations/2_2%20NGK-NAS%20-%20Harold% 20Gotschall.pdf. 2009

[3] 周小沫，姜峰，吳冰等. 基于專利分析的我國鈉硫電池技術發(fā)展現(xiàn)狀研究. 科技創(chuàng)新導報, 2014，(16)：31-34

[4] 陳啟昉，方陳，張字等. 鈉電池的研究進展及其在電力儲能中的應用.華東電力， 2014，42(8)：1580-1584

[5] 曹佳弟. 電力儲能技術的崛起和發(fā)展. http://www.sic.cas.cn/zt/kpwsx/kpjt/201105/t20110505_3127748.html.2011

[6] 邱廣瑋,劉平. 鈉硫電池發(fā)展現(xiàn)狀. 材料導報,2011,25(11)：35-37

[7] 蔣凱，李浩秒，李 威等. 幾類面向電網的儲能電池介紹. 電力系統(tǒng)自動化，2013，23(1)：47-53

[8] 溫兆銀，俞國勤，顧中華等. 中國鈉硫電池技術的發(fā)展與現(xiàn)狀概述. 供用電，2010，26(6)：25-28

[9] 呂家云. 鈉硫電池性能及應用. 巢湖學院學報，2009，11(6)：64-65

The research on the development trend of sodium sulfur battery based on patent analysis

Wang Yanhui*， Zhang Yuliang**， Jiang Chao**

(*State Grid East Inner Mongolia Electric Power Supply Co., LTD.， Hohhot 010020) (**Northeast Electric Power Design Institute Co., LTD., China Power Engineering Consulting Group， Changchun 130021)

The developing status and trends of the sodium sulfur battery technology with the huge application potential in energy storage and the strategic importance for supporting the development of new energy resources, was deeply studied through the analysis of the patent data of the global sodium sulfur battery technology collected by the Derwent database, including the analysis of the regional distribution, institution distribution of the research on sodium sulfur battery technology and the content of the research. The study concluded that China and Japan are the two countries who completely master this technology in the world. Although China has formed its own advantage in the aspects of battery box and battery maintenance, but it is a long way for it to go on the commercial development compared to Japan. The study is of referential significance for China’s innovation and strategic development of the sodium sulfur battery technology.

sodium sulfur battery, patent analysis, collaborative networks, technology status, development trends

10.3772/j.issn.1002-0470.2016.05.012

①國家電網公司課題(No. 1366011350TD)資助項目。

2016-02-04)

②男，1980年生，高工；研究方向：能源與電力；聯(lián)系人，E-mail: yanhui622@126.com