上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

當(dāng)前,儲(chǔ)能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)日益受到重視,各種新型電化學(xué)儲(chǔ)能電池技術(shù)不斷取得研究進(jìn)展。液流電池技術(shù)作為新一代儲(chǔ)能技術(shù),具有電池壽命周期長(zhǎng)等特點(diǎn),近年來(lái)同樣得到了飛速發(fā)展。

液流電池技術(shù)是一種大規(guī)模高效電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù),一般通過(guò)液態(tài)活性物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng),實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換及能量存儲(chǔ)。液流電池也常被稱為氧化還原液流電池[1]。液流電池的活性物質(zhì)是具有流動(dòng)性的液體電解質(zhì)溶液,可以存儲(chǔ)在電堆外部,通過(guò)泵輸送至電池內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)。電池內(nèi)的正、負(fù)極電解液由離子交換膜隔開(kāi),在充、放電過(guò)程中,電解液中的活性物質(zhì)離子在惰性電極表面發(fā)生價(jià)態(tài)變化,實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)換,從而實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)與釋放。根據(jù)不同的活性物質(zhì),液流電池可以分為全釩、鋅-溴、多硫化鈉-溴、鐵-鉻等多種技術(shù)路線[2-3]。特別是全釩液流電池,其壽命長(zhǎng)、規(guī)模大、安全可靠的優(yōu)勢(shì)尤為突出,成為規(guī)模儲(chǔ)能的首選技術(shù),在調(diào)峰電源系統(tǒng)、大規(guī)模風(fēng)光電系統(tǒng)儲(chǔ)能、應(yīng)急電源系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[4]。

筆者以全球范圍內(nèi)公開(kāi)的液流電池相關(guān)專利為基礎(chǔ),對(duì)液流電池專利的總體時(shí)間趨勢(shì)、地域分布、技術(shù)熱點(diǎn)、主要專利權(quán)人等進(jìn)行分析,展現(xiàn)液流電池技術(shù)的發(fā)展情況。

2 專利數(shù)據(jù)來(lái)源與檢索方法

筆者檢索的專利主題為液流電池,專利數(shù)據(jù)來(lái)源于德溫特專利數(shù)據(jù)庫(kù),檢索地域范圍為國(guó)內(nèi)外,時(shí)間截止至2018年9月15日。

通過(guò)制訂相應(yīng)的檢索策略,經(jīng)初步取樣人工解讀、批量去噪,獲得相關(guān)專利申請(qǐng)13 234件。

由于專利的地域性,同樣的技術(shù)內(nèi)容會(huì)出現(xiàn)在多個(gè)國(guó)家進(jìn)行申請(qǐng)的情形,將這種情形的專利按照德溫特?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行合并后,獲得7 762個(gè)德溫特專利家族。

3 專利情報(bào)分析要點(diǎn)

3.1 專利地圖

以液流電池相關(guān)專利數(shù)據(jù)作為分析樣本生成的專利地圖如圖1所示。這一專利地圖由德溫特創(chuàng)新專利檢索平臺(tái)自動(dòng)聚類分析生成,可以在一定程度上反映專利技術(shù)的總體布局。圖1中每一個(gè)點(diǎn)代表一件專利文獻(xiàn),將主題相近的專利文獻(xiàn)會(huì)聚在一起,形成綠色區(qū)域山峰,峰頂標(biāo)出技術(shù)主題。等高線越密集的地方,表示專利數(shù)量越多,白色區(qū)域表示最高峰。專利密度較低處形成淡藍(lán)色區(qū)域,且在技術(shù)上的相互關(guān)聯(lián)性較低。

由圖1可以看出,液流電池專利主要集中在電池本體結(jié)構(gòu)及檢測(cè)技術(shù)方面,另有較多專利涉及充放電電路轉(zhuǎn)換器及其它電力相關(guān)技術(shù)。在電池本體結(jié)構(gòu)中,電極、電解液、離子交換膜方面專利數(shù)量較多,儲(chǔ)液罐、雙極板、液流框方面專利數(shù)量相對(duì)較少。

3.2 專利申請(qǐng)年代發(fā)展趨勢(shì)

筆者對(duì)專利家族的最早優(yōu)先權(quán)年進(jìn)行統(tǒng)計(jì),來(lái)分析專利家族年申請(qǐng)趨勢(shì),了解液流電池技術(shù)的發(fā)展歷程。由于各同族專利的技術(shù)內(nèi)容在一般情況下都基本保持一致,因此以專利家族的數(shù)量進(jìn)行上述分析更為恰當(dāng)。每個(gè)專利家族的最早優(yōu)先權(quán)年是衡量專利活動(dòng)表現(xiàn)的常用指標(biāo),這一日期與申請(qǐng)人決定針對(duì)該項(xiàng)發(fā)明創(chuàng)造申請(qǐng)專利權(quán)的創(chuàng)新日期聯(lián)系也最為緊密。

液流電池技術(shù)專利家族年申請(qǐng)量趨勢(shì)如圖2所示。由圖2可以看出,最早的液流電池技術(shù)專利申請(qǐng)出現(xiàn)在1962年,此后的近20年中,相關(guān)專利申請(qǐng)很少。直至進(jìn)入20世紀(jì)80年代,相關(guān)專利申請(qǐng)量才開(kāi)始出現(xiàn)實(shí)質(zhì)性增長(zhǎng),但技術(shù)發(fā)展較緩慢,且應(yīng)用可能性較低,專利申請(qǐng)量在振蕩中緩慢增長(zhǎng),整體較平穩(wěn)。21世紀(jì)以來(lái),尤其是2008年開(kāi)始,全球液流電池技術(shù)專利申請(qǐng)出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng),年專利申請(qǐng)量呈指數(shù)級(jí)遞增,可見(jiàn)液流電池技術(shù)實(shí)現(xiàn)了重要突破,日趨成熟,商業(yè)化應(yīng)用前景日漸明朗。

由于專利申請(qǐng)至公開(kāi)有一段較長(zhǎng)的時(shí)間,因此圖2中2017年和2018年的數(shù)據(jù)不具有參考價(jià)值,目前液流電池技術(shù)專利申請(qǐng)仍處于較快的增長(zhǎng)階段。

圖2 液流電池技術(shù)專利家族年申請(qǐng)量趨勢(shì)

3.3 專利地域分布

由于專利家族中的同族專利通常分布在不同地域,以專利家族為單位進(jìn)行國(guó)內(nèi)外技術(shù)分析沒(méi)有意義,因此以未進(jìn)行同族歸并的專利申請(qǐng)量進(jìn)行國(guó)內(nèi)外技術(shù)的比對(duì)分析。

液流電池技術(shù)專利申請(qǐng)地域分布如圖3所示。由圖3可見(jiàn),液流電池技術(shù)專利申請(qǐng)地域分布較集中,主要分布在中國(guó)、美國(guó)、日本、歐洲和韓國(guó),這些國(guó)家和地區(qū)占全部專利申請(qǐng)總量的75%。特別是中國(guó)、美國(guó)和日本三國(guó),占全球申請(qǐng)總量的61%,可見(jiàn),中國(guó)、美國(guó)和日本是液流電池技術(shù)最重要的潛在應(yīng)用市場(chǎng)。歐洲、韓國(guó)及加拿大的相關(guān)專利申請(qǐng)數(shù)量也較多,表明這些國(guó)家和地區(qū)也是液流電池技術(shù)重要的潛在應(yīng)用市場(chǎng)。

主要國(guó)家和地區(qū)液流電池技術(shù)專利年申請(qǐng)量趨勢(shì)如圖4所示。由圖4可以看出,雖然美國(guó)的液流電池技術(shù)專利申請(qǐng)起步很早,但是自從20世紀(jì)80年代初日本機(jī)構(gòu)大舉進(jìn)入后,美國(guó)相關(guān)專利申請(qǐng)量沒(méi)有明顯的持續(xù)增長(zhǎng),而且與日本有較大差距,直至21世紀(jì)才開(kāi)始出現(xiàn)實(shí)質(zhì)性增長(zhǎng),并于2008年超過(guò)日本的申請(qǐng)量。日本雖然起步較美國(guó)晚,但從20世紀(jì)80年代初期開(kāi)始一直到2007年,年專利申請(qǐng)量均為全球之最,是全球總體變化趨勢(shì)的主導(dǎo)力量,但是近年來(lái)相關(guān)專利申請(qǐng)量增長(zhǎng)不及中國(guó)、美國(guó)和韓國(guó)。相比日本、美國(guó)、歐洲,中國(guó)進(jìn)入液流電池技術(shù)領(lǐng)域較晚。不過(guò)進(jìn)入21世紀(jì)后,特別是2008年以來(lái),中國(guó)相關(guān)專利申請(qǐng)量急劇增長(zhǎng),迅速超過(guò)日本和美國(guó),成為目前全球最大的液流電池技術(shù)研發(fā)和專利申請(qǐng)國(guó),以及全球最大的液流電池技術(shù)應(yīng)用市場(chǎng)。韓國(guó)進(jìn)入液流電池技術(shù)領(lǐng)域時(shí)間較晚,不過(guò)近年來(lái)相關(guān)專利申請(qǐng)量增長(zhǎng)也很快。

圖3 液流電池技術(shù)專利申請(qǐng)地域分布

3.4 技術(shù)熱點(diǎn)方向

國(guó)際專利分類(IPC)是國(guó)際通用的標(biāo)準(zhǔn)化專利技術(shù)分類體系,蘊(yùn)含豐富的專利技術(shù)信息。通過(guò)對(duì)液流電池技術(shù)專利的IPC進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,可以準(zhǔn)確、及時(shí)獲取這一領(lǐng)域涉及的主要技術(shù)主題和研發(fā)重點(diǎn)。

筆者檢索到的7 762個(gè)液流電池技術(shù)專利家族涉及1 000多個(gè)IPC,其中排名前20位的IPC見(jiàn)表1。

圖4 主要國(guó)家和地區(qū)液流電池技術(shù)年專利申請(qǐng)趨勢(shì)

表1 液流電池技術(shù)專利IPC排名

由表1可以看出,液流電池技術(shù)專利申請(qǐng)主要集中在以下方面:① 電極材料選擇及制備方法;② 離子交換膜材料選擇及制備方法;③ 電池檢測(cè)及監(jiān)測(cè)技術(shù);④ 電池充放電裝置;⑤ 電解質(zhì)制備,尤其是用于釩電池的電解質(zhì)制備;⑥ 相關(guān)電路技術(shù)。

對(duì)于專利申請(qǐng)數(shù)量排在前列的中國(guó)、日本、美國(guó)、韓國(guó)、歐洲,統(tǒng)計(jì)在各個(gè)IPC中的專利申請(qǐng)量,結(jié)果如圖5所示。

圖5 主要國(guó)家和地區(qū)液流電池技術(shù)專利申請(qǐng)IPC分布

由圖5可以看出,中國(guó)、日本、美國(guó)、歐洲、韓國(guó)在H01M08、H01M04、H01M10下的專利申請(qǐng)量都呈現(xiàn)明顯的集中效應(yīng),可見(jiàn)全球的研究重點(diǎn)集中在電池制造,尤其是電極制造技術(shù)上。中國(guó)在非活性部件結(jié)構(gòu)零件或制造方法、電路裝置、充放電裝置等方面稍占優(yōu)勢(shì),在導(dǎo)電材料選擇方面稍弱,專利總數(shù)多,總體分布較均勻。美國(guó)專利總量也較多,在材料光學(xué)分析方面有較大優(yōu)勢(shì),但在電網(wǎng)電路裝置方面較弱。日本專利總體分布也較均勻,在導(dǎo)電材料選擇方面有較大優(yōu)勢(shì)。歐洲在電路裝置、充放電裝置等方面專利數(shù)量相對(duì)較少。韓國(guó)主要集中在非活性部件結(jié)構(gòu)零件或制造方法、高分子材料制造方面。

3.5 主要專利權(quán)人

對(duì)液流電池技術(shù)專利家族數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),進(jìn)而對(duì)主要專利權(quán)人進(jìn)行分析。通過(guò)匯總分析,專利家族數(shù)量排名前20位的專利權(quán)人如圖6所示。其中,最早優(yōu)先權(quán)年在2015年及之前的專利家族數(shù)量用藍(lán)色表示,最早優(yōu)先權(quán)年在2016年及之后的專利家族數(shù)量用橙紅色表示。

由圖6可以看出,除中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)清華大學(xué)、中國(guó)電力科學(xué)研究院、韓國(guó)能源研究所等少數(shù)幾家科研機(jī)構(gòu)和高校外,其它絕大多數(shù)液流電池技術(shù)專利權(quán)人均為企業(yè)。相比其它幾個(gè)國(guó)家,科研機(jī)構(gòu)和高校占中國(guó)液流電池技術(shù)專利數(shù)量較多,表明中國(guó)的液流電池技術(shù)多停留在研究階段,產(chǎn)業(yè)化還有一定距離。

從國(guó)別來(lái)看,液流電池技術(shù)主要專利權(quán)人中,中國(guó)和日本最多,然后是韓國(guó)。其中,日本關(guān)西電力的液流電池技術(shù)專利總體較多,但其在2016年后沒(méi)有新的專利家族產(chǎn)出,活躍度較低。日本住友電氣在2015年建成60 MW安平町南早來(lái)變電站,是當(dāng)時(shí)投入使用的世界最大規(guī)模氧化還原液流蓄電池,日本住友電氣目前仍是液流電池領(lǐng)域的領(lǐng)軍技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)[5-7]。

3.6 近3年創(chuàng)新實(shí)力

對(duì)最早優(yōu)先權(quán)年在2016年及之后的液流技術(shù)電池專利家族數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),進(jìn)而對(duì)近3年創(chuàng)新實(shí)力進(jìn)行分析。

近幾年是液流電池技術(shù)發(fā)展迅猛的階段,僅統(tǒng)計(jì)近3年新研發(fā)的技術(shù),其專利家族數(shù)量達(dá)1 680個(gè)。通過(guò)匯總分析,專利家族數(shù)量在10個(gè)以上的專利權(quán)人如圖7所示。

由圖7可以看出,近3年有較強(qiáng)創(chuàng)新實(shí)力,保持較大專利家族數(shù)量的機(jī)構(gòu)中,來(lái)自中國(guó)的機(jī)構(gòu)最多,其次為韓國(guó)、日本、美國(guó),韓國(guó)企業(yè)專利家族數(shù)量占比較大。對(duì)這些活躍度較高的企業(yè)專利家族進(jìn)行IPC統(tǒng)計(jì),見(jiàn)表2。

圖6 主要專利權(quán)人液流電池技術(shù)專利家族數(shù)量分布

圖7 近3年主要專利權(quán)人液流電池技術(shù)專利家族數(shù)量分布

表2中C08G61、C08L65、H02J13等主要指向高分子化合物及其組合物、儲(chǔ)電系統(tǒng)電路裝置、廢液處理等技術(shù)領(lǐng)域。由表2可以看出,目前活躍度較高的企業(yè),其研發(fā)重點(diǎn)同樣聚集在電池制造技術(shù),尤其是電極技術(shù)及電路裝置。此外,主要研發(fā)精力還集中于全釩液流電池技術(shù)路線。中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)、中國(guó)大連理工大學(xué)均有涉及液流電池廢液處理的技術(shù),中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)在配電網(wǎng)絡(luò)、充放電、遠(yuǎn)距離控制等電路裝置方面專利數(shù)量相對(duì)較多。韓國(guó)LG在高分子化合物材料方面有較大的優(yōu)勢(shì),專利數(shù)量遠(yuǎn)高于其它機(jī)構(gòu)。

4 分析結(jié)論

通過(guò)對(duì)液流電池技術(shù)專利的總體時(shí)間趨勢(shì)、地域分布、技術(shù)熱點(diǎn)、主要專利權(quán)人進(jìn)行分析,可知中國(guó)近年來(lái)在液流電池技術(shù)方面有了長(zhǎng)足進(jìn)步,不僅是液流電池應(yīng)用的重要市場(chǎng)國(guó),而且是液流電池技術(shù)專利的重要申請(qǐng)國(guó)與受理國(guó),不僅專利數(shù)量多,而且各技術(shù)領(lǐng)域的專利分布也相對(duì)均勻,導(dǎo)電材料選擇等方面則還有較大進(jìn)步空間。對(duì)于液流電池而言,如果知識(shí)產(chǎn)權(quán)未覆蓋所有重要相關(guān)領(lǐng)域,那么可能在實(shí)際應(yīng)用中受制于人。建議加大技術(shù)薄弱點(diǎn)的研發(fā)力度,或采取技術(shù)合作或聯(lián)合開(kāi)發(fā)的方式,提高綜合技術(shù)實(shí)力。

釩液流電池是液流電池技術(shù)的研發(fā)熱點(diǎn),中國(guó)不僅掌握釩電池的關(guān)鍵技術(shù),而且擁有豐富的釩礦資源。中國(guó)已成功開(kāi)發(fā)了5 MWh/10 MWh大規(guī)模全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng),并連續(xù)運(yùn)行超過(guò)5年。中國(guó)科學(xué)家組織研究制定了釩液流電池標(biāo)準(zhǔn)體系[8-10],釩液流電池將在中國(guó)具有很好的發(fā)展和應(yīng)用前景。

近年來(lái),中國(guó)、韓國(guó)、日本等在液流電池領(lǐng)域仍有較大發(fā)展,中國(guó)在這一領(lǐng)域的專利數(shù)量仍在大幅持續(xù)增長(zhǎng),可見(jiàn)目前液流電池技術(shù)發(fā)展較快,正在考慮進(jìn)入這一領(lǐng)域的企業(yè)需要考慮如何規(guī)避已受保護(hù)的專利技術(shù)。