劉宏健，羅霞，鄭冬芳

（1.浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州 310023；2.中化藍天集團有限公司，浙江 杭州 310051）

電化學儲能是指利用化學元素作儲能介質，充電與放電過程伴隨著儲能介質的化學反應。主要包括鋰離子電池、鈉離子電池、液流電池、鉛酸電池等[1]。根據(jù)中關村儲能產業(yè)技術聯(lián)盟發(fā)布的《儲能產業(yè)研究白皮書2023》[2]，2022年，中國新增投運電力儲能項目裝機規(guī)模首次突破15 GW，達到16.5 GW，新型儲能新增規(guī)模創(chuàng)歷史新高，達到7.3 GW/15.9 GWh，功率規(guī)模同比增長200%，能量規(guī)模同比增長280%，新型儲能中，鋰離子電池占據(jù)絕對主導地位，比重達97%。截至2022年底，中國已投運電力儲能項目累計裝機規(guī)模為59.8 GW，占全球市場總規(guī)模的25%，年增長率為38%。新型儲能累計裝機規(guī)模首次突破10 GW，達到13.1 GW/27.1 GWh，功率規(guī)模年增長率達128%，能量規(guī)模年增長率達141%，新型儲能中，鋰離子電池占比達94%。由此可見，新型儲能項目涉及的儲能技術絕大多數(shù)為鋰離子電池。

鋰離子電池結構包含正極、負極、隔膜和電解液，電解液與正極、負極和全電池的設計具有相同的優(yōu)先級。作為電池的關鍵材料之一，電解液應具有高離子電導率，電化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，能夠形成穩(wěn)定且可持續(xù)的固體電解質界面(SEI)膜，而且無毒害、成本低[3]。

專利信息作為科技創(chuàng)新成果的重要載體，能夠反映某一技術領域創(chuàng)新發(fā)展的現(xiàn)狀以及歷程，專利信息已成為一種重要的科技情報[4]。近些年，不斷有學者從專利角度對儲能技術及其相關細分領域開展分析研究工作，通過申請量、申請人、維持年限、分類號、技術來源國等維度的分析來揭示儲能技術發(fā)展態(tài)勢，為政府、企業(yè)等的戰(zhàn)略決策、產業(yè)化發(fā)展提供參考[4-6]。

本文基于專利視角，利用Incopat專利數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)對電化學儲能電解液領域的申請量、申請人、發(fā)明人、法律狀態(tài)等單一維度或多維度展開分析，揭示電化學儲能電解液領域的專利發(fā)展態(tài)勢和技術發(fā)展態(tài)勢，為我國政府、企業(yè)等在電化學儲能領域的研發(fā)決策、產業(yè)布局等方面提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

使用Incopat專利數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)，檢索日期為2023年4月11日，檢索數(shù)據(jù)范圍為中國發(fā)明專利申請，檢索方式采用關鍵詞和IPC分類號相結合的方式檢索獲取專利數(shù)據(jù)，具體為在“標題/摘要/權利要求”項下使用鋰離子電池、鋰離子二次電池、鋰電池、鋰二次電池、鈉離子電池、鈉離子二次電池、鈉電池、鈉二次電池、二次電池等關鍵詞進行檢索得到第一數(shù)據(jù)集，在“標題”項下使用電解液、電解質等關鍵詞或在“IPC”項下使用H01M10/0566、H01M10/0567、H01M10/0568、H01M10/0569等分類號進行檢索得到第二數(shù)據(jù)集，第一數(shù)據(jù)集和第二數(shù)據(jù)集合并得到第三數(shù)據(jù)集，將第三數(shù)據(jù)集中標題只包含電極、負極、正極、活性材料和隔膜的專利剔除，經過人工處理，獲得可用于分析的電解液專利共計6267件。由于專利申請日到公開日有18個月的滯后期，使得大量專利還處于未公開狀態(tài)，因此2022年10月以后的數(shù)據(jù)僅作對比參考。

2 結果分析

2.1 發(fā)展態(tài)勢分析

截至2023年4月11日，電解液中國專利申請總量共計6267件。見圖1，自1994年開始逐漸有專利申請，至今已有30年時間，可分為四個發(fā)展階段：1994～1999年為技術萌芽期，該階段只有零星的專利申請，電解液技術開始萌芽；2000～2010年為技術緩慢發(fā)展期，該階段專利申請數(shù)量緩慢上升，年申請量突破100件；2011～2020年為技術快速發(fā)展期，該階段專利申請數(shù)量快速增加，尤其是2014～2019年的6年間，專利申請數(shù)量增加了212%；2021年專利申請數(shù)量有所下降，開始呈現(xiàn)出向技術成熟階段發(fā)展的趨勢。

圖1 申請量歷年分布圖

圖2為生命周期圖，2010年之前，專利申請量最多為118件/年，專利申請人數(shù)量最多為51個/年，專利申請量和專利申請人數(shù)量均不高。2014年、2017年和2021年出現(xiàn)專利申請量和專利申請人數(shù)量均小幅下降的情況，2022年專利申請人數(shù)量出現(xiàn)小幅提升，但是專利申請量依然下降，表明電解液領域依然有新的申請人加入，但是創(chuàng)新工作也變得越來越難，2021年開始出現(xiàn)向技術成熟期發(fā)展的趨勢。

圖2 生命周期圖

圖3為發(fā)明人數(shù)量年度分布圖，發(fā)明人數(shù)量呈現(xiàn)逐年上升趨勢。2010～2022年（除2014年外）發(fā)明人數(shù)量逐年遞增，不斷有新鮮血液加入電解液領域，表明電解液領域依然是當下的熱門領域。1994～2022年，發(fā)明人數(shù)量與專利申請數(shù)量比值的平均值為2.6，即2.6個人完成1件專利申請。2010～2022年，該比值為2.4，即2.4個人完成1件專利申請。在電解液整個發(fā)展階段中，技術快速發(fā)展階段的創(chuàng)新能力有一定的提升。

圖3 發(fā)明人數(shù)量年度分布圖

2.2 競爭態(tài)勢分析

2.2.1 研發(fā)力量分析

技術來源國分布見表1。由表1可知，中國是中國專利申請第一技術來源國，專利申請量為4542件，占72.47%；其次是日本，專利申請量為1004件，占16.02%；排在第三的是韓國，專利申請量為517件，占8.25%；排在第四、第五的美國和德國，專利申請量占比僅為1%左右。由此看來，中國、日本和韓國為電解液技術的主要來源國。

表1 技術來源國分布

中國申請人省級行政區(qū)分布見表2。中國32個省、自治區(qū)和直轄市中，只有新疆沒有專利申請。專利申請量排在第一的是廣東省，申請量為1497件，占比為33%；其次是江蘇省，申請量為505件，占比為11%；排在第三的是福建省，申請量為436件，占比為10%；浙江省排在第四位，申請量為350件，占比為8%；北京市排在第五位，申請量為235件，占比為5%。山東省排在第六位，申請量為193件，占比為4%。湖南省、安徽省、湖北省、上海市依次排在第七位、第八位、第九位和第十位。排在第十一位的是河北省，申請量為118件，占比為3%。排在第十二位的是天津市，申請量為105件，占比為2%。排在前十二位的多為東部沿海省、自治區(qū)或直轄市。在內陸省級行政區(qū)中，湖南省、安徽省、湖北省、河南省、四川省、江西省、陜西省專利申請居多，申請量依次為174件、172件、145件、105件、90件、70件和33件。

圖4為其他國家或地區(qū)申請人在中國申請專利占比，其中，日本占比為58.20%、韓國占比為29.97%、歐洲占比為6.2%、美國占比為5.22%。日本和韓國的專利申請量高達88.17%，是在中國布局電解液專利前兩位的海外國家。

表2 中國申請人省級行政區(qū)分布

圖4 其他國家或地區(qū)在中國申請專利占比

申請人的專利申請數(shù)量方面，前100名申請人專利申請數(shù)量為4625件，占總量的73.8%。前50名申請人專利申請數(shù)量為3854件，占總量的61.5%。前20名申請人專利申請數(shù)量為2747件，占總量的43.8%。前10名申請人專利申請數(shù)量為1793件，占比總量的28.6%。由此來看，專利申請比較集中。

前100名申請人中，中國申請人有71個，占比為71%；日本申請人有21個，占比為21%。前50名申請人中，中國申請人有38個，占比76%；日本申請人有9個，占比18%。前20名申請人中，中國申請人有14個，占比70%；日本申請人有4個，占比20%。前10名申請人中，中國申請人有7個，占比70%；日本申請人有1個，占比10%；韓國申請人有2個，占比20%。專利數(shù)量排名前20的申請人及其專利數(shù)量見表3。

表3 申請人及其專利數(shù)量（TOP20）

專利申請人類型分布見圖5。其中，84%為企業(yè)類申請人、10%為大專院校類申請人、5%為科研單位類申請人、1%為個人申請人。排名前50申請人中大專院校類申請人有6位，按排名分別為華南師范大學、中南大學、華中科技大學、廈門大學、清華大學、北京理工大學。排名前20申請人中沒有大專院校類申請人。

圖5 專利申請人類型分布

2.2.2 主要申請人競爭力分析

表4為排名前20的申請人近十年專利申請數(shù)量年度分布，排名第一的申請人為LG，申請總量為241件，近十年申請量呈上升趨勢，其中2013年、2018～2021年專利申請數(shù)量較多，這5年的年度平均申請量為25件。排名第二的申請人為松下，申請總量為198件，近十年申請量呈現(xiàn)上升趨勢，2019年和2020年的專利申請數(shù)量較多，這2年的年度平均申請量為20件。寧德時代和新宙邦并列排名第三，申請總量均為195件，寧德時代近十年申請量呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，專利申請時間在2016～2019年的申請量占比72.8%；而新宙邦近十年申請量呈現(xiàn)上升趨勢，2022年申請量最多，達29件。排名第五的三星申請總量為191件，近十年申請量呈現(xiàn)緩慢上升后下降趨勢，申請量較多的為2018～2020年，這3年的年度申請量均超過10件。排名第六的ATL申請總量為172件，近十年申請量呈下降趨勢，2013～2016年專利申請數(shù)量較多，占比總量的64%，這4年年度平均申請量為27.5件。杉杉排名第七，申請總量為171件，近10年申請量呈上升趨勢，2018～2021年專利申請量較多，2019年申請量最多，為65件，占總量的38%。天賜排名第八，申請總量為165件，2014年以來申請量較平穩(wěn)，2016年申請量最多，為32件。冠宇排名第九，申請總量為140件，2018年之前零星有專利申請，97.9%專利申請的時間是2018～2022年。排名第10的比亞迪，申請總量為125件，年度專利申請量較平均。

表4 主要申請人專利申請數(shù)量年度分布

排名第11～20的申請人中，索尼、三菱、豐田，近十年申請量較平穩(wěn)，索尼近十年申請量占其總申請量的48%；三菱近十年申請量占其總申請量的19%；豐田近十年申請量占其總申請量的81%。國泰近十年申請量呈先上升后緩慢下降的趨勢，近十年申請量占其總申請量的79%。賽緯、國軒、昆侖材料、欣旺達、億緯和遠景科技，近十年申請量呈現(xiàn)上升趨勢，這六家企業(yè)近十年申請量占占其總申請量分別為 96%、94%、97%、100%、96%、100%。

排名前20的14家中國企業(yè)中，近十年申請量占其總申請量的比值為50%～60%的有比亞迪，70%～80%的有國泰，80%～90%的有ATL和杉杉，90%～100%的有新宙邦、天賜、國軒、賽緯、億緯、昆侖材料、寧德時代、冠宇、欣旺達和遠景科技。排名前20的4家日本企業(yè)中，近十年申請量占其總申請量的比值為10%～20%的有三菱，40%～50%的有松下和索尼，80%～90%的有豐田。排名前20的2家韓國企業(yè)中，近十年申請量占其總申請量的比值為50%～60%的有三星，70%～80%的有LG。

2.2.3 專利法律狀態(tài)分析

圖6為專利法律狀態(tài)分布圖，維持有效的專利有2251件，占比36%。審查中的專利有1915件，占比30%。失效專利有2101件，占比34%，其中被駁回的專利占比18%、撤回的專利占比11%、未繳納年費失效的專利占比4%、期限屆滿的專利占比1%。

圖6 專利法律狀態(tài)分布圖

2.3 代表企業(yè)分析

本部分以寧德時代作為代表企業(yè)開展分析。寧德時代電化學儲能電解液專利中，發(fā)明點為多組分混配發(fā)揮協(xié)同作用的占比為75%，發(fā)明點為單組分發(fā)揮作用的占比為25%。由此可見，寧德時代在電解液技術開發(fā)上以多種組分混配為主，同時也兼顧新物質的創(chuàng)制。從溶劑、添加劑角度分析，發(fā)明點為添加劑改進的占比為86%，添加劑和溶劑改進的占比為9%，溶劑改進的占比為5%，寧德時代電化學儲能電解液的研究以添加劑改進為主。

通過對寧德時代電化學儲能電解液專利所發(fā)揮的技術效果進行分析，發(fā)現(xiàn)改善電池循環(huán)性能的專利占比74%，改善電池存儲性能的專利占比57%，改善電池安全性能、阻抗性能、低溫性能的專利占比分別為21%、16%、15%，改善電池的倍率性能、穩(wěn)定性能、高溫性能的專利占比分別為9%、5%、4%，見圖7。由此可見，寧德時代作為電池龍頭企業(yè)尤其關注電池的循環(huán)性能和存儲性能。

圖7 寧德時代電化學儲能電解液專利的技術效果分布

從專利文本角度分析，針對高溫循環(huán)性能和高溫存儲性能改善，寧德時代圍繞多腈基六元氮雜環(huán)化合物布局了19件中國專利[7-25]，并且均為授權有效的法律狀態(tài)。這19件中國專利的發(fā)明點布局為多腈基六元氮雜環(huán)化合物與多種不同正極活性材料聯(lián)用、與多種不同添加劑聯(lián)用。研發(fā)機理在于每個多腈基六元氮雜環(huán)分子同時具備兩個或多個腈類基團，腈類基團中氮原子含有的孤對電子可與正極材料表面過渡金屬的3d空軌道強有力地絡合，在降低正極表面活性的同時隔絕了電解液與正極表面的直接接觸，使表面副反應大為減少，副反應中消耗的鋰離子也相應減少。

3 結論

研發(fā)機構通常使用專利、商業(yè)秘密等多種手段保護創(chuàng)新技術，因此單一專利信息并不能準確判斷研發(fā)機構的技術領先性。本文基于專利分析的角度，對電化學儲能電解液技術發(fā)展態(tài)勢進行了分析研究，得出以下結論供相關領域研究人員、決策者及企業(yè)參考。

（1）有關電化學儲能電解液技術的中國專利申請開始于1994年，之后經歷短暫的技術萌芽期，2000年開始專利數(shù)量緩慢上升，進入技術緩慢發(fā)展期；2011～2020年專利數(shù)量快速增加，該技術進入技術快速發(fā)展期；2021年之后專利數(shù)量有所下降，開始逐漸邁入技術成熟期。

（2）從申請人、發(fā)明人數(shù)量來看，隨年度呈現(xiàn)出上升趨勢，說明電化學儲能電解液技術依然是當下的熱門領域。

（3）從國別來看，中國、日本和韓國申請人的專利數(shù)量占據(jù)絕大多數(shù)份額，占比達96.7%，電化學儲能電解液技術主要來源于這三個國家。

（4）從申請人來看，專利申請數(shù)量排名前10的是LG、松下、寧德時代、新宙邦、三星、杉杉、ATL、天賜、冠宇和比亞迪，其中LG、新宙邦研發(fā)持續(xù)性好，實力較強。

（5）從法律狀態(tài)來看，電化學儲能電解液技術專利中有效專利、審查中專利和失效專利呈近乎平均分布，該技術領域創(chuàng)新能力尚可。

（6）從代表企業(yè)寧德時代來看，電化學儲能電解液研究以添加劑混配為主，兼顧添加劑新物質的創(chuàng)制，改善電池的循環(huán)性能和存儲性能是電池企業(yè)主要追求的技術效果。