《全球電池和電力儲能技術(shù)專利分析》報告

近日，歐洲專利局(EPO)和國際能源署(IEA)聯(lián)合發(fā)布《全球電池和電力儲能技術(shù)創(chuàng)新專利分析》報告指出，電池和儲能領(lǐng)域的專利申請在過去10年中大幅增長，年增長率為14%，在儲能領(lǐng)域中電池專利占據(jù)高達(dá)90%的份額，創(chuàng)新主要集中在可充電鋰離子電池、電子設(shè)備和電動汽車領(lǐng)域。電動汽車的發(fā)展推動了新型鋰離子電池技術(shù)的創(chuàng)新，以提高功率輸出、耐久性、充放電速度和可回收性。將風(fēng)能和太陽能等可再生能源整合到電網(wǎng)中的需求也推動了儲能技術(shù)的進步。報告關(guān)鍵要點如下：

一、電池與電力儲能在能源轉(zhuǎn)型中的作用

(1)全球儲能技術(shù)發(fā)展低迷?？沙掷m(xù)發(fā)展情景下，全球碳排放將從2018年的330億噸降至2050年的不足100億噸，在2070年實現(xiàn)凈零排放。2020年儲能技術(shù)發(fā)展無法滿足可持續(xù)發(fā)展情景要求，電網(wǎng)級儲能發(fā)展十年來首次減緩。電動汽車技術(shù)發(fā)展正步入正軌，未來十年預(yù)計持續(xù)呈指數(shù)增長，2040年充電樁數(shù)量將達(dá)到目前的100倍。

(2)可持續(xù)發(fā)展情景下電池和儲能技術(shù)的部署將急劇擴張。當(dāng)前，能源轉(zhuǎn)型相關(guān)電池和其他儲能技術(shù)的總需求已接近200吉瓦時/年，其中電動汽車領(lǐng)域占總需求的75%以上?？沙掷m(xù)發(fā)展情景下，到2040年所有終端應(yīng)用部門對電池和其他儲能設(shè)備的需求接近10 000吉瓦時。

(3)電動汽車電池創(chuàng)新有利于儲能技術(shù)發(fā)展。儲能未來發(fā)展的一個關(guān)鍵因素是：電動汽車技術(shù)發(fā)展能在多大程度上影響電網(wǎng)規(guī)模儲能電池。鑒于電動汽車電池的市場規(guī)模已經(jīng)是電網(wǎng)規(guī)模電池的10倍，創(chuàng)新和降低電動汽車成本的間接影響可能會帶來顯著的推動作用。目前，約60%的電網(wǎng)規(guī)模電池采用了鎳鈷錳酸鋰(NMC)混合材料，這是受電動汽車的新興技術(shù)發(fā)展推動的。因此，隨著供應(yīng)鏈向下一種性能更高的混合材料或技術(shù)邁進，對電動汽車吸引力下降的技術(shù)可能在電網(wǎng)上以較低的成本進行部署。下一代鋰離子電池技術(shù)將在未來5-10年內(nèi)進入市場，采用鎳含量較低的正極材料如鎳鈷鋁酸鋰(NMC，鎳含量低于10%)或NMC 811。雖然能量密度大大提高，但受城市實際交通情況影響，有些電動汽車不一定要達(dá)到最高的能量密度，但此類高能量密度材料更有可能滿足電力部門的要求。2019年，由于中國政府提高了電動汽車電池的能量密度要求，導(dǎo)致能量密度相對較低的磷酸鐵鋰(LFP)電池產(chǎn)能過剩，轉(zhuǎn)而用于電網(wǎng)規(guī)模儲能。

(4)電池和其他技術(shù)在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用迅速擴大。全球儲能總裝機容量接近200吉瓦時，其中90%以上為抽水蓄能，而電池占比不到3%。盡管如此，抽水蓄能和壓縮空氣儲能的進一步應(yīng)用受到選址的限制。固定式儲能對電池的應(yīng)用正呈現(xiàn)指數(shù)級增長。鋰離子電池已迅速成為電池主導(dǎo)技術(shù)，2018年其占到除抽水蓄能以外的新型儲能技術(shù)新增裝機容量的93%。2019年，大多數(shù)儲能技術(shù)用于住宅、商業(yè)和工業(yè)部門。根據(jù)可持續(xù)發(fā)展情景，電池儲能總裝機容量將從2019年的6吉瓦增至2040年的550吉瓦。

二、電力儲能專利申請主要趨勢分析

儲能相關(guān)技術(shù)主要包括四類：電化學(xué)儲能(即電池)、電磁儲能(例如超級電容器)、機械儲能(例如抽水蓄能、飛輪儲能)和熱儲能(僅限于儲熱和回收電能的技術(shù))。本報告中的專利分析是基于國際專利家族概念，每個專利家族都代表一項獨特的發(fā)明，包括在至少兩個國家/經(jīng)濟體提交和公開的同族專利申請。

(1)過去十年電力儲能技術(shù)相關(guān)專利申請活動迅速增長。2000-2018年，全球電力儲能技術(shù)專利族申請量超過6.5萬項，呈指數(shù)級增長。2005年以后電力儲能相關(guān)專利族申請量年均增長14%，遠(yuǎn)超所有技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埬昃鲩L率(3.5%)。2012年之前，電力儲能相關(guān)專利族數(shù)量呈指數(shù)級增長，隨后幾年趨于穩(wěn)定。2018年再次顯著增長，增長率達(dá)到16.6%?？傮w而言，2018年電力儲能相關(guān)專利族年申請量相較2000年增至7倍，同期所有專利族年申請量僅翻了一番。

(2)電池技術(shù)主導(dǎo)電力儲能創(chuàng)新。電力儲能創(chuàng)新主要由電化學(xué)技術(shù)(即電池)主導(dǎo)，2018年電力儲能相關(guān)專利80%以上是電池技術(shù)。電磁儲能技術(shù)居第二，2018年占所有電力儲能相關(guān)專利族數(shù)量的7%，機械儲能和熱儲能分別僅占3%和2%。不同技術(shù)的研究基礎(chǔ)不同，但2012年前所有電力儲能技術(shù)專利申請增長強勁，與2000年相比，電化學(xué)(電池)技術(shù)專利申請增長超過400%，機械儲能增長超過1000%。但2012年以后，除電池外，其他技術(shù)都停滯不前甚至下降。

(3)過去十年里電池創(chuàng)新相關(guān)專利申請活躍。2000年以來，電池技術(shù)主要由電池單元創(chuàng)新推動。2018年專利族數(shù)量同比增長14.9%，占所有電池相關(guān)技術(shù)專利近3/4。2005年以來，鋰離子技術(shù)一直主導(dǎo)電池技術(shù)創(chuàng)新，尤其是便攜式電子產(chǎn)品和電動汽車領(lǐng)域。2018年，鋰離子電池專利占電池相關(guān)專利總數(shù)的45%。2009年以后，電池組技術(shù)在汽車應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展活躍。盡管汽車領(lǐng)域在過去十年里占據(jù)電池應(yīng)用主導(dǎo)，但其他領(lǐng)域也從中受益，22%的汽車電池組相關(guān)專利也可用于其他兩個應(yīng)用領(lǐng)域。

三、電池技術(shù)專利申請人分析

(1)亞洲企業(yè)在電池技術(shù)創(chuàng)新中占領(lǐng)先地位。電池技術(shù)創(chuàng)新主要來自亞洲，全球前10名申請機構(gòu)中亞洲企業(yè)占9個，前25名中亞洲企業(yè)占2/3。三星幾乎在所有電池技術(shù)領(lǐng)域都名列前茅;松下?lián)碛懈佣鄻踊推胶獾耐顿Y組合，在鋰離子和其他電池領(lǐng)域都擁有相對較強的地位(專利族數(shù)量占比平均為7.1%);中國臺灣富士康雖然在電池領(lǐng)域沒有很強的影響力，但在電池組終端應(yīng)用方面顯示出強大的技術(shù)專長。

(2)電池技術(shù)創(chuàng)新主要集中在大型企業(yè)。過去五年，排名靠前企業(yè)的電池技術(shù)創(chuàng)新活力略有下降。電池技術(shù)創(chuàng)新仍主要集中在大型企業(yè)，2000-2018年，這些公司在所有電池相關(guān)專利中保持約80%的份額。2000-2018年，約70%的專利申請來自成立20年以上的企業(yè)。過去十年，成立10-20年的企業(yè)提交專利數(shù)量占比幾乎翻番，2018年已上升至18%。

四、電池技術(shù)創(chuàng)新區(qū)域分析

(1)全球電池技術(shù)創(chuàng)新區(qū)域分布。2000-2018年，日本在電化學(xué)儲能和電磁儲能領(lǐng)域的專利申請最為活躍，占比分別達(dá)到40.9%和47.1%，超過排名第二和第三地區(qū)的總和。在機械儲能和熱儲能領(lǐng)域，歐洲處于優(yōu)勢地位。2000年以后，日本的電池專利申請全球領(lǐng)先，但并未轉(zhuǎn)化為市場動力，其僅占有全球2%的電動汽車市場。過去十年，中國電池技術(shù)創(chuàng)新顯著增長，2018年專利申請數(shù)量已超越美國。歐洲電池技術(shù)創(chuàng)新主要由德國主導(dǎo)，其電池技術(shù)專利申請數(shù)量占據(jù)歐洲的一半以上。

(2)日本在電池創(chuàng)新技術(shù)中占據(jù)絕對優(yōu)勢。韓國和日本在電池創(chuàng)新的專業(yè)化方面處于世界領(lǐng)先地位，而美國、中國和歐洲則相對較弱。在歐洲，德國是明顯的領(lǐng)跑者。過去五年，雖然歐洲和美國在電池創(chuàng)新的相對貢獻有所下降，但它們參與國際合作的比例卻有所上升(歐洲從8.3%上升到8.5%，美國從11.8%上升到12.4%)。相比之下，中國在電池創(chuàng)新領(lǐng)域的迅速崛起伴隨著中國涉外合作專利數(shù)量急劇下降(13.2%降至6.6%)。日本和韓國的電池創(chuàng)新主要由大企業(yè)主導(dǎo)，美國主要以中小企業(yè)和大學(xué)/科研機構(gòu)為主。

五、鋰離子電池技術(shù)進展

(1)鋰離子電池電極材料技術(shù)進展情況。自2000年以來，鋰離子電極材料相關(guān)專利申請數(shù)量一直穩(wěn)定增長。2010-2013年間，從355件增加到近900件。到2018年，約40%電極專利均涉及鋰離子技術(shù)。鋰離子電池正極材料一直是發(fā)明競爭的焦點，因為它是決定電池的體積能量密度、質(zhì)量能量密度等性能和降低成本的限制因素。體積能源密度對于便攜式設(shè)備至關(guān)重要;體積能量密度和質(zhì)量能量密度均對電動汽車極為重要，必須確保與內(nèi)燃機汽車的性能和成本相當(dāng)，同時保持車輛重量。具體技術(shù)進展如表1所示。

(2)鋰離子電池正極材料和負(fù)極材料專利申請趨勢。目前，鋰離子電池技術(shù)挑戰(zhàn)重點已從提高體積能量密度和穩(wěn)定性轉(zhuǎn)向提高質(zhì)量能量密度、耐用性、功率輸出、充放電速度和可回收性等，正極材料也逐漸轉(zhuǎn)向NMC和LFP。2005年LCO專利申請數(shù)量是NMC的兩倍，但在2011年被NMC超越，NMC的專利申請數(shù)在2009-2018年間增加了400%。鋰離子負(fù)極材料專利在過去十年增長了200%。石墨作為一般性活性材料廣泛用于便攜式鋰離子電池負(fù)極。然而，石墨負(fù)極也有其局限性，如鋰的嵌入能力差。鋰合金是目前第二大最常用的負(fù)極材料，在2011-2018年期間專利數(shù)增長了四倍。

(3)鋰離子電池相關(guān)專利申請機構(gòu)所占份額差異明顯。2014-2018年，鋰離子電池前15位申請機構(gòu)中，電極材料和固態(tài)電池相關(guān)專利數(shù)占比略低于一般鋰離子技術(shù)。不同領(lǐng)域申請機構(gòu)所占份額差異很大(尤其是正極材料)，前15位機構(gòu)在主要材料如NMC(50.6%)和LMO(44.5%)的專利累計占比很高，而新興材料如NCA(27.9%)和LFP(29%)專利占比相對較小。鋰離子技術(shù)中78%的專利來自于大企業(yè)，但中小企業(yè)、大學(xué)和公共研究機構(gòu)在新興技術(shù)領(lǐng)域中也扮演著重要角色，如大學(xué)和公共研究機構(gòu)在鋰及其合金負(fù)極(23%)和LFP(21%)領(lǐng)域具有優(yōu)勢，中小企業(yè)對NCA(20%)技術(shù)擁有一定優(yōu)勢。

六、其他新興技術(shù)進展

(1)氧化還原液流電池技術(shù)發(fā)展情況。氧化還原液流電池的創(chuàng)新最近幾年才出現(xiàn)，該領(lǐng)域?qū)＠暾垟?shù)量在2012年幾乎翻了一番，到2018年已達(dá)到166項。2000-2018年，中小企業(yè)、大學(xué)和公共研究機構(gòu)在氧化還原液流電池技術(shù)發(fā)展中扮演著重要的角色，占該領(lǐng)域所有申請專利的近一半。排名前五的機構(gòu)在該領(lǐng)域?qū)＠傉急葹?8%，明顯低于一般電池領(lǐng)域(28%)。美國在氧化還原液流電池領(lǐng)域占主導(dǎo)地位，2000-2018年占該領(lǐng)域?qū)＠蓊~的1/3，其次是歐洲(23.7%)和日本(19.2%)。

(2)超級電容器技術(shù)發(fā)展情況。2000年以來超級電容器有了重大發(fā)展，2017年專利申請量增至500多項。早期發(fā)展主要集中在靜電超級電容器以及混合型、贗電容型和電化學(xué)超級電容器。2006年以來，納米管和石墨烯電極是一個不斷增長的創(chuàng)新領(lǐng)域。除靜電超級電容器(大型企業(yè)專利占比達(dá)81.2%)，超級電容器的大部分創(chuàng)新來自中小企業(yè)和公共研究機構(gòu)。從超級電容器創(chuàng)新區(qū)域來看，日本是明顯的領(lǐng)先者。2000-2018年間，所有專利數(shù)量中日本幾乎占了50%，美國以18.2%的市場份額排名第二。