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    《全球电池和电力储能技术创新专利分析》摘要

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      任务小子

        近日,欧洲专利局(EPO)和国际能源署(IEA)联合公布《全球电池和电力储能技术创新专利分析》报告指出,电池和储能领域的专利申请在过去10年中大幅上升,年上升率为14%,在储能领域中电池专利占据高达90%的份额,创新重要集中在可充电锂离子电池、电子设备和电动汽车领域。

        本文来源:微信公众号先进能源科技战略情报研究中心ID:CASEnergy电动汽车的发展推动了新型锂离子电池技术的创新,以提高功率输出、耐久性、充放电速度和可回收性。将风能和太阳能等可再生能源整合到电网中的需求也推动了储能技术的进步。报告关键要点如下:

        一、电池与电力储能在能源转型中的用途

        (1)全球储能技术发展低迷。可持续发展情景下,全球碳排放将从2018年的330亿吨降至2050年的不足100亿吨,在2070年实现净零排放。2020年储能技术发展无法满足可持续发展情景要求,电网级储能发展十年来首次减缓。电动汽车技术发展正步入正轨,未来十年预计持续呈指数上升,2040年充电桩数量将达到目前的100倍。

        (2)可持续发展情景下电池和储能技术的部署将急剧扩张。当前,能源转型相关电池和其他储能技术的总需求已接近200吉瓦时/年,其中电动汽车领域占总需求的75%以上。可持续发展情景下,到2040年所有终端应用部门对电池和其他储能设备的需求接近10000吉瓦时。

        (3)电动汽车电池创新有利于储能技术发展。储能未来发展的一个关键因素是:电动汽车技术发展能在多大程度上影响电网规模储能电池。鉴于电动汽车电池的市场规模已经是电网规模电池的10倍,创新和降低电动汽车成本的间接影响可能会带来显著的推动用途。目前,约60%的电网规模电池采用了镍钴锰酸锂(NMC)混合材料,这是受电动汽车的新兴技术发展推动的。因此,随着供应链向下一种性能更高的混合材料或技术迈进,对电动汽车吸引力下降的技术可能在电网上以较低的成本进行部署。下一代锂离子电池技术将在未来5-10年内进入市场,采用镍含量较低的正极材料如镍钴铝酸锂(NMC,镍含量低于10%)或NMC811。虽然能量密度大大提高,但受城市实际交通情况影响,有些电动汽车不一定要达到最高的能量密度,但此类高能量密度材料更加有可能满足电力部门的要求。2019年,由于我国政府提高了电动汽车电池的能量密度要求,导致能量密度相对较低的磷酸铁锂(LFP)电池产量过剩,转而用于电网规模储能。

        (4)电池和其他技术在储能领域的应用迅速扩大。全球储能总装机容量接近200吉瓦时,其中90%以上为抽水蓄能,而电池占比不到3%。尽管如此,抽水蓄能和压缩空气储能的进一步应用受到选址的限制。固定式储能对电池的应用正呈现指数级上升。锂离子电池已迅速成为电池主导技术,2018年其占到除抽水蓄能以外的新型储能技术新增装机容量的93%。2019年,大多数储能技术用于住宅、商业和工业部门。根据可持续发展情景,电池储能总装机容量将从2019年的6吉瓦增至2040年的550吉瓦。

        二、电力储能专利申请重要趋势分析

        储能相关技术重要包括四类:电化学储能(即电池)、电磁储能(例如超级电容器)、机械储能(例如抽水蓄能、飞轮储能)和热储能(仅限于储热和回收电能的技术)。本报告中的专利分析是基于国际专利家族概念,每个专利家族都代表一项独特的发明,包括在至少两个国家/经济体提交和公开的同族专利申请。

        (1)过去十年电力储能技术相关专利申请活动迅速上升。2000-2018年,全球电力储能技术专利族申请量超过6.5万项,呈指数级上升。2005年以后电力储能相关专利族申请量年均上升14%,远超所有技术领域专利申请年均上升率(3.5%)。2012年之前,电力储能相关专利族数量呈指数级上升,随后几年趋于稳定。2018年再次显著上升,上升率达到16.6%。总体而言,2018年电力储能相关专利族年申请量相较2000年增至7倍,同期所有专利族年申请量仅翻了一番。

        (2)电池技术主导电力储能创新。电力储能创新重要由电化学技术(即电池)主导,2018年电力储能相关专利80%以上是电池技术。电磁储能技术居第二,2018年占所有电力储能相关专利族数量的7%,机械储能和热储能分别仅占3%和2%。不同技术的研究基础不同,但2012年前所有电力储能技术专利申请上升强劲,与2000年相比,电化学(电池)技术专利申请上升超过400%,机械储能上升超过1000%。但2012年以后,除电池外,其他技术都停滞不前甚至下降。

        (3)过去十年里电池创新相关专利申请活跃。2000年以来,电池技术重要由电池单元创新推动。2018年专利族数量同比上升14.9%,占所有电池相关技术专利近3/4。2005年以来,锂离子技术一直主导电池技术创新,尤其是便携式电子产品和电动汽车领域。2018年,锂离子电池专利占电池相关专利总数的45%。2009年以后,电池组技术在汽车应用领域发展活跃。尽管汽车领域在过去十年里占据电池应用主导,但其他领域也从中受益,22%的汽车电池组相关专利也可用于其他两个应用领域。

        三、电池技术专利申请人分析

        (1)亚洲公司在电池技术创新中占领先地位。电池技术创新重要来自亚洲,全球前10名申请机构中亚洲公司占9个,前25名中亚洲公司占2/3。三星几乎在所有电池技术领域都名列前茅;松下拥有更加多样化和平衡的投资组合,在锂离子和其他电池领域都拥有相对较强的地位(专利族数量占比平均为7.1%);我国台湾富士康虽然在电池领域没有很强的影响力,但在电池组终端应用方面显示出强大的技术专长。

        (2)电池技术创新重要集中在大型公司。过去五年,排名靠前公司的电池技术创新活力略有下降。电池技术创新仍重要集中在大型公司,2000-2018年,这些公司在所有电池相关专利中保持约80%的份额。2000-2018年,约70%的专利申请来自成立20年以上的公司。过去十年,成立10-20年的公司提交专利数量占比几乎翻番,2018年已上升至18%。

        四、电池技术创新区域分析

        (1)全球电池技术创新区域分布。2000-2018年,日本在电化学储能和电磁储能领域的专利申请最为活跃,占比分别达到40.9%和47.1%,超过排名第二和第三地区的总和。在机械储能和热储能领域,欧洲处于优势地位。2000年以后,日本的电池专利申请全球领先,但并未转化为市场动力,其仅占有全球2%的电动汽车市场。过去十年,我国电池技术创新显著上升,2018年专利申请数量已超越美国。欧洲电池技术创新重要由德国主导,其电池技术专利申请数量占据欧洲的一半以上。

        (2)日本在电池创新技术中占据绝对优势。韩国和日本在电池创新的专业化方面处于世界领先地位,而美国、我国和欧洲则相对较弱。在欧洲,德国是明显的领跑者。过去五年,虽然欧洲和美国在电池创新的相对贡献有所下降,但它们参与国际合作的比例却有所上升(欧洲从8.3%上升到8.5%,美国从11.8%上升到12.4%)。相比之下,我国在电池创新领域的迅速崛起伴随着我国涉外合作专利数量急剧下降(13.2%降至6.6%)。日本和韩国的电池创新重要由大公司主导,美国重要以中小公司和大学/科研机构为主。

        五、锂离子电池技术进展

        (1)锂离子电池电极材料技术进展情况。自2000年以来,锂离子电极材料相关专利申请数量一直稳定上升。2010-2013年间,从355件新增到近900件。到2018年,约40%电极专利均涉及锂离子技术。锂离子电池正极材料一直是发明竞争的焦点,因为它是决定电池的体积能量密度、质量能量密度等性能和降低成本的限制因素。体积能源密度关于便携式设备至关重要;体积能量密度和质量能量密度均对电动汽车极为重要,必须确保与内燃机汽车的性能和成本相当,同时保持车辆重量。具体技术进展如表1所示。

        (2)锂离子电池正极材料和负极材料专利申请趋势。目前,锂离子电池技术挑战重点已从提高体积能量密度和稳定性转向提高质量能量密度、耐用性、功率输出、充放电速度和可回收性等,正极材料也逐渐转向NMC和LFP。2005年LCO专利申请数量是NMC的两倍,但在2011年被NMC超越,NMC的专利申请数在2009-2018年间新增了400%。锂离子负极材料专利在过去十年上升了200%。石墨作为一般性活性材料广泛用于便携式锂离子电池负极。然而,石墨负极也有其局限性,如锂的嵌入能力差。锂合金是目前第二大最常用的负极材料,在2011-2018年期间专利数上升了四倍。

        (3)锂离子电池相关专利申请机构所占份额差异明显。2014-2018年,锂离子电池前15位申请机构中,电极材料和固态电池相关专利数占比略低于一般锂离子技术。不同领域申请机构所占份额差异很大(尤其是正极材料),前15位机构在重要材料如NMC(50.6%)和LMO(44.5%)的专利累计占比很高,而新兴材料如NCA(27.9%)和LFP(29%)专利占比相对较小。锂离子技术中78%的专利来自于大公司,但中小公司、大学和公共研究机构在新兴技术领域中也扮演着重要角色,如大学和公共研究机构在锂及其合金负极(23%)和LFP(21%)领域具有优势,中小公司对NCA(20%)技术拥有一定优势。

        六、其他新兴技术进展

        (1)氧化还原液流电池技术发展情况。氧化还原液流电池的创新最近几年才出现,该领域专利申请数量在2012年几乎翻了一番,到2018年已达到166项。2000-2018年,中小公司、大学和公共研究机构在氧化还原液流电池技术发展中扮演着重要的角色,占该领域所有申请专利的近一半。排名前五的机构在该领域专利总占比为18%,明显低于一般电池领域(28%)。美国在氧化还原液流电池领域占主导地位,2000-2018年占该领域专利份额的1/3,其次是欧洲(23.7%)和日本(19.2%)。

        (2)超级电容器技术发展情况。2000年以来超级电容器有了重大发展,2017年专利申请量增至500多项。早期发展重要集中在静电超级电容器以及混合型、赝电容型和电化学超级电容器。2006年以来,纳米管和石墨烯电极是一个不断上升的创新领域。除静电超级电容器(大型公司专利占比达81.2%),超级电容器的大部分创新来自中小公司和公共研究机构。从超级电容器创新区域来看,日本是明显的领先者。2000-2018年间,所有专利数量中日本几乎占了50%,美国以18.2%的市场份额排名第二。

        

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