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高比特性高压锂离子电池组技术专利分析

作者:圣冬冬 等 来源:储能科学与技术 发布时间:2020-08-30 浏览:
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摘 要:锂离子电池是一种充电电池,主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。高比特性高压锂离子电池具有循环性能好、低自放电、无记忆效应、比能量高和绿色环保等性能优势,成为当前国内外储能电池研究的重点。针对高比特性高压锂离子电池组的专利申请趋势和技术生命周期进行了分析,梳理出高比特性高压锂离子电池组专利申请的地域分布和全球主要专利申请人,通过对主要专利申请人的专利布局进行分析,指导相关研究单位有效进行专利布局和避免产生专利纠纷,降低研发过程中的专利侵权风险;同时通过技术功效分析寻求重点研发方向的技术创新。

关键词:锂电池;专利分析;申请人;专利布局

高比特性和高压是锂电池两个重要的性能参数,高比特性也称为高比能量,一般要求锂电池的质量比能量达到100W·h/kg以上,高压要求单体锂电池的电压在3 V以上[1]。高比特性高压锂离子电池组是目前最具发展前景的高效二次电池和发展最快的化学储能电源,被广泛应用于电力输配、航空航天、辅助服务、分布式微网、国防工业、可再生能源并网以及电动汽车充换电等储能领域的各个方面[2]。随着电源产业的快速发展,锂离子电池储能技术的市场需求将保持高速增长态势,而研究高比特性高压储能电池也成为各国竞相竞争的技术热点。高比特性高压锂离子电池组的主要技术包括电极材料技术、电解液技术、电池组管理技术等[3]。本文从高比特性高压锂离子电池组的专利申请趋势、区域分布、申请人、技术功效等多个角度进行专利分析,有利于指导相关企业从高价值专利中寻找技术研发思路,同时降低技术研发过程中的知识产权风险。

1 专利分析方法

技术谱系的构建是正确制定专利检索策略的基础,通过构建技术谱系可以实现专利检索的精确性,本文结合高比特性高压锂离子电池组技术具体的应用环境,制定出技术谱系如表1所示,将高比特性高压锂离子电池组技术分解成蓄电池组技术和故障容错管理技术两个二级技术,三级技术是对二级技术的进一步分解。

表1   高比特性高压锂离子电池组技术谱系

Table 1   Technical pedigree of high-specification and high-voltage lithium-ion battery pack

以Incopat专利数据库作为基础数据库,在全球范围内对技术谱系中的每个技术分支进行逐一检索,从专利被引频次、同族数量、重要技术首次申请、涉及法律诉讼的申请等角度考虑,并结合技术专家的观点,经分类、统计、采用人工阅读的方式,共筛选出相关专利566件(由于专利公开的时滞等原因,近两年的数据收录不完全,仅供参考,下文同)。

2 专利申请趋势分析

图1为高比特性高压锂离子电池组专利年度申请趋势,包括全球专利申请趋势和中国专利申请趋势,通过专利申请趋势能够反映出高比特性高压锂离子电池组受关注程度以及技术发展趋势。高比特性高压锂离子电池组的专利申请趋势大致经历了3个主要阶段。

图1   高比特性高压锂离子电池组专利申请趋势

Fig.1   Patent application trend of high-specification and high-voltage lithium-ion battery pack

,专利数量增长趋于稳定,仅2014年申请人数量较前一年小幅回调,不能说明总体申请人减少趋势。总体来看仍处于技术成长期。

图2   高比特性高压锂离子电池组技术生命周期图

Fig.2   Technical life cycle diagram of high-specification and high-voltage lithium-ion battery pack

4 专利申请区域分析

专利申请人除了在本国进行专利保护外,为了在国外生产、销售产品,专利申请人往往也在国外申请同族专利以求获得知识产权保护。因此,一个国家在特定技术领域的专利数量整体上反映了该国在该特定领域的市场前景和竞争程度[6]。通过对高比特性高压锂离子电池组技术领域的专利申请区域进行分析,揭示出各个国家和区域的技术实力和市场前景。图3对高比特性高压锂离子电池组主要的专利申请区域进行了分析,其中中国专利申请量位列第一,有312件专利申请,占专利申请总量的55.12%;日本专利申请量位列第二,表明日本申请人也具有明显的技术优势;排在第三位的是韩国,第四位为美国,这是由于韩国在锂离子电池领域的技术发展较快,因此,韩国也成为主要的专利申请国家。

图3   主要专利申请国/地区

Fig.3   Major patent application countries and regions

5 重要申请人分析

如图4所示,对高比特性高压锂离子电池组专利申请量在10件及以上的申请人进行了统计分析,共有11位申请人,数据表明:全球范围内,申请量在10件及以上的申请人包括6家日本公司、3家中国公司、1家英国公司和1家韩国公司。虽然从专利申请量来看,中国的专利申请量大幅领先于日本,但是从主要申请人来看,中国则与日本仍存在较大差距,中国的专利申请人较为分散,导致各个申请人的专利申请量较少,而日本的专利申请人较为集中,形成技术优势企业主导技术研发的态势。在主要专利申请人中,日本住友株式会社有28件专利申请,接近排名第二的上海空间电源研究所专利申请量的2倍,可见住友株式会社在锂离子电池领域的技术研发处于领先地位。英国BAE系统公司是一家国防军工企业,其专利申请时间较早,所研发的技术多与国防军工技术相关[7]。韩国LG化学公司在锂离子电池制造技术方面已经达到世界先进水平,但其材料和核心技术的竞争力还不及日本。

图4   主要申请人排名

Fig.4   Ranking of main applicants

在基础研究与技术发展的支持下,中国的高比特性高压锂离子电池技术已经取得了长足的进展,重要申请人的数量仅次于日本[8]。国内的上海空间电源研究所和中国电子科技集团公司第十八研究所作为军工企业,在空间电源技术领域具有先进的技术研发能力,宁德时代在动力和储能电池领域,材料、电芯、电池系统等领域已经达到国际先进水平。

图5对主要申请人的主要目标国进行了分析,数据表明:申请人将其所在国作为目标国的比重最大,例如:日本本土公司住友、索尼、松下、丰田等均重视其在日本本土的专利布局,而三菱化学的专利布局则与其他日本企业有所不同,在中国有10件专利,其在本土仅有1件专利,经过进一步分析可知,三菱化学在中国申请的这10件专利其实是2项同族专利。韩国LG化学公司在中国、美国和韩国均有专利布局,且在美国和韩国的专利申请量多于在中国的专利申请量,表明LG化学公司更加重视在美国和韩国的专利布局[9]。英国BAE公司的专利布局较为广泛,在中国、日本、美国和韩国均有一定数量的专利申请。国内申请人中上海空间电源研究所和中国电子科技集团公司第十八研究的专利布局仅限于国内,尚未在海外进行专利布局,这是由于这两家单位属于国防军工单位,产品主要应用于国防领域,因此并不关注海外专利布局,而宁德时代公司除了在本土布局大量专利外,由于其产品还面向国际市场,因此在日本和美国也申请了相关专利。

图5   主要申请人专利布局分析

Fig.5   Analysis of patent layout of main applicants

6 技术功效分析

针对566件高比特性高压锂离子电池组专利,按照技术手段和技术效果标引后,得到如图6所示的锂离子电池技术功效图。从技术手段来看,高功率电解液技术和高功率电极材料技术是高比特性高压锂离子电池组专利技术布局的重点,分别占专利申请总量的43.1%和37.8%,高功率电解液和高功率电极材料是高比特性高压锂电池技术的基础,国内外申请人已经在该领域布局了较多数量的专利。其次是均衡管理技术领域,这是电池组管理技术的重点,也是提高高压蓄电池组寿命的关键技术[10]。

图6   高比特性高压锂离子电池组技术功效图

Fig.6   Technology effect diagram of high-efficiency and high-voltage lithium-ion battery pack

从技术效果来看,提高高压锂电池组的可靠性和功率是锂离子电池专利主要取得的技术效果,提高可靠性包括提高锂电池组的高压安全性、高温稳定性等,提高功率包括提高锂电池高倍率放电、提高电导率、提高放电比容量等。其次提高锂电池组性能和提高锂电池组寿命也是专利布局的重点,提高锂电池组性能包括提高锂电池的电导率、高温循环性能等,提高锂电池组寿命也是锂电池技术一直追求的目标,这直接关系到高比特性高压锂离子电池组的寿命。同时提高锂离子电池组的可靠性和寿命关系较为紧密,往往是同一个技术手段同时达到的技术效果。

具体来看,采用各个技术手段所取得的技术效果存在差异,其中高功率电极材料和高功率电解液专利重点解决的是锂电池的功率和性能的问题,通过提高单体锂电池的功率和性能从而提高锂离子蓄电池组的高比特性和高压性能。而均衡管理通过使电池组中每个单体电池都达到一致均衡的状态,从而达到提高蓄电池组寿命和可靠性的目的,同时通过选择恰当的均衡方式,还可以提高电池均衡的效率。

高压锂电池依赖于高功率电极材料和高功率电解液,在高功率电极材料中正极材料专利占专利申请总量的58.54%,高于负极材料的专利申请量,如图7所示,正极材料中三元材料专利申请所占比例最高,达到17.03%,三元材料基于其高能量密度等优点,已经成为正极材料研究的热点,其次是钴系材料,占10.46%。负极材料专利申请占29.20%,其中碳素材料碳材料具有高比容量,低的电极电位,高的循环效率,仍然是目前研究热点和专利申请的重点方向,硅基材料具有较高的能量密度和低的电化学电势,近年来也有一定比例的专利申请。

图7   高功率电极材料专利技术分布

Fig.7   Patent application technology distribution of high power electrode material

图8为高功率电解液专利申请的技术分布,从图中可以看出,添加剂领域的专利申请最多,占59.06%,其中与高功率相关的专利申请是添加剂专利申请的主体,占专利申请总量的31.16%;有机溶剂专利申请中碳酸酯专利申请的比例最高,其次为氟代溶剂;锂盐领域的专利申请量相对较少,占专利申请总量的14.86%。

图8   高功率电解液专利技术分布

Fig.8   Patent application technology distribution of high power electrolyte

7 结 论

通过以上专利分析可以看出,高比特性高压锂离子电池组相关专利申请经过前期的积累,整体上仍处于不断增长的阶段,技术仍处在快速发展阶段。总结出高比特性高压锂离子电池组专利布局的重点主要体现以下两个方面。

(1)高功率电极材料和电解液是高压蓄电池组技术的基础。高比特性高压锂离子电池组需要通过串联高压单体锂电池获得,而高压单体锂电池依赖于高功率电极材料,尤其是高功率电极材料和高功率电解液。专利分析信息表明,高功率电极材料和电解液是专利布局的重点,国内外申请人将石墨烯作为电极导电剂添加到锂离子电极材料中,用于改善电极材料导电性能、提高锂电池功率,目前该项技术已经成熟。

(2)主动均衡技术是目前电池组均衡管理技术专利布局的重点,混合均衡技术未来极具潜力。在高比特性高压锂离子电池组管理技术的专利申请中,均衡管理技术(包括混合均衡管理技术、主动均衡管理技术和被动均衡管理技术)这一技术分支的专利申请量最大,占专利申请总量的75.8%,这表明均衡管理技术是电池组管理技术的关键[11]。其中,大部分高压锂离子蓄电池组采用主动均衡的方式,在均衡管理技术的专利申请中,主动均衡管理技术的专利申请量最多,占57.58%。另外,混合均衡技术继承了主动均衡的优点,同时将主动均衡和被动均衡有效地结合起来,能够有效延长电池组使用寿命,成为近年来均衡管理技术专利申请的热点,未来发展极具潜力。

引用本文: 圣冬冬,王海涛,施颖杰等.高比特性高压锂离子电池组技术专利分析[J].储能科学与技术,2020,09(04):1214-1219. (SHENG Dongdong,WANG Haitao,SHI Yingjie,et al.Patent analysis of the high-specification and high-voltage lithium-ion battery technology[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(04):1214-1219.)

第一作者:圣冬冬(1984—),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为航天电源技术,E-mail:1228109004@qq.com。

关键字:锂离子电池组

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