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从全球专利数据看电池和电力储能的创新

作者:李鸢 来源:国际能源署 储能100人 发布时间:2020-10-19 浏览:
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2020年9月,由欧洲专利局与国际能源署联合撰写的《电池和电池储能的创新—基于专利数据的全球分析》报告正式对外发布,为电力储能的高价值发明专利趋势提供关键见解。

能源转型的步伐越来越快,储能技术作为能源系统重要的基础设施之一,对世界清洁转型至关重要。根据国际能源署的可持续发展设想,2040年整个能源系统需要的储能规模为10000GWh,而目前的需求仅为200GWh。

就现在的储能部署和性能而言,目前还没有达到设想中的水平,走上实现可持续发展的轨道。但鉴于对电动交通日益增长的需求和日益依赖可再生能源供应来减缓气候变化,在寻找以可负担的价格电力储能的方法方面正在取得相当大的技术进展。

在这种情况下,专利信息被证明是一个重要的情报来源,可以预示哪些技术将在未来发挥突破性的作用。通过提供对新兴趋势的详细洞察,这些数据将帮助该领域的创新者走在技术曲线的前面。

本文摘自国际能源署的《电池和电池储能的创新—基于专利数据的全球分析》报告,编译时略有删减,供各位读者参考。

三大亮点

亮点一:过去十年来,电力储存方面的专利活动比一般的专利活动增长得快得多,这表明在这一领域出现了一系列创新,首先是锂离子电池,尤其是电动汽车。

报告指出,在过去十年里,全球范围内针对电池和电力储能正在进行一场疯狂的技术竞赛,该领域的专利申请在迅速飙升,年均增长率为14%,而全球经济活动专利申请的数据为3.5%。

电池占电力储存领域专利活动的88%,远远超过电气(9%)、储热(5%)和机械(3%)解决方案。尽管所有这些领域在2012年之前都经历了快速增长,但从那时起,创新的增长只持续在电池技术上,因此突出了电池在最近的电力存储创新领域的主导地位。

自2005年以来,锂离子技术一直在推动电池技术的创新。锂离子电池目前是便携式电子产品和电动汽车的主导技术。2018年,锂离子电池的创新占到与电池相关的专利活动的45%,相比之下,基于其他化学物质的电池仅占7.3%。大约48%的发明与非特定化学的发明有关。

专利率的这些趋势与价格变动相吻合。 自1995年以来,消费电子产品的锂离子电池价格下降了90%以上%。对于电动汽车,锂离子电池的价格自2010年以来下降了近90%,而对于固定应用,包括电网管理,同期下降了约三分之二。这些成本的降低部分是由于新的化学成分,主要是调整电池负极的组成,以及制造业的规模经济。

然而,正如专利统计中清楚显示的那样,创新制造工艺也发挥了关键作用。 在过去十年中,电池制造和电池相关工程开发的专利活动增加了三倍。 这两个领域在2018年与电池相关的所有专利活动中占近一半(47%),这清楚地表明了该行业的成熟和高效工业化对大规模生产的战略重要性。

电池通常被组装成电池组,这些电池组被配置为为提供所需的电压、容量或电源以供最终使用。虽然不同的应用程序,如移动解决方案和智能手机,可以使用相同的单元格,但电池包有所不同。

因此,电池组的专利活动为创新者在这一领域的目标应用提供了见解。 近年来,电池包的专利活动的增长速度快于电池。 这表明技术的成熟程度,因为人们的注意力已从这项技术背后的基础科学转向如何优化其交付,以满足高要求的商业市场。

从2000年代中期到2010年,便携式应用程序(通常在消费电子产品中)是主要驱动因素。电动汽车的专利在2011年超过了消费电子产品,而便携式电子电池组设计的专利在这一次之后趋于平稳,电动汽车专利继续以更大的活力增长。

固定应用领域的创新增长更为缓慢,2010年和2011年的增长仅有两年。然而,这仍然证明了锂离子技术的多功能性,并突出了这些不同应用之间的协同作用,对一个应用程序的改进可能对其他应用程序产生积极影响。

亮点二:日本和韩国正在引领全球电池技术竞赛,推动其他国家在电池价值链的特定部分发展竞争优势。

在与电池相关的IPF背后的十大全球申请者中,有九个位于亚洲。其中包括由松下和丰田领导的七家日本公司,以及两家韩国公司三星和LG电子。博世,一家德国公司,是唯一的非亚洲申请人的排名。从2014年到2018年,仅日本就拥有所有锂离子专利活动41%的发明者。

虽然松下(Panasonic)和索尼(Sony)等日本公司是这一领域的长期领导者,但在过去十年里,其他顶级申请者只增加了他们的创新活动,这与锂离子在车辆中的使用相关的专利活动增加相吻合。在此期间,LG电子、丰田、日产和博世等公司迅速增加了电池领域的创新活动,重点是汽车应用。三星在汽车电池领域也占有重要地位,但其专利增长更多地集中在便携式电子产品上。

对IPFs地理来源的更广泛分析证实了日本在电池技术方面的强大领导地位。日本在2000年代已经在世界范围内铺平了道路,但在过去十年中进一步加强了其领先地位。总部设在日本的公司和发明家在2018年创造了所有与电池相关的IPF的三分之一以上。

尽管落后于日本,但韩国、欧洲、美国和中国也为全球做出了重大贡献,这一增长在韩国最快,该国在2010-2011年超过了欧洲和美国,在2018年位居第二,仅次于日本。

在欧洲,电力储存的创新主要由德国主导,仅德国就占源自欧洲的IPF的一半以上。与日本、韩国和中国不同,欧洲和美国的电池创新生态系统涉及较大比例的小公司和大学。

在过去的十年里,中国发明家对电力储能创新的显著增长负有责任。在电池领域,中国在2018年几乎赶上了欧洲,现在对美国做出了类似的贡献。这反映了中国近年来对电动汽车制造的贡献。2011年,中国销售了5,000辆电动汽车,占全球电动汽车市场的11%。2019年,中国汽车销量为110万辆,占全球市场的50%。

相比之下,日本在电池技术上的领先地位并没有转化为一个巨大的国内电动汽车市场,到2019年,日本仅占全球市场的2%,尽管一些非插电式混合动力汽车(如丰田普锐斯)提供了锂离子电池。韩国拥有类似的电动汽车市场,但在固定电池领域处于领先地位。固定电池可用于电网服务,并可用于建筑物的表后应用。

对于2014-2018年,这一指标揭示了在电池技术创新竞赛中领先的区域之间的鲜明对比。韩国和日本在这一领域有着非常强大的专业化,而美国、中国和欧洲国家则不那么专业化。

亮点三:NMC负极化学自电动汽车推出以来,在锂离子电池方面取得了最具创新性的突破,但潜在的破坏性竞争对手正在大公司之外出现,并且具有更多的区域差异。

在专利活动方面,锂离子目前是领先的电池技术,占2010-2018年所有电池相关IPF的38%。 与锂离子技术相关的高水平的发明活性,一方面是由于不同电池应用的性能标准不同,另一方面是由于目前缺乏对每个应用的主导电池电池设计。例如,智能手机、电动工具、电动汽车和实用规模的固定电池都有不同的要求能量和功率密度、耐久性、材料成本、灵敏度和稳定性的公差。 虽然其中一些特点可以通过制造和工程方面的创新来改善,但创新主要通过电池负极、正极和电解质的改变,这些是电池中储存和传导电能的主要元素。

发明竞争主要集中在锂离子电池负极上,因为它们是决定能量密度和降低成本的限制因素。能量密度——每单位电池容量可储存的能量——对于便携式设备来说非常重要,例如,为了确保智能手机仍然只需要每天充电一次,尽管其应用的能源需求不断增加。然而,对于电动汽车来说,能量密度更为重要,它必须与内燃机汽车的性能和成本PK。

10多年前推出的第一款系列生产电动汽车使用了与控制消费电子领域相同的负极:锂钴氧化物(LCO)和锂锰氧化物(LMO)。从那以后,焦点转移到其他化学物质,包括NMC,磷酸铁锂(LFP)和最近的锂镍钴铝氧化物(NCA),由于技术挑战从最大限度地提高能量密度和稳定性转向提高比能量(单位质量能量)、耐久性、功率输出、充放电速度和可回收性。这一趋势可以从专利数据中看出,LCO专利活动在2005年是NMC的两倍,但在2011年被NMC所取代,NMC专利活动在2009年至2018年上升了400。通过比较,同期LCO专利增长了200%。今天,NMC通常被认为在短期内具有最佳的电动汽车潜力,研究人员正在继续研究如何降低钴的比例,这在很大程度上决定了总体成本和可持续性。

电力储能的主要专利趋势

2000年至2018年间,全球专利局申请了65000多份电力存储领域的IPF。IPF的年度数量几乎呈指数级增长,从2000年的1000个增加到2013年的5800多个。2005年以后的年增长率为14%,在所有技术领域,这一增长明显超过了IPF的年均增长率(3.5%)。

然而,增长率并不是一成不变的。电力存储中的IPF数量在2012年之前呈指数级增长,随后几年趋于稳定。2018年可以观察到进一步的增长动力,增长16.6%。总体而言,2000年至2018年,与电力储存相关的IPF数量年增长了7倍,而同期所有部门的每年IPF数量仅翻了一番。

电能存储的创新在很大程度上由电化学技术即电池的进步所主导,在2000年至2018年期间,与电能存储相关的十分之九的IPFS都是电池。第二重要的类别,电气储能,在同一时期占所有电力储存IPF数量的另外9%。这一类包括超导储能和超级电容器,它们的能量密度有限,但功率密度和效率比电池高,被用于电动汽车或电网管理的快速充放电应用。

剩下的两类蓄电技术—热力蓄电和机械蓄电技术—分别只占与蓄电有关的所有IPFS的5%和3%。机械能存储结合了几种存储原理,如抽水蓄能,压缩空气,飞轮储能和蓄冷。机械存储和储热的主要原理众所周知,相对于电池和电存储解决方案,相应领域的技术相对成熟。因此,这些领域的技术进展主要是渐进式革新,这可以解释文件所记录的IPF数量相对较少的原因。

尽管大家的基础不同,所有领域都经历了每年ipf数量的强劲增长,从2000年到2012年左右,电池增长了400%,机械储能增长了1000%。然而,从那时起,除了电池以外的所有领域都停滞不前,甚至出现了下降,因此失去了相对的份额。只有电池储能技术领域在2018年再创新高,进一步巩固了其在储能创新领域的领先地位。

在电池技术领域,自2000年以来的技术发展主要得益于电池单元层面的创新。2014年至2017年间,与电池相关的IPF数量停滞在每年约4100个,2018年与电池相关的IPF数量增加到4851(+17.5%),几乎占当年所有电池相关发展的四分之三。其他显著的发展包括自2000年以来在电池热管理和电池与设备集成方面取得的技术进步,这两项技术都是促进电池在新工业中使用的关键应用程序。

对与电池单元相关的IPF子集进行更深入的分析,可以提供更多信息,并揭示行业的关键动态。对于大多数关键的电池化学产品,包括铅酸、液流和镍电池,专利申请活动一直在上升。然而,自2005年以来,正是锂离子技术推动了电池技术的创新。锂离子是目前便携式电子产品和电动汽车的主导技术。2018年,该领域的创新活动占电池电池专利活动的45%,而基于其他化学物质的电池专利活动仅占7.3%。剩下的48%与非特定化学的发明有关。

数据表明,汽车行业落后于电池组相关发明活动的增长,特别是在2009年之后。2011年,这一领域的发明活动超过了将电池集成到便携式应用的相关领域,而在这之前,便携式应用一直是领先的应用领域。2017-2018年,与电动汽车相关的创新活动恢复增长,共记录了736个IPF。固定应用方面的发展一直是三个应用领域中最小的,但在很大程度上停滞不前。

当便携式应用的锂离子技术的改进帮助电动车应用的电池价格和性能,随着电动汽车应用的工业化,这种溢出效应现在可以在汽车应用和固定应用之间看到。

22%与汽车用电池组相关的IPF也可用于其他两个应用领域。虽然汽车和便携式应用之间的溢出相对较小,但在汽车和固定应用之间的溢出效应尤其强烈,与固定应用的电池组相关的近90%的IPF也与汽车应用相关。

关于溢出效应的进一步研究可以利用引文数据来确定创新者在多大程度上建立在其他技术领域“巨人的肩膀上”。这具有政策含义,因为规避风险的政策制定者可能会选择用各种各样的应用来激励这些技术的发展。

锂离子电池的设计和负极类型有很多种,材料成分不同,同一种负极类型的制造商的成分也可能不同。与对材料本身的主要需求一样,回收锂离子材料和组件的吸引力将取决于化学成分的组合,以及锂空气电池或固态电池等根本不同技术的出现。

锂离子电池也是一种相对紧凑、复杂的设备,其构造不可拆卸,而且通常不可回收。与其他电池不同的是,更大的电池组(如为电动车供电的电池组)可以包含数千个电池,以及传感器、安全装置、热管理和其他控制电池运行的电路,所有这些都进一步增加了复杂性。例如,铅酸电池很容易拆卸。铅约占电池重量的三分之二,易于分离和提取。在目前的系统中,几乎100%的铅被回收利用。

目前有两种主流的回收策略。火法冶金(熔炼)设备使用高温工艺回收铜、镍和钴。有机化合物、塑料以及锂和铝是不可回收的。湿法冶金也被称为化学浸出法,其资金和能源消耗较少,能够回收锂,但在浸出过程中可依赖大量对环境有害的化学物质。

不使用浸出剂的直接回收方法不仅有助于提高回收利用率,而且有可能通过更快的途径将电池重新用于其他用途。这些方法各不相同,但通常依靠物理分离电池组件,例如通过粉碎电池和根据密度回收材料。从锂离子电池中分选、拆卸和回收贵重材料的自动化和机器人程序也有望提高效率。

目前使用火法冶金法和湿法冶金法的回收设施,与使用初级原材料制造的电池相比,可能会增加电动汽车电池的温室气体足迹(约为10%)。为了减少回收过程中的温室气体足迹,还需要采取提高能源效率的措施、使用较少能源的回收过程,以及对需要回收利用或可直接重新利用的电池部件进行适当的分类和分离。

电池梯次利用是可持续发展的一个基本策略。尤其可以受益于不再适合汽车应用的电池的延长寿命,但这并不会妨碍电池在静止环境中发挥作用。

梯次电池的可用性和系统成本的进一步降低将进一步提高电池存储的竞争力。在充分利用二次使用的技术潜力的情况下,成本的降低将使电池在2040年比现在便宜70%,并在2040年部署约540GW的电池存储。

然而,到目前为止,为电池再利用创造价值链的经验是稀缺的。新电池制造继续享受着强大的规模经济效益和整体效率的提高,这不利于对现有电池进行重新利用,而且价值链在技术上是复杂的。尽管如此,一个由原始设备制造商、电力公司和第三方组成的行业正在兴起,其中还包括一些规模较小的新兴公司。与电池回收相关的专利行为水平相对较低,2000年至2018年期间总共只有436个IPFs。

这一趋势与电池技术的发展密切相关。21世纪初,IPFs的数量大约为10个,到2012年增加到40多个,并在2018年之前一直保持在这个水平。

随着锂离子电池的数量持续增长,材料价格可能会上涨,变得更加不稳定,进一步提高环境性能的压力可能会成为现实。这可以使通过回收利用回收的材料更具竞争力,并挖掘技术上可回收的潜力,从而减少对原材料的需求、温室气体排放以及采矿和加工材料的影响。

各大电池企业的专利分析

顶级申请者在电池技术不同子领域的各自份额。三星、松下和LG电子几乎在所有领域都名列前茅。三星在单元级创新方面处于领先地位,占该领域所有IPF的9.1%,在单元级制造中占8.7%,在单元级工程中占11.9。它在电池集成创新方面也非常活跃(8.7%),与其他化学物质相比,它在锂技术方面表现出很强的专业化。与三星一样,LG电子主要专注于锂离子化学,在电池制造方面相对专业化(7.4%),并将其集成到电池组(7.2%)等设备中。松下有一个更多样化和平衡的投资组合,在锂离子和其他化学物质方面都有相对较强的地位(在这两种情况下均占指规数的7.1)。

其他公司有更专门的专利组合。例如,博世的优势不是在电池层面的发展,而是在热管理和集成相关技术(电池组)方面。丰田在这些领域拥有类似的职位,但在电池制造方面也拥有强大的专利组合。日本公司GS Yuasa和Sumitomo Electric Industries都倾向于专门从事锂离子的替代化学产品。富士康,一家台湾公司,在电池电池电池领域没有很强的影响力,但在最终应用的电池组集成领域显示出强大的技术专长。

电池技术领域专业知识的多样性为不同公司之间、公司与大学之间、公司与公共研究机构之间的研发合作提供了机会。利用专利申请中包含的信息,有可能与共同申请者(包括外国公司)确定几个IPF的例子。例如,博世和三星共同提交了600多个ipf的申请。2008年,SB-D和LiMotive两个公司在开发混合动力汽车和混合动力汽车方面也有合作关系。例如,韩国汽车制造商起亚(KIA)和现代(Hyundai),日本松下(Panasonic)和丰田(Toyota),以及GS Yuasa和本田(Honda)之间都有合作关系。

值得注意的是,公司与大学或公共研究机构之间的合作努力。例如,富士康和清华大学在中国的合作申请,或丰田和日本国立先进工业科学技术研究所的联合申请,都证明了公共研究机构和企业之间的合作。在许多国家,鼓励公私合作的政策激励措施已经到位,值得进一步研究这种合作的好处。

自2000年以来,排名前25位的申请者在所有与电池相关的ipf中所占比例略低于一半(47%)。这一比例在过去五年中略有上升,而前十名申请者的累计份额也在类似程度上下降。这种创新活动集中度略有下降的趋势是老牌企业和新企业之间相互作用的直接结果:老牌创新者仍保持其重要地位,但在过去十年中,新兴企业(如LG电子、丰田和博世)的创新迅速增加改进电动汽车的电池。这也表明,电池市场仍在增长,行业尚未达到成熟时通常可以观察到的集中化趋势。

尽管有逐渐的多元化趋势,电池技术的创新仍然主要集中在有限的几家非常大的公司中,在2000年至2018年期间,这些公司在与电池相关的所有IPF中占据了约80%的稳定份额(图5.4)。剩下的份额几乎平均分配给中小企业、大学和公共研究机构。2000-2018年,CEA共有358个IPF,占大学和公共研究机构提交的IPF的大多数,其次是四个亚洲研究机构,即清华大学(141个IPF)、工业技术研究院(Chinese Tapei,125个IPF),韩国科学技术研究所(102个IPF)和日本国立研究所(93 IPF)。

申请人的简介在电池技术的各个子领域之间也有很大差异。 中小企业和大学在与电池应用更密切相关的领域的比例要低得多,例如集成和热管理。 相反,它们的贡献在源头创新方面更高,特别是在锂离子的替代化学物质方面。 在这一领域,大学占知识产权框架的21%,中小企业占16%。

在公司中,2000-2018年,70%的知识产权属于IPF发布之日20年以上的实体所有,这意味着,多达30%的知识产权由20岁以下的公司备案,其中大部分在发布之日实际上不到10年。虽然过去十年,老公司持有的知识产权份额保持相对稳定,但10岁至20岁之间的公司份额几乎翻了一番,2018年上升至18%,非常年轻公司(不到10岁)的份额也有所下降。

考虑到公司动态(进入和退出)与突破性技术的产生之间的联系,这是一个值得进一步关注的领域。因此,进一步的工作可以更详细地探讨这些联系,以及专利在多大程度上根据组织特征(如申请人年龄和类型)而不同(例如,公司与大学/公共研究机构)。


电池技术创新的地理起源

下图显示了2000-2018年电池发明者的地理分布与其他储能技术发明者的地理分布。日本在这两个最大、最具活力的领域遥遥领先,其与电池相关的IPFs份额(40.9%)和与电力存储相关的IPFs份额(47.1%)超过了第二大和第三大创新中心在这两个领域的总和。韩国、欧洲和美国在这两个领域的排名位居第二:它们在电池领域的IPFs份额大致相当,而美国和欧洲在电力储能领域领先于韩国。相比之下,在机械和储热领域,欧洲发明家占据着非常有利的地位。

在欧洲,电池技术创新主要由德国主导,在2008-2012年,德国大幅提高了其领先于其他欧洲国家的优势。在2000年至2018年期间,仅德国就占了来自欧洲的指规数的一半以上,在前25个电池申请企业中,5个欧洲实体中有4个来自德国。法国是欧洲第二大最具创新能力的国家,2000-2018年与电池相关的IPFs占不到1%,前25名中只有一个实体(CEA)。

在过去五年中,欧洲和美国在电池创新方面的相对贡献有所下降,但它们在国际合作发明方面的参与却在同期上升(欧洲从8.3%上升到8.5%,美国从11.8%上升到12.4%)。此外,它们的大部分国际研究合作都是相互进行的:40%的欧洲合作发明和55%的美国合作发明来自跨大西洋合作,亚洲的研究合作伙伴只发挥了很小的作用。由于国际研究合作是企业“进入”全球前沿的重要工具,深入研究这种合作与随后的创新活动之间的联系将提供有价值的见解。

相比之下,随着中国电池创新的迅速崛起,中国涉及外国共同发明者的ipf数量急剧下降(从13.2%降至6.6%)。这可能是由于中国的创新越来越少地依赖外国支持,以及中国越来越多的专业知识和对本土发明的依赖。同样韩国的外国共同发明人比例从2.9%降至1.8%,日本从2.0%降至1.7%。

对申请人特征的进一步分析也揭示了亚洲国家之间以及美国和欧洲之间的一些差异。日本和韩国的创新活动主要由大公司或非常大的公司进行,小公司(日本为3.4%,韩国为4.6%)和大学或研究机构(日本为3.5%,韩国为9.0%)提供了相对较小的创新活动。相比之下,美国中小企业和大学的贡献要大得多(分别为34.4%和13.8%)。欧洲国家也是如此,尽管程度较低,中小企业占15.9%,大学和公共研究机构占12.7%。因此,欧洲国家是SME和大学的第二大IPF来源国,仅次于美国,尽管与电池相关的IPF数量仅排在第四位。


锂离子化学的最新进展

2000年至2018年间,锂离子技术的高水平创新活动就占据了电池技术所有IPF的40%,部分原因是不同电池应用的性能标准不同,而目前缺乏一种主导的电池组设计,适合各种应用场合。例如,智能手机、电动工具、电动汽车和公用事业规模的固定电池对能量和功率密度、耐久性、材料成本、灵敏度和稳定性有不同的要求。虽然这些特性中的一些可以通过制造业和工程领域的创新加以改进,但它们的理论极限是由存储和传导电能的核心部件——电池电极和电解液—所定义的。因此,本章侧重于这些核心要素的最新发展。

自2000年以来,与锂离子电池电极(正极和负极)材料有关的IPFs数量一直以几乎稳定的速度增加。2010年至2013年期间出现了极快的增长期,期间指规数从355个增加到近900个。在2018年,大约40%的锂离子IPF与电极的创新有关。

锂离子电池的负极一直是最激烈的发明竞争的焦点,因为它是决定能量密度(每单位电池体积可储存的能量量)、比能量(每单位电池质量可储存的能量量)和成本降低的限制因素。能量密度对于便携式设备非常重要,例如,为了确保智能手机每天只需充电一次,尽管其应用程序的能源需求不断增加。然而,对于电动汽车来说,能量密度和比能量更为重要,它必须在控制车辆重量的同时,与内燃机车的性能和成本相匹配。

10多年前推出的第一款系列生产电动汽车使用了与主要用于消费电子产品相同的负极:锂钴氧化物(LCO)和锂锰氧化物(LMO)。自那时以来,由于技术挑战从最大限度地提高能量密度和稳定性转向提高比能量(单位质量能量)、耐久性、功率输出、充放电速度和可回收性,重点转向了其他组合物,包括NMC和LFP。

这一趋势可以从专利数据中看出:LCO专利活动在2005年是NMC的两倍,但在2011年被NMC所取代,2009年至2018年间NMC专利活动增加了400%。相比之下,同期LCO专利仅增长了200%。今天,NMC通常被认为在短期内具有最佳的电动汽车潜力,研究人员正在继续研究如何降低钴的比例,这在很大程度上决定了总体成本和可持续性。

尽管NMC的领先设计在近几年取得了令人印象深刻的改进,根据现有应用量身定制电池性能,并根据成本改变金属的使用比例,但NMC本身有望在适当的时候被取代。特别是NCA作为一种有前途的替代方案日益受到关注。NCA化学是基于NMC背后的相同化学原理,NCA电池已经被松下和特斯拉用于电动汽车。其他领先的公司,如特斯拉和比亚迪将改进的lfp电池引入市场。该领域的专利活动水平仍然有限,但已从2010年之前的几乎为零增长到2018年更接近成熟负极化学的水平。

锂离子正极的创新也在上升。在过去的十年中,碳材料产生的IPF最多,2010年至2015年间创新增长了200%。这种材料,特别是石墨,由于其成本低、易获得性好和良好的电化学性能,通常被用作商业锂离子电池(特别是便携式设备)的正极活性材料。然而,石墨正极也有其局限性,如锂的嵌入能力差,为替代正极材料的出现打开了大门。锂合金金属(如锂铝和锂硅)是目前第二大最常用的正极材料。

固态电解质是专利活动的另一个主要领域,在这一领域,专利活动在不断增长,自2010年以来,专利活动平均每年增长25%。2018年,寻找下一代锂离子电池的新趋势占所有专利活动的8%以上。电解质是锂离子技术发明的焦点,而2010年这一比例为3%。目前,正在努力寻找替代品,以期找到替代品,以解决现有设备中现有锂离子电池(包括低锂离子电池)中使用的液体或聚合物凝胶电解质的一些缺点,这些缺点会带来易燃性风险。固态电导率高,在电解质/电解质上的接触电阻高,具有较高的能量比和电极界面,但目前材料价格昂贵。预计未来十年,固态电解质将在电动汽车上得到商业应用,并可能产生溢出效应,这将有助于使这些电池在其他应用中具有竞争力。

综上所述,2014-2018年锂离子电池领域前15名申请者在电极材料和固态电池相关IPFs中所占的份额略低于锂离子技术相关的总体份额(表7.2)。然而,各子领域申请者的份额差异较大,特别是阴极材料,主要化学领域如NMC(50.6%)和LMO(44.5%)中IPFs的累积份额较高,新兴领域如NCA(27.9%)和LFP(29%)中IPFs的累积份额相对较小。这种模式很常见,说明新兴领域更容易吸引新入者和新竞争。

尽管排名前两名的LG电子(LG Electronics)和三星(Samsung)在许多领域都占据强势地位,但它们在所有领域的活跃程度并不平等。LG电子和三星在与LCO相关的IPFs中都占有很高的份额,LCO是电子学领域建立已久的阴极化学。此外,三星在负极用NMC和NCA、正极用硅及其合金领域拥有强大的立足点。选择性专业化的趋势也可以在其他一些顶级申请者中看到,比如在固态电池创新方面做出巨大贡献的丰田(Toyota),以及在正极的LTO和LMO方面拥有领先地位的东芝(Toshiba)。

已建立的电极材料中,IPF的地理起源倾向于确认锂离子创新的全球排名。日本在NMC(47%)、LMO(51%)和LTO(50%)方面占主导地位,在LCO方面与韩国不相上下,占IPFs的28%。与锂离子技术的全球地位相一致,韩国LCO排名第一(30%),其他领域排名第二。美国紧随其后,在这些领域的表现优于锂离子创新的总体表现。与此相反,欧洲国家在所有类别中的地位都不大,甚至同它们在所有锂离子指规数中所占的份额相比也是如此。

两大新兴技术:液流电池与超级电容

当前有其它两种储能技术迅速出现。首先,液流电池可以为某些应用提供一种更安全、更耐用和更可扩展的锂离子电池替代方案。 其次,超级电容器可以通过满足快速充放电等特定需求来补充锂离子电池。

虽然液流电池属于电化学存储技术的范畴,但它们与普通电池有几个不同之处。液流电池使用多孔电极代替固体或固定形式的电极,其中活性物质以含有氧化还原活性物质的正极和负极液体溶液的形式流动。这些溶液储存在两个容器中,每个容器循环到其中一个电极上。在放电过程中,离子通过离子交换膜从负极迁移到正极,电子从负极流向负极,然后通过外部电路(例如外部设备)到达正极,最终到达正极。

液流电池的创新直到最近才在专利申请中显现出来。 2012年,这一领域的指规数几乎翻了一番,到2018年达到166个。液流电池可以有不同的化学成分,钒是最常用的氧化还原活性阳离子。 这也可以在专利数据中看到。

中小企业、大学和公共研究机构在发展液流技术方面仍扮演重要角色。在2000年至2018年期间,它们占该领域所有IPF的近一半,这是一个动态和新兴技术领域的典型趋势。综合来看,前五名申请者在该领域的IPFs份额(18%)明显低于电池领域的整体份额(28%)。日本住友电气工业公司遥遥领先,紧随其后的是两家美国航空航天公司洛克希德·马丁公司和联合科技公司,以及一家只在该领域运营的较小的英国公司Acal Energy。LG电子在榜单上排名第五,是唯一一家在所有电池技术领域进入前十的公司。

在此背景下,与液流电池相关的IPFs的地理分布与锂离子相关IPFs的地理分布显著不同。美国是主导创新中心,2000-2018年,美国创新中心的IPFs数量占该领域创新中心总量的近三分之一,其次是欧洲,占23.7%。日本以19.2%的IPFs排名第三。

超级电容器,也被称为超级电容,属于储能类,因为它们通常不涉及化学反应。然而,近年来,一些混合溶液的电与电化学储存方法已经发展起来。电容器的一些关键优势是它们可以在几秒钟内充电和放电,而且不会随着时间的推移而失去存储能力。然而,它们不能像电池那样储存大量的电能。这使得超级电容器主要适合作为电池的补充,适用于重视能量爆发超过存储介质容量的应用。

大多数超级电容器目前用于汽车、工业能源和电子部门,因为它们的成本相对较高,而且在潜在用户中不太引人注目。超级电容器市场仍在增长,主要是由于电梯和混合动力电动汽车市场的再生制动系统销量增长,以及它们在风能、太阳能、火车和飞机上的应用。

21世纪初,超级电容器的技术有了重大发展,每年产生约100个IPFs,到2017年,这个数字已经增加到每年超过500个IPFs。早期的开发主要集中在双层静电超级电容器,以及混合、伪和电化学超级电容器。意见的相对吸引力这些类型的超级电容器出现分化,然而,剩下的ipf静电超级电容器在停滞不前水平自2006年以来,技术的改进混合,赝电容器导致ipf的增加,2018年达到每年200。在超级电容器中使用纳米管和石墨烯电极是过去20年来该领域另一个不断增长的创新领域,记录的ipf数量从21世纪初的几乎为零上升到2018年的169个。与电池不同,用于超级电容器的固态电解质的研发并没有增加,自2013年以来ipf的数量一直徘徊在50个左右。

静电超级电容器是一个由大公司主导的类别,占所有IPF的81.2%,除此之外,超级电容器中相对较大的创新份额来自中小企业和公共研究机构。这证实了超级电容器是另一个充满活力的新兴领域储藏室。差不多了在混合、赝电容器领域,25%的IPF由大学和公共研究机构产生,超级电容器用纳米管/石墨烯电极的比例升至34.8%。

前五名申请者仅占超级电容器相关IPF的13.5%,突显出这一快速增长的技术领域创新集中度较低。在这些申请者中,有4家总部位于日本,1家位于韩国,松下公司居首,三星和丰田紧随其后。丰田将其创新活动集中在静电超级电容器上,这是一个更为成熟的技术领域,而松下在混合动力、赝电容器和电化学超级电容器方面占据着强势地位。三星在采用纳米管和石墨烯电极的超级电容器领域处于领先地位。

其地理来源的分布与电池非常相似。日本是明显的领先者,在2000年至2018年公布的所有IPF中,日本几乎占了50%。它的主导地位在于其在静电超级电容器领域的地位,在该领域,它产生了近三分之二的ipf。美国以18.2%的市场份额排名第二,这得益于美国在混合、赝电、电化学超级电容器、固态电解质和纳米管/石墨烯电极超级电容器领域的强势地位。欧洲超级电容器市场份额为13.6%,其中混合、赝电、电化学超级电容器市场份额最高。

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