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        沈陽蓄電池研究所主辦

        業務范圍:科研成果轉讓、技術難題的攻關、現場指導、新工藝的采用和推廣,蓄電池產品生產許可證企業生產條件審查的咨詢等。

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        高比特性高壓鋰離子電池組技術專利分析

        作者: 圣冬冬 等 來源:儲能科學與技術

        摘 要:鋰離子電池是一種充電電池,主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。高比特性高壓鋰離子電池具有循環性能好、低自放電、無記憶效應、比能量高和綠色環保等性能優勢,成為當前國內外儲能電池研究的重點。針對高比特性高壓鋰離子電池組的專利申請趨勢和技術生命周期進行了分析,梳理出高比特性高壓鋰離子電池組專利申請的地域分布和全球主要專利申請人,通過對主要專利申請人的專利布局進行分析,指導相關研究單位有效進行專利布局和避免產生專利糾紛,降低研發過程中的專利侵權風險;同時通過技術功效分析尋求重點研發方向的技術創新。

        關鍵詞:鋰電池;專利分析;申請人;專利布局

        高比特性和高壓是鋰電池兩個重要的性能參數,高比特性也稱為高比能量,一般要求鋰電池的質量比能量達到100W·h/kg以上,高壓要求單體鋰電池的電壓在3 V以上[1]。高比特性高壓鋰離子電池組是目前最具發展前景的高效二次電池和發展最快的化學儲能電源,被廣泛應用于電力輸配、航空航天、輔助服務、分布式微網、國防工業、可再生能源并網以及電動汽車充換電等儲能領域的各個方面[2]。隨著電源產業的快速發展,鋰離子電池儲能技術的市場需求將保持高速增長態勢,而研究高比特性高壓儲能電池也成為各國競相競爭的技術熱點。高比特性高壓鋰離子電池組的主要技術包括電極材料技術、電解液技術、電池組管理技術等[3]。本文從高比特性高壓鋰離子電池組的專利申請趨勢、區域分布、申請人、技術功效等多個角度進行專利分析,有利于指導相關企業從高價值專利中尋找技術研發思路,同時降低技術研發過程中的知識產權風險。

        1 專利分析方法

        技術譜系的構建是正確制定專利檢索策略的基礎,通過構建技術譜系可以實現專利檢索的精確性,本文結合高比特性高壓鋰離子電池組技術具體的應用環境,制定出技術譜系如表1所示,將高比特性高壓鋰離子電池組技術分解成蓄電池組技術和故障容錯管理技術兩個二級技術,三級技術是對二級技術的進一步分解。

        表1   高比特性高壓鋰離子電池組技術譜系

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

        以Incopat專利數據庫作為基礎數據庫,在全球范圍內對技術譜系中的每個技術分支進行逐一檢索,從專利被引頻次、同族數量、重要技術首次申請、涉及法律訴訟的申請等角度考慮,并結合技術專家的觀點,經分類、統計、采用人工閱讀的方式,共篩選出相關專利566件(由于專利公開的時滯等原因,近兩年的數據收錄不完全,僅供參考,下文同)。

        2 專利申請趨勢分析

        圖1為高比特性高壓鋰離子電池組專利年度申請趨勢,包括全球專利申請趨勢和中國專利申請趨勢,通過專利申請趨勢能夠反映出高比特性高壓鋰離子電池組受關注程度以及技術發展趨勢。高比特性高壓鋰離子電池組的專利申請趨勢大致經歷了3個主要階段。

        圖1   高比特性高壓鋰離子電池組專利申請趨勢

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

        ,專利數量增長趨于穩定,僅2014年申請人數量較前一年小幅回調,不能說明總體申請人減少趨勢??傮w來看仍處于技術成長期。

        圖2   高比特性高壓鋰離子電池組技術生命周期圖

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

        4 專利申請區域分析

        專利申請人除了在本國進行專利保護外,為了在國外生產、銷售產品,專利申請人往往也在國外申請同族專利以求獲得知識產權保護。因此,一個國家在特定技術領域的專利數量整體上反映了該國在該特定領域的市場前景和競爭程度[6]。通過對高比特性高壓鋰離子電池組技術領域的專利申請區域進行分析,揭示出各個國家和區域的技術實力和市場前景。圖3對高比特性高壓鋰離子電池組主要的專利申請區域進行了分析,其中中國專利申請量位列第一,有312件專利申請,占專利申請總量的55.12%;日本專利申請量位列第二,表明日本申請人也具有明顯的技術優勢;排在第三位的是韓國,第四位為美國,這是由于韓國在鋰離子電池領域的技術發展較快,因此,韓國也成為主要的專利申請國家。

        圖3   主要專利申請國/地區

        Fig.3   Major patent application countries and regions

        5 重要申請人分析

        如圖4所示,對高比特性高壓鋰離子電池組專利申請量在10件及以上的申請人進行了統計分析,共有11位申請人,數據表明:全球范圍內,申請量在10件及以上的申請人包括6家日本公司、3家中國公司、1家英國公司和1家韓國公司。雖然從專利申請量來看,中國的專利申請量大幅領先于日本,但是從主要申請人來看,中國則與日本仍存在較大差距,中國的專利申請人較為分散,導致各個申請人的專利申請量較少,而日本的專利申請人較為集中,形成技術優勢企業主導技術研發的態勢。在主要專利申請人中,日本住友株式會社有28件專利申請,接近排名第二的上??臻g電源研究所專利申請量的2倍,可見住友株式會社在鋰離子電池領域的技術研發處于領先地位。英國BAE系統公司是一家國防軍工企業,其專利申請時間較早,所研發的技術多與國防軍工技術相關[7]。韓國LG化學公司在鋰離子電池制造技術方面已經達到世界先進水平,但其材料和核心技術的競爭力還不及日本。

        圖4   主要申請人排名

        Fig.4   Ranking of main applicants

        在基礎研究與技術發展的支持下,中國的高比特性高壓鋰離子電池技術已經取得了長足的進展,重要申請人的數量僅次于日本[8]。國內的上??臻g電源研究所和中國電子科技集團公司第十八研究所作為軍工企業,在空間電源技術領域具有先進的技術研發能力,寧德時代在動力和儲能電池領域,材料、電芯、電池系統等領域已經達到國際先進水平。

        圖5對主要申請人的主要目標國進行了分析,數據表明:申請人將其所在國作為目標國的比重最大,例如:日本本土公司住友、索尼、松下、豐田等均重視其在日本本土的專利布局,而三菱化學的專利布局則與其他日本企業有所不同,在中國有10件專利,其在本土僅有1件專利,經過進一步分析可知,三菱化學在中國申請的這10件專利其實是2項同族專利。韓國LG化學公司在中國、美國和韓國均有專利布局,且在美國和韓國的專利申請量多于在中國的專利申請量,表明LG化學公司更加重視在美國和韓國的專利布局[9]。英國BAE公司的專利布局較為廣泛,在中國、日本、美國和韓國均有一定數量的專利申請。國內申請人中上??臻g電源研究所和中國電子科技集團公司第十八研究的專利布局僅限于國內,尚未在海外進行專利布局,這是由于這兩家單位屬于國防軍工單位,產品主要應用于國防領域,因此并不關注海外專利布局,而寧德時代公司除了在本土布局大量專利外,由于其產品還面向國際市場,因此在日本和美國也申請了相關專利。

        圖5   主要申請人專利布局分析

        Fig.5   Analysis of patent layout of main applicants

        6 技術功效分析

        針對566件高比特性高壓鋰離子電池組專利,按照技術手段和技術效果標引后,得到如圖6所示的鋰離子電池技術功效圖。從技術手段來看,高功率電解液技術和高功率電極材料技術是高比特性高壓鋰離子電池組專利技術布局的重點,分別占專利申請總量的43.1%和37.8%,高功率電解液和高功率電極材料是高比特性高壓鋰電池技術的基礎,國內外申請人已經在該領域布局了較多數量的專利。其次是均衡管理技術領域,這是電池組管理技術的重點,也是提高高壓蓄電池組壽命的關鍵技術[10]。

        圖6   高比特性高壓鋰離子電池組技術功效圖

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

        從技術效果來看,提高高壓鋰電池組的可靠性和功率是鋰離子電池專利主要取得的技術效果,提高可靠性包括提高鋰電池組的高壓安全性、高溫穩定性等,提高功率包括提高鋰電池高倍率放電、提高電導率、提高放電比容量等。其次提高鋰電池組性能和提高鋰電池組壽命也是專利布局的重點,提高鋰電池組性能包括提高鋰電池的電導率、高溫循環性能等,提高鋰電池組壽命也是鋰電池技術一直追求的目標,這直接關系到高比特性高壓鋰離子電池組的壽命。同時提高鋰離子電池組的可靠性和壽命關系較為緊密,往往是同一個技術手段同時達到的技術效果。

        具體來看,采用各個技術手段所取得的技術效果存在差異,其中高功率電極材料和高功率電解液專利重點解決的是鋰電池的功率和性能的問題,通過提高單體鋰電池的功率和性能從而提高鋰離子蓄電池組的高比特性和高壓性能。而均衡管理通過使電池組中每個單體電池都達到一致均衡的狀態,從而達到提高蓄電池組壽命和可靠性的目的,同時通過選擇恰當的均衡方式,還可以提高電池均衡的效率。

        高壓鋰電池依賴于高功率電極材料和高功率電解液,在高功率電極材料中正極材料專利占專利申請總量的58.54%,高于負極材料的專利申請量,如圖7所示,正極材料中三元材料專利申請所占比例最高,達到17.03%,三元材料基于其高能量密度等優點,已經成為正極材料研究的熱點,其次是鈷系材料,占10.46%。負極材料專利申請占29.20%,其中碳素材料碳材料具有高比容量,低的電極電位,高的循環效率,仍然是目前研究熱點和專利申請的重點方向,硅基材料具有較高的能量密度和低的電化學電勢,近年來也有一定比例的專利申請。

        圖7   高功率電極材料專利技術分布

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

        圖8為高功率電解液專利申請的技術分布,從圖中可以看出,添加劑領域的專利申請最多,占59.06%,其中與高功率相關的專利申請是添加劑專利申請的主體,占專利申請總量的31.16%;有機溶劑專利申請中碳酸酯專利申請的比例最高,其次為氟代溶劑;鋰鹽領域的專利申請量相對較少,占專利申請總量的14.86%。

        圖8   高功率電解液專利技術分布

        Fig.8   Patent application technology distribution of high power electrolyte

        7 結 論

        通過以上專利分析可以看出,高比特性高壓鋰離子電池組相關專利申請經過前期的積累,整體上仍處于不斷增長的階段,技術仍處在快速發展階段??偨Y出高比特性高壓鋰離子電池組專利布局的重點主要體現以下兩個方面。

        (1)高功率電極材料和電解液是高壓蓄電池組技術的基礎。高比特性高壓鋰離子電池組需要通過串聯高壓單體鋰電池獲得,而高壓單體鋰電池依賴于高功率電極材料,尤其是高功率電極材料和高功率電解液。專利分析信息表明,高功率電極材料和電解液是專利布局的重點,國內外申請人將石墨烯作為電極導電劑添加到鋰離子電極材料中,用于改善電極材料導電性能、提高鋰電池功率,目前該項技術已經成熟。

        (2)主動均衡技術是目前電池組均衡管理技術專利布局的重點,混合均衡技術未來極具潛力。在高比特性高壓鋰離子電池組管理技術的專利申請中,均衡管理技術(包括混合均衡管理技術、主動均衡管理技術和被動均衡管理技術)這一技術分支的專利申請量最大,占專利申請總量的75.8%,這表明均衡管理技術是電池組管理技術的關鍵[11]。其中,大部分高壓鋰離子蓄電池組采用主動均衡的方式,在均衡管理技術的專利申請中,主動均衡管理技術的專利申請量最多,占57.58%。另外,混合均衡技術繼承了主動均衡的優點,同時將主動均衡和被動均衡有效地結合起來,能夠有效延長電池組使用壽命,成為近年來均衡管理技術專利申請的熱點,未來發展極具潛力。

        引用本文: 圣冬冬,王海濤,施穎杰等.高比特性高壓鋰離子電池組技術專利分析[J].儲能科學與技術,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,碩士,高級工程師,主要研究方向為航天電源技術,E-mail:1228109004@qq.com。


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