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近日，歐洲專利局（EPO）和國際能源署（IEA）聯(lián)合公布《全球電池和電力儲能技術創(chuàng)新專利分析》報告指出，電池和儲能領域的專利申請在過去10年中大幅上升，年上升率為14%，在儲能領域中電池專利占據(jù)高達90%的份額，創(chuàng)新重要集中在可充電鋰離子電池、電子設備和電動汽車領域。

本文來源：微信公眾號先進能源科技戰(zhàn)略情報研究中心ID：CASEnergy

電動汽車的發(fā)展推動了新型鋰離子電池技術的創(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的進步。報告關鍵要點如下：

一、電池與電力儲能在能源轉型中的用途

（1）全球儲能技術發(fā)展低迷。可持續(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。電動汽車技術發(fā)展正步入正軌，未來十年預計持續(xù)呈指數(shù)上升，2040年充電樁數(shù)量將達到目前的100倍。

（2）可持續(xù)發(fā)展情景下電池和儲能技術的部署將急劇擴張。當前，能源轉型相關電池和其他儲能技術的總需求已接近200吉瓦時/年，其中電動汽車領域占總需求的75%以上?？沙掷m(xù)發(fā)展情景下，到2040年所有終端應用部門對電池和其他儲能設備的需求接近10000吉瓦時。

（3）電動汽車電池創(chuàng)新有利于儲能技術發(fā)展。儲能未來發(fā)展的一個關鍵因素是：電動汽車技術發(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用途。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發(fā)展推動的。因此，隨著供應鏈向下一種性能更高的混合材料或技術邁進，對電動汽車吸引力下降的技術可能在電網(wǎng)上以較低的成本進行部署。下一代鋰離子電池技術將在未來5-10年內進入市場，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NMC811。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到最高的能量密度，但此類高能量密度材料更加有可能滿足電力部門的要求。2019年，由于我國政府提高了電動汽車電池的能量密度要求，導致能量密度相對較低的磷酸鐵鋰（LFP）電池產量過剩，轉而用于電網(wǎng)規(guī)模儲能。

（4）電池和其他技術在儲能領域的應用迅速擴大。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用受到選址的限制。固定式儲能對電池的應用正呈現(xiàn)指數(shù)級上升。鋰離子電池已迅速成為電池主導技術，2018年其占到除抽水蓄能以外的新型儲能技術新增裝機容量的93%。2019年，大多數(shù)儲能技術用于住宅、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、電力儲能專利申請重要趨勢分析

儲能相關技術重要包括四類：電化學儲能（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）。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相關專利申請活動迅速上升。2000-2018年，全球電力儲能技術專利族申請量超過6.5萬項，呈指數(shù)級上升。2005年以后電力儲能相關專利族申請量年均上升14%，遠超所有技術領域專利申請年均上升率（3.5%）。2012年之前，電力儲能相關專利族數(shù)量呈指數(shù)級上升，隨后幾年趨于穩(wěn)定。2018年再次顯著上升，上升率達到16.6%?？傮w而言，2018年電力儲能相關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）電池技術主導電力儲能創(chuàng)新。電力儲能創(chuàng)新重要由電化學技術（即電池）主導，2018年電力儲能相關專利80%以上是電池技術。電磁儲能技術居第二，2018年占所有電力儲能相關專利族數(shù)量的7%，機械儲能和熱儲能分別僅占3%和2%。不同技術的研究基礎不同，但2012年前所有電力儲能技術專利申請上升強勁，與2000年相比，電化學（電池）技術專利申請上升超過400%，機械儲能上升超過1000%。但2012年以后，除電池外，其他技術都停滯不前甚至下降。

（3）過去十年里電池創(chuàng)新相關專利申請活躍。2000年以來，電池技術重要由電池單元創(chuàng)新推動。2018年專利族數(shù)量同比上升14.9%，占所有電池相關技術專利近3/4。2005年以來，鋰離子技術一直主導電池技術創(chuàng)新，尤其是便攜式電子產品和電動汽車領域。2018年，鋰離子電池專利占電池相關專利總數(shù)的45%。2009年以后，電池組技術在汽車應用領域發(fā)展活躍。盡管汽車領域在過去十年里占據(jù)電池應用主導，但其他領域也從中受益，22%的汽車電池組相關專利也可用于其他兩個應用領域。

三、電池技術專利申請人分析

（1）亞洲公司在電池技術創(chuàng)新中占領先地位。電池技術創(chuàng)新重要來自亞洲，全球前10名申請機構中亞洲公司占9個，前25名中亞洲公司占2/3。三星幾乎在所有電池技術領域都名列前茅；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域都擁有相對較強的地位（專利族數(shù)量占比平均為7.1%）；我國臺灣富士康雖然在電池領域沒有很強的影響力，但在電池組終端應用方面顯示出強大的技術專長。

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

四、電池技術創(chuàng)新區(qū)域分析

（1）全球電池技術創(chuàng)新區(qū)域分布。2000-2018年，日本在電化學儲能和電磁儲能領域的專利申請最為活躍，占比分別達到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先，但并未轉化為市場動力，其僅占有全球2%的電動汽車市場。過去十年，我國電池技術創(chuàng)新顯著上升，2018年專利申請數(shù)量已超越美國。歐洲電池技術創(chuàng)新重要由德國主導，其電池技術專利申請數(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)化方面處于世界領先地位，而美國、我國和歐洲則相對較弱。在歐洲，德國是明顯的領跑者。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，我國在電池創(chuàng)新領域的迅速崛起伴隨著我國涉外合作專利數(shù)量急劇下降（13.2%降至6.6%）。日本和韓國的電池創(chuàng)新重要由大公司主導，美國重要以中小公司和大學/科研機構為主。

五、鋰離子電池技術進展

（1）鋰離子電池電極材料技術進展情況。自2000年以來，鋰離子電極材料相關專利申請數(shù)量一直穩(wěn)定上升。2010-2013年間，從355件新增到近900件。到2018年，約40%電極專利均涉及鋰離子技術。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、質量能量密度等性能和降低成本的限制因素。體積能源密度關于便攜式設備至關重要；體積能量密度和質量能量密度均對電動汽車極為重要，必須確保與內燃機汽車的性能和成本相當，同時保持車輛重量。具體技術進展如表1所示。

（2）鋰離子電池正極材料和負極材料專利申請趨勢。目前，鋰離子電池技術挑戰(zhàn)重點已從提高體積能量密度和穩(wěn)定性轉向提高質量能量密度、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年間新增了400%。鋰離子負極材料專利在過去十年上升了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極。然而，石墨負極也有其局限性，如鋰的嵌入能力差。鋰合金是目前第二大最常用的負極材料，在2011-2018年期間專利數(shù)上升了四倍。

（3）鋰離子電池相關專利申請機構所占份額差異明顯。2014-2018年，鋰離子電池前15位申請機構中，電極材料和固態(tài)電池相關專利數(shù)占比略低于一般鋰離子技術。不同領域申請機構所占份額差異很大（尤其是正極材料），前15位機構在重要材料如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。鋰離子技術中78%的專利來自于大公司，但中小公司、大學和公共研究機構在新興技術領域中也扮演著重要角色，如大學和公共研究機構在鋰及其合金負極（23%）和LFP（21%）領域具有優(yōu)勢，中小公司對NCA（20%）技術擁有一定優(yōu)勢。

六、其他新興技術進展

（1）氧化還原液流電池技術發(fā)展情況。氧化還原液流電池的創(chuàng)新最近幾年才出現(xiàn)，該領域專利申請數(shù)量在2012年幾乎翻了一番，到2018年已達到166項。2000-2018年，中小公司、大學和公共研究機構在氧化還原液流電池技術發(fā)展中扮演著重要的角色，占該領域所有申請專利的近一半。排名前五的機構在該領域專利總占比為18%，明顯低于一般電池領域（28%）。美國在氧化還原液流電池領域占主導地位，2000-2018年占該領域專利份額的1/3，其次是歐洲（23.7%）和日本（19.2%）。

（2）超級電容器技術發(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)展重要集中在靜電超級電容器以及混合型、贗電容型和電化學超級電容器。2006年以來，納米管和石墨烯電極是一個不斷上升的創(chuàng)新領域。除靜電超級電容器（大型公司專利占比達81.2%），超級電容器的大部分創(chuàng)新來自中小公司和公共研究機構。從超級電容器創(chuàng)新區(qū)域來看，日本是明顯的領先者。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。

EPO和IEA公布《全球電池和電力儲能技術專利分析》報告