中國儲能網(wǎng)訊：
作者：曹志成 1 周開運 2朱家立 2劉高明 2嚴慜 2湯舜 1曹元成 1程時杰 1張煒鑫 1
單位：1. 華中科技大學(xué)； 2. 國家電網(wǎng)湖州供電公司
引用：曹志成,周開運,朱家立等.鋰離子電池儲能系統(tǒng)消防技術(shù)的中國專利分析[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2022,11(08):2664-2670.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0253
摘 要 以鋰離子電池為代表的電化學(xué)儲能技術(shù)當(dāng)前進入了快速發(fā)展期，在我國能源消費結(jié)構(gòu)調(diào)整和可再生能源比例提升方面具有重要意義。儲能消防技術(shù)是鋰離子電池儲能系統(tǒng)規(guī)模化應(yīng)用的安全保障。為了解儲能消防技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀，本工作以國家知識產(chǎn)權(quán)局公布的專利檢索與分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)中的儲能消防領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)據(jù)為分析對象，以滅火劑(A62D)、儲能用消防裝置(A62C)以及儲能消防策略和邏輯方法(G06K)為主要內(nèi)容，探討了儲能消防技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展，并從專利年限分布、專利技術(shù)分布、專利地域分析及主要申請人4方面進行總結(jié)分析。結(jié)果表明，儲能消防技術(shù)及其應(yīng)用總體呈快速增長態(tài)勢，其中消防裝置研發(fā)專利申請占比多，專用滅火劑研發(fā)處于高質(zhì)量發(fā)展期，消防機制設(shè)計仍處于緩慢增長期。北方地區(qū)申請單位以高校和事業(yè)單位居多，而南方地區(qū)申請單位以商業(yè)公司居多，這與電化學(xué)儲能商業(yè)化應(yīng)用水平是分不開的，總體上儲能系統(tǒng)消防技術(shù)仍需要主要研發(fā)單位的引領(lǐng)探索。可以預(yù)見儲能系統(tǒng)消防技術(shù)專利量仍然會保持發(fā)展態(tài)勢，相關(guān)政策及市場結(jié)合將持續(xù)激發(fā)技術(shù)研發(fā)活力。
關(guān)鍵詞 電化學(xué)儲能；專利；鋰離子電池；消防技術(shù)
1 電化學(xué)儲能系統(tǒng)及其消防技術(shù)
1.1 儲能系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀
在“碳達峰、碳中和”的綠色建設(shè)背景下，儲能成為支撐能源轉(zhuǎn)型和新型電力系統(tǒng)建設(shè)的重要手段。鋰離子電化學(xué)儲能裝機量增長迅猛。儲能系統(tǒng)可支撐電源側(cè)新能源電力與傳統(tǒng)發(fā)電模式協(xié)同優(yōu)化發(fā)展，提高新能源的配置水平；強化電網(wǎng)側(cè)的調(diào)頻、調(diào)壓、頂峰、事故備用、黑啟動等特殊功能能力，提升系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平；滿足消費端多元化、精細化、定制化用能需求，培育能源消費新形態(tài)，具有重要作用。近年來，電化學(xué)儲能系統(tǒng)的核心技術(shù)不斷突破，應(yīng)用需求不斷拓展，電化學(xué)儲能系統(tǒng)整體呈現(xiàn)加速發(fā)展趨勢，2020年內(nèi)新增電化學(xué)儲能裝機突破1 GW，累計裝機占非抽水儲能裝機總量的86%。2021年國家及各地方“十四五”規(guī)劃相繼出爐，電化學(xué)儲能裝機規(guī)劃在建規(guī)模超過30 GW[2]。圖1展示了2020年國內(nèi)電化學(xué)儲能裝機規(guī)模排名靠前省份，數(shù)據(jù)來源于中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會2021年5月發(fā)布的《2021儲能產(chǎn)業(yè)應(yīng)用研究報告》。表1展示了“十四五”電化學(xué)儲能發(fā)展規(guī)劃中各地方出臺的多個儲能支持政策及電化學(xué)儲能相關(guān)規(guī)模，數(shù)據(jù)來源于中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟。
圖1 2020年國內(nèi)電化學(xué)儲能裝機主要省份及裝機量
表1 各地方出臺“十四五”規(guī)劃文件電化學(xué)儲能裝機量
1.2 儲能系統(tǒng)消防技術(shù)需求
以鋰離子電池為代表的電化學(xué)儲能技術(shù)由于其循環(huán)性能好、無記憶效應(yīng)、比能量高等優(yōu)點，成為目前電力儲能領(lǐng)域裝機容量增長最快的儲能技術(shù)，截至2020年底，鋰離子電池的累計裝機規(guī)模占電化學(xué)儲能裝機規(guī)模的80.6%，且正在不斷擴大。但目前鋰離子電池仍未達到本質(zhì)安全，一旦電池處于內(nèi)外短路、過充過放、過熱擠壓等條件下，就有可能引發(fā)內(nèi)部電解液和電極材料的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，進而進入不可控的電池?zé)崾Э剡M程。集裝箱式鋰離子電池儲能系統(tǒng)是以鋰離子電池為基礎(chǔ)的大規(guī)模儲能單元集成體，由于儲能系統(tǒng)中鋰離子電池的集群規(guī)模，大規(guī)模鋰離子電池儲能系統(tǒng)的撲救相較傳統(tǒng)火災(zāi)存在消除單元熱失控、防止大規(guī)模熱失控蔓延導(dǎo)致連鎖反應(yīng)等特殊要求，一旦某一儲能單元發(fā)生火災(zāi)，將會引起相鄰多臺儲能單元的連鎖火災(zāi)反應(yīng)甚至箱體爆炸，火災(zāi)荷載大、危險性高且難于撲救，造成重大的財產(chǎn)損失。2018年7月2日，韓國靈巖發(fā)生一起大規(guī)模儲能系統(tǒng)著火事故，其中，708 m2建筑及3500多個電池被燒毀，經(jīng)濟虧損約46億韓元。美國亞利桑那州APS公司的電池儲能系統(tǒng)于2019年4月19日發(fā)生起火爆炸，此次事故除了造成巨大的經(jīng)濟損失外，還致使4名消防員受傷。如表2所示，全世界范圍內(nèi)鋰離子電池儲能火災(zāi)安全事故時有發(fā)生，造成了重大的財產(chǎn)損失。
表2 全球鋰離子電池儲能電站火災(zāi)事故不完全統(tǒng)計
儲能系統(tǒng)的消防安全問題已成為制約鋰離子電池儲能大規(guī)模推廣的關(guān)鍵瓶頸，隨著鋰離子電池儲能系統(tǒng)加速從示范應(yīng)用落地商業(yè)化拓展，迫切需要針對儲能系統(tǒng)消防技術(shù)進行研究與開發(fā)。
無論是從推動新能源電力在現(xiàn)有電力結(jié)構(gòu)下的拓展，保障電化學(xué)儲能系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，還是從保證人民生命財產(chǎn)安全，堅持環(huán)境友好和可持續(xù)發(fā)展的初衷來看，儲能系統(tǒng)消防相關(guān)技術(shù)已然成為當(dāng)前新能源產(chǎn)業(yè)研究的熱點領(lǐng)域之一，國內(nèi)外學(xué)者也從不同技術(shù)層面對儲能系統(tǒng)消防技術(shù)進行了研究和綜述。如圖2所示，儲能系統(tǒng)消防技術(shù)主要研究方向包括儲能系統(tǒng)消防裝置開發(fā)、儲能消防機制設(shè)計和針對鋰離子電池的新型滅火劑開發(fā)，其中消防機制開發(fā)是指側(cè)重對儲能單元的健康狀態(tài)進行監(jiān)測并能夠在電池?zé)崾Э匕l(fā)生各階段進行響應(yīng)的邏輯方法；消防裝置和滅火劑開發(fā)則是側(cè)重消防應(yīng)急響應(yīng)速度和消防效果，保證對儲能單元熱異常和外部環(huán)境的靈敏度和即時響應(yīng)能力，確保消防效果。然而，這些技術(shù)在相關(guān)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用情況很難從相關(guān)文獻中獲取。因此，有必要從知識產(chǎn)權(quán)的角度對現(xiàn)有儲能系統(tǒng)消防技術(shù)，特別是上述3個主要方向的工程化情況進行分析研究。
圖2 儲能系統(tǒng)消防技術(shù)主要領(lǐng)域
2 儲能系統(tǒng)消防技術(shù)相關(guān)專利申請情況
2.1 研究數(shù)據(jù)與方法
為了獲得國內(nèi)電化學(xué)儲能系統(tǒng)消防技術(shù)各方面的專利情況，選擇以國家知識產(chǎn)權(quán)局專利檢索系統(tǒng)(http://pss-system.cnipa.gov.cn/)進行檢索與分析，該平臺提供了一個免費的訪問數(shù)據(jù)庫，其中包含來自世界各地的約9000萬份專利文獻數(shù)據(jù)。為了檢索相關(guān)新型滅火劑、裝置及機制技術(shù)，分別以IPC分類號為(A62D1/A62C1、H01M10/G06K9)等，結(jié)合關(guān)鍵詞“鋰離子電池/鋰電池”“消防”“滅火”進行組合，對以相關(guān)IPC分類號為主、摘要欄輸入關(guān)鍵詞進行二次檢索，并核對檢索結(jié)果的專利摘要和說明得出儲能消防機制設(shè)計、儲能消防裝置設(shè)計和專用滅火劑設(shè)計方向的檢索結(jié)果。檢索結(jié)果如表3所示，專利檢索截止到2022年1月1日。經(jīng)篩選后得到相關(guān)專利191項，以此為基礎(chǔ)進行趨勢分析。
表3 主要技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠y(tǒng)計
2.2 儲能消防技術(shù)年度趨勢分析
趨勢分析是為了分析該領(lǐng)域?qū)＠暾堅诟髂甓壬暾垖＠麛?shù)量的趨勢變化，從而反映出申請時間、技術(shù)發(fā)展與落地情況。儲能系統(tǒng)消防技術(shù)及各技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埩侩S年度變化如圖3所示。
圖3 儲能系統(tǒng)消防相關(guān)專利年度申請趨勢
從圖3可以看出，儲能系統(tǒng)消防相關(guān)專利申請以發(fā)明專利為主，占總申請量的56.5%，還有發(fā)明授權(quán)專利18件，其余為實用新型。任何產(chǎn)品與技術(shù)都有其相關(guān)的發(fā)展階段，一般有技術(shù)萌芽期、技術(shù)發(fā)展期、技術(shù)成熟期、技術(shù)衰退期和技術(shù)復(fù)蘇期。本工作專利申請統(tǒng)計截至?xí)r間為2022年1月1日，截至該日期前，儲能系統(tǒng)消防技術(shù)主要經(jīng)歷了技術(shù)萌芽期和技術(shù)發(fā)展期。如圖3所示，關(guān)于儲能系統(tǒng)消防5項專利首先于2011年被提出。其后至2016年，總申請量并未出現(xiàn)明顯波動，這主要是由于儲能系統(tǒng)消防技術(shù)需求來自于電化學(xué)儲能發(fā)展的帶動，我國電化學(xué)儲能市場在2000—2010年還處于基礎(chǔ)研發(fā)和技術(shù)示范階段。2011年我國電化學(xué)儲能裝機量達到38.5 MW，于2015年突破100 MW，達到105.5 MW的總裝機量。2016年6月，國家能源局發(fā)布了《關(guān)于促進電儲能參與“三北”地區(qū)電力輔助服務(wù)補償(市場)機制試點工作的通知》，明確指出電化學(xué)儲能與機組聯(lián)合參與調(diào)峰調(diào)頻，承認發(fā)電側(cè)/用戶側(cè)儲能作為獨立市場主體地位，2016—2020年，儲能裝機規(guī)?？焖僭黾?，由于消防技術(shù)不完善、不成熟，國內(nèi)于本階段早期發(fā)生了一些儲能安全事故，引起了政策與市場的廣泛關(guān)注，國家也相繼出臺了一系列政策強調(diào)主體責(zé)任，顯著刺激了后期儲能系統(tǒng)消防技術(shù)的快速發(fā)展。
2.3 儲能消防技術(shù)領(lǐng)域分析
對儲能系統(tǒng)消防技術(shù)進行領(lǐng)域分析是為了解釋各類技術(shù)在不同領(lǐng)域的研究和應(yīng)用情況隨時間的變化以及相關(guān)技術(shù)的生長速度和成熟度。由檢索結(jié)果可以看出，儲能系統(tǒng)消防技術(shù)主要涉及以下幾個IPC分類技術(shù)領(lǐng)域：A62C(消防)、H01M(電池組結(jié)構(gòu)設(shè)計)、A62D(滅火用化學(xué)裝置及組合物)、G06K(數(shù)據(jù)識別)、G08B(信號報警裝置)。主要分布在A(生活必須)、H(電學(xué))、G(物理)下的幾個大類。其中，滅火劑研發(fā)主要集中在A62D中，消防裝置主要集中在A62C和H01M中，消防機制設(shè)計則集中于G08B和G06K中。由圖3中的各領(lǐng)域技術(shù)年分布可知，在消防裝置方面的專利申請數(shù)量自2016年后即增長明顯，常年保持32%以上的增長速度，遠超其他兩方面的研究與應(yīng)用。這是由于電化學(xué)儲能在擴展初期，面對不穩(wěn)定因素和安全風(fēng)險，亟需從裝置出發(fā)對消防安全事故提供保障。2021年北京豐臺區(qū)一儲能電站發(fā)生火災(zāi)，事故造成兩名消防員犧牲，一名員工失聯(lián)，一名消防員受傷，引起了社會各界廣泛關(guān)注。中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會、中國電力企業(yè)聯(lián)合會、中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟組織了多家相關(guān)企事業(yè)和研究單位開展了關(guān)于《儲能用鋰離子電池系統(tǒng)安全技術(shù)規(guī)范》《預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術(shù)規(guī)范》《鋰離子電池儲能系統(tǒng)狀態(tài)在線監(jiān)測與評價導(dǎo)則》的標(biāo)準(zhǔn)立項與制定，對電池系統(tǒng)安全等級做出詳細劃分，對安全技術(shù)水平提出一系列要求。在此期間，儲能系統(tǒng)消防的技術(shù)和專利研發(fā)更加傾向于滅火劑方向。
調(diào)查技術(shù)發(fā)明專利年申請量及在總申請量中的占比，是分析該領(lǐng)域技術(shù)水平和評價該領(lǐng)域技術(shù)階段的重要參考。如圖4所示，儲能系統(tǒng)消防技術(shù)在各個領(lǐng)域中的發(fā)明專利逐年增多，這說明我國對儲能消防與安全領(lǐng)域技術(shù)的重視程度在不斷提高，在市場和政策的雙重刺激下，我國在儲能系統(tǒng)消防領(lǐng)域的技術(shù)水平不斷提高：在針對儲能系統(tǒng)的滅火劑研發(fā)方面，發(fā)明專利數(shù)量不斷增長，說明其研究范圍逐漸擴大，研究層面逐漸加深。同時，發(fā)明專利占比基本保持了較高水平，說明在滅火劑研發(fā)領(lǐng)域，相關(guān)研究保持高水平發(fā)展；在消防裝置開發(fā)方面，發(fā)明專利在2020年之前同樣保持了高速增長的態(tài)勢。特別是其發(fā)明專利申請數(shù)量占專利總申請數(shù)量于2016年后一直保持在50%以上，在2021年發(fā)明專利占比仍能保持增長，說明裝置研發(fā)技術(shù)達到了技術(shù)瓶頸期，技術(shù)水平尚不成熟，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定可以為裝置研發(fā)技術(shù)指明發(fā)展方向。但是，在消防機制設(shè)計與開發(fā)領(lǐng)域，發(fā)明專利長期處于緩慢增長期，且發(fā)明專利在總專利占比不穩(wěn)定。雖然在2021年發(fā)明專利占比首次達到了66%，但仍然需要市場和政策的持續(xù)關(guān)注。
圖4 儲能系統(tǒng)消防各領(lǐng)域發(fā)明專利年申請量及占比
2.4 儲能消防技術(shù)主要申請人及地區(qū)分析
申請人員及發(fā)明人趨勢分析可以反映出不同申請人或主要研發(fā)人員對特定領(lǐng)域技術(shù)的關(guān)注度和研究技術(shù)水平，體現(xiàn)該領(lǐng)域的競爭者分布、科研水平。專利地區(qū)分布分析則可以定量評價一個地區(qū)在相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的研究情況，反映地區(qū)對該技術(shù)的重視程度及研究水平，并借此描述專利地圖。由于技術(shù)領(lǐng)域存在差別，分別以儲能系統(tǒng)消防技術(shù)下屬的3個領(lǐng)域進行分析。
由圖5(a)可知，我國大陸地區(qū)儲能系統(tǒng)消防技術(shù)專利主要來自北京(17.2%)、上海(6.2%)、天津(6.2%)、江蘇(12.6%)、浙江(5.2%)等經(jīng)濟較強的省和直轄市，其中，北京市相關(guān)技術(shù)研發(fā)重點為消防裝置開發(fā)，且其研發(fā)單位多為高?；蚴聵I(yè)單位，包括清華大學(xué)、國家電網(wǎng)有限公司、北京理工大學(xué)等，僅有2家商業(yè)公司申請了2項專利。天津市關(guān)于儲能系統(tǒng)消防技術(shù)的專利申請主體同樣有此特點。
圖5 (a) 儲能系統(tǒng)消防技術(shù)地域分布；(b) 相關(guān)領(lǐng)域?qū)＠饕暾埲?
我國南方部分省市在儲能消防技術(shù)領(lǐng)域的研究側(cè)重消防裝置開發(fā)，同時兼有滅火劑研制。且研發(fā)技術(shù)和專利申請主體多為商業(yè)公司，例如上海，12項專利中有2項分別來自上海消防研究所和同濟大學(xué)。說明我國南方省市在電化學(xué)儲能系統(tǒng)及其消防技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域的成果顯著。對比圖1中電化學(xué)儲能裝機量處于前列的省份，可以明顯得知廣東、江蘇及安徽在推廣電化學(xué)儲能系統(tǒng)的同時兼有大量相應(yīng)消防安全技術(shù)的研發(fā)，這與這些省份推廣電化學(xué)儲能技術(shù)商業(yè)化是分不開的。同時，我國西北地區(qū)作為在電源側(cè)推進能源轉(zhuǎn)型和新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主力軍，在大力發(fā)展新能源技術(shù)與大型電化學(xué)儲能系統(tǒng)應(yīng)用的同時，應(yīng)當(dāng)注重電化學(xué)儲能系統(tǒng)與其外圍支撐技術(shù)和安全保障技術(shù)的協(xié)同發(fā)展。
圖5(b)展示了儲能系統(tǒng)消防技術(shù)各領(lǐng)域的主要申請人，可以看出，關(guān)于儲能系統(tǒng)消防技術(shù)的專利申請主體和相關(guān)專利布局仍然主要來自高校研究所、事業(yè)單位、電力電池行業(yè)。其中，國家電網(wǎng)系統(tǒng)在儲能消防技術(shù)的裝置與系統(tǒng)研發(fā)、滅火劑開發(fā)方面都有較多布局且排名靠前，說明我國關(guān)于電化學(xué)儲能系統(tǒng)及相關(guān)支撐技術(shù)仍然處于商業(yè)化早期，需要有關(guān)單位的引領(lǐng)探索；其次，儲能系統(tǒng)消防各領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)及專利申請主體為清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、天津消防研究所等高校與研究所，說明相關(guān)技術(shù)對研究者的研究水平要求較高。應(yīng)當(dāng)推進產(chǎn)學(xué)研一體化進程，加快研究成果落地，為新能源產(chǎn)業(yè)推廣保駕護航。
3 結(jié) 論
本文利用知識產(chǎn)權(quán)相關(guān)分析方法分析了儲能系統(tǒng)消防技術(shù)及其各領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合相關(guān)政策引領(lǐng)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展對技術(shù)研發(fā)進程、技術(shù)分布和現(xiàn)狀進行了分析。將儲能系統(tǒng)消防技術(shù)專利分為消防裝置、消防系統(tǒng)和滅火劑3個方向，結(jié)果表明：①自2011年我國電化學(xué)儲能技術(shù)進入示范應(yīng)用期后，相關(guān)消防技術(shù)發(fā)展總體進入萌芽期。2015—2021年，隨著相關(guān)政策和文件的發(fā)布，儲能系統(tǒng)的市場化主體得到承認，儲能系統(tǒng)消防技術(shù)進入了快速發(fā)展期。截至2022年1月1日，相關(guān)專利申請量達到191件，總體上以發(fā)明專利為主；②在專利技術(shù)領(lǐng)域分布上，消防裝置研發(fā)是研究和專利申請的主要領(lǐng)域，以發(fā)明專利為主，并保持高速增長，2021年部分安全事件和各項標(biāo)準(zhǔn)的制定指出了消防裝置的發(fā)展瓶頸和發(fā)展方向。滅火劑領(lǐng)域發(fā)明專利占比一直處于高水平，且發(fā)明專利申請量保持增長，說明其研究范圍和研究深度在不斷擴大加深。在消防機制設(shè)計開發(fā)領(lǐng)域，發(fā)明專利長期處于緩慢增長期，且發(fā)明專利占比不穩(wěn)定；③我國儲能消防技術(shù)專利主要分布在北京、天津、江蘇、上海、浙江等省市。其中我國北方地區(qū)相關(guān)研究注重消防裝置研發(fā)，專利申請主體多為高校和事業(yè)單位。南方地區(qū)側(cè)重消防裝置研發(fā)，兼有滅火劑和系統(tǒng)開發(fā)，且申請主體多為商業(yè)公司，這與電化學(xué)儲能的商業(yè)化水平分不開。西北地區(qū)應(yīng)當(dāng)注意電化學(xué)儲能技術(shù)和外圍支撐保障技術(shù)的協(xié)同發(fā)展。儲能系統(tǒng)消防技術(shù)各領(lǐng)域主要申請人仍然是高校、研究所和國家電網(wǎng)系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)消防技術(shù)仍然需要引領(lǐng)和探索。
根據(jù)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，未來一段時間儲能系統(tǒng)消防領(lǐng)域的相關(guān)專利應(yīng)當(dāng)仍會逐年增加。根據(jù)行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，參照當(dāng)前技術(shù)路線，應(yīng)當(dāng)加強儲能系統(tǒng)消防技術(shù)在消防系統(tǒng)開發(fā)的薄弱點，保持消防裝置和滅火劑研發(fā)的增長態(tài)勢。通過政策與市場相結(jié)合，引導(dǎo)技術(shù)落地，激發(fā)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)活力，推動儲能系統(tǒng)消防技術(shù)的健康發(fā)展。
