2020年9月，由歐洲專利局與國際能源署聯(lián)合撰寫的《電池和電池儲能的創(chuàng)新—基于專利數(shù)據(jù)的全球分析》報告正式對外發(fā)布，為電力儲能的高價值發(fā)明專利趨勢提供關(guān)鍵見解。
能源轉(zhuǎn)型的步伐越來越快，儲能技術(shù)作為能源系統(tǒng)重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，對世界清潔轉(zhuǎn)型至關(guān)重要。根據(jù)國際能源署的可持續(xù)發(fā)展設(shè)想，2040年整個能源系統(tǒng)需要的儲能規(guī)模為10000GWh，而目前的需求僅為200GWh。
就現(xiàn)在的儲能部署和性能而言，目前還沒有達(dá)到設(shè)想中的水平，走上實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的軌道。但鑒于對電動交通日益增長的需求和日益依賴可再生能源供應(yīng)來減緩氣候變化，在尋找以可負(fù)擔(dān)的價格電力儲能的方法方面正在取得相當(dāng)大的技術(shù)進(jìn)展。
在這種情況下，專利信息被證明是一個重要的情報來源，可以預(yù)示哪些技術(shù)將在未來發(fā)揮突破性的作用。通過提供對新興趨勢的詳細(xì)洞察，這些數(shù)據(jù)將幫助該領(lǐng)域的創(chuàng)新者走在技術(shù)曲線的前面。
本文摘自國際能源署的《電池和電池儲能的創(chuàng)新—基于專利數(shù)據(jù)的全球分析》報告，編譯時略有刪減，供各位讀者參考。
三大亮點
亮點一：過去十年來，電力儲存方面的專利活動比一般的專利活動增長得快得多，這表明在這一領(lǐng)域出現(xiàn)了一系列創(chuàng)新，首先是鋰離子電池，尤其是電動汽車。
報告指出，在過去十年里，全球范圍內(nèi)針對電池和電力儲能正在進(jìn)行一場瘋狂的技術(shù)競賽，該領(lǐng)域的專利申請在迅速飆升，年均增長率為14%，而全球經(jīng)濟活動專利申請的數(shù)據(jù)為3.5%。
電池占電力儲存領(lǐng)域?qū)＠顒拥?8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電氣(9%)、儲熱(5%)和機械(3%)解決方案。盡管所有這些領(lǐng)域在2012年之前都經(jīng)歷了快速增長，但從那時起，創(chuàng)新的增長只持續(xù)在電池技術(shù)上，因此突出了電池在最近的電力存儲創(chuàng)新領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。
自2005年以來，鋰離子技術(shù)一直在推動電池技術(shù)的創(chuàng)新。鋰離子電池目前是便攜式電子產(chǎn)品和電動汽車的主導(dǎo)技術(shù)。2018年，鋰離子電池的創(chuàng)新占到與電池相關(guān)的專利活動的45%，相比之下，基于其他化學(xué)物質(zhì)的電池僅占7.3%。大約48%的發(fā)明與非特定化學(xué)的發(fā)明有關(guān)。
專利率的這些趨勢與價格變動相吻合。 自1995年以來，消費電子產(chǎn)品的鋰離子電池價格下降了90%以上%。對于電動汽車，鋰離子電池的價格自2010年以來下降了近90%，而對于固定應(yīng)用，包括電網(wǎng)管理，同期下降了約三分之二。這些成本的降低部分是由于新的化學(xué)成分，主要是調(diào)整電池負(fù)極的組成，以及制造業(yè)的規(guī)模經(jīng)濟。
然而，正如專利統(tǒng)計中清楚顯示的那樣，創(chuàng)新制造工藝也發(fā)揮了關(guān)鍵作用。 在過去十年中，電池制造和電池相關(guān)工程開發(fā)的專利活動增加了三倍。 這兩個領(lǐng)域在2018年與電池相關(guān)的所有專利活動中占近一半（47%），這清楚地表明了該行業(yè)的成熟和高效工業(yè)化對大規(guī)模生產(chǎn)的戰(zhàn)略重要性。
電池通常被組裝成電池組，這些電池組被配置為為提供所需的電壓、容量或電源以供最終使用。雖然不同的應(yīng)用程序，如移動解決方案和智能手機，可以使用相同的單元格，但電池包有所不同。
因此，電池組的專利活動為創(chuàng)新者在這一領(lǐng)域的目標(biāo)應(yīng)用提供了見解。 近年來，電池包的專利活動的增長速度快于電池。 這表明技術(shù)的成熟程度，因為人們的注意力已從這項技術(shù)背后的基礎(chǔ)科學(xué)轉(zhuǎn)向如何優(yōu)化其交付，以滿足高要求的商業(yè)市場。
從2000年代中期到2010年，便攜式應(yīng)用程序（通常在消費電子產(chǎn)品中）是主要驅(qū)動因素。電動汽車的專利在2011年超過了消費電子產(chǎn)品，而便攜式電子電池組設(shè)計的專利在這一次之后趨于平穩(wěn)，電動汽車專利繼續(xù)以更大的活力增長。
固定應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新增長更為緩慢，2010年和2011年的增長僅有兩年。然而，這仍然證明了鋰離子技術(shù)的多功能性，并突出了這些不同應(yīng)用之間的協(xié)同作用，對一個應(yīng)用程序的改進(jìn)可能對其他應(yīng)用程序產(chǎn)生積極影響。
亮點二：日本和韓國正在引領(lǐng)全球電池技術(shù)競賽，推動其他國家在電池價值鏈的特定部分發(fā)展競爭優(yōu)勢。
在與電池相關(guān)的IPF背后的十大全球申請者中，有九個位于亞洲。其中包括由松下和豐田領(lǐng)導(dǎo)的七家日本公司，以及兩家韓國公司三星和LG電子。博世，一家德國公司，是唯一的非亞洲申請人的排名。從2014年到2018年，僅日本就擁有所有鋰離子專利活動41%的發(fā)明者。
雖然松下(Panasonic)和索尼(Sony)等日本公司是這一領(lǐng)域的長期領(lǐng)導(dǎo)者，但在過去十年里，其他頂級申請者只增加了他們的創(chuàng)新活動，這與鋰離子在車輛中的使用相關(guān)的專利活動增加相吻合。在此期間，LG電子、豐田、日產(chǎn)和博世等公司迅速增加了電池領(lǐng)域的創(chuàng)新活動，重點是汽車應(yīng)用。三星在汽車電池領(lǐng)域也占有重要地位，但其專利增長更多地集中在便攜式電子產(chǎn)品上。
對IPFs地理來源的更廣泛分析證實了日本在電池技術(shù)方面的強大領(lǐng)導(dǎo)地位。日本在2000年代已經(jīng)在世界范圍內(nèi)鋪平了道路，但在過去十年中進(jìn)一步加強了其領(lǐng)先地位?？偛吭O(shè)在日本的公司和發(fā)明家在2018年創(chuàng)造了所有與電池相關(guān)的IPF的三分之一以上。
盡管落后于日本，但韓國、歐洲、美國和中國也為全球做出了重大貢獻(xiàn)，這一增長在韓國最快，該國在2010-2011年超過了歐洲和美國，在2018年位居第二，僅次于日本。
在歐洲，電力儲存的創(chuàng)新主要由德國主導(dǎo)，僅德國就占源自歐洲的IPF的一半以上。與日本、韓國和中國不同，歐洲和美國的電池創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)涉及較大比例的小公司和大學(xué)。
在過去的十年里，中國發(fā)明家對電力儲能創(chuàng)新的顯著增長負(fù)有責(zé)任。在電池領(lǐng)域，中國在2018年幾乎趕上了歐洲，現(xiàn)在對美國做出了類似的貢獻(xiàn)。這反映了中國近年來對電動汽車制造的貢獻(xiàn)。2011年，中國銷售了5,000輛電動汽車，占全球電動汽車市場的11%。2019年，中國汽車銷量為110萬輛，占全球市場的50%。
相比之下，日本在電池技術(shù)上的領(lǐng)先地位并沒有轉(zhuǎn)化為一個巨大的國內(nèi)電動汽車市場，到2019年，日本僅占全球市場的2%，盡管一些非插電式混合動力汽車(如豐田普銳斯)提供了鋰離子電池。韓國擁有類似的電動汽車市場，但在固定電池領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。固定電池可用于電網(wǎng)服務(wù)，并可用于建筑物的表后應(yīng)用。
對于2014-2018年，這一指標(biāo)揭示了在電池技術(shù)創(chuàng)新競賽中領(lǐng)先的區(qū)域之間的鮮明對比。韓國和日本在這一領(lǐng)域有著非常強大的專業(yè)化，而美國、中國和歐洲國家則不那么專業(yè)化。
亮點三：NMC負(fù)極化學(xué)自電動汽車推出以來，在鋰離子電池方面取得了最具創(chuàng)新性的突破，但潛在的破壞性競爭對手正在大公司之外出現(xiàn)，并且具有更多的區(qū)域差異。
在專利活動方面，鋰離子目前是領(lǐng)先的電池技術(shù)，占2010-2018年所有電池相關(guān)IPF的38%。 與鋰離子技術(shù)相關(guān)的高水平的發(fā)明活性，一方面是由于不同電池應(yīng)用的性能標(biāo)準(zhǔn)不同，另一方面是由于目前缺乏對每個應(yīng)用的主導(dǎo)電池電池設(shè)計。例如，智能手機、電動工具、電動汽車和實用規(guī)模的固定電池都有不同的要求能量和功率密度、耐久性、材料成本、靈敏度和穩(wěn)定性的公差。 雖然其中一些特點可以通過制造和工程方面的創(chuàng)新來改善，但創(chuàng)新主要通過電池負(fù)極、正極和電解質(zhì)的改變，這些是電池中儲存和傳導(dǎo)電能的主要元素。
發(fā)明競爭主要集中在鋰離子電池負(fù)極上，因為它們是決定能量密度和降低成本的限制因素。能量密度——每單位電池容量可儲存的能量——對于便攜式設(shè)備來說非常重要，例如，為了確保智能手機仍然只需要每天充電一次，盡管其應(yīng)用的能源需求不斷增加。然而，對于電動汽車來說，能量密度更為重要，它必須與內(nèi)燃機汽車的性能和成本PK。
10多年前推出的第一款系列生產(chǎn)電動汽車使用了與控制消費電子領(lǐng)域相同的負(fù)極：鋰鈷氧化物(LCO)和鋰錳氧化物(LMO)。從那以后，焦點轉(zhuǎn)移到其他化學(xué)物質(zhì)，包括NMC，磷酸鐵鋰(LFP)和最近的鋰鎳鈷鋁氧化物(NCA)，由于技術(shù)挑戰(zhàn)從最大限度地提高能量密度和穩(wěn)定性轉(zhuǎn)向提高比能量（單位質(zhì)量能量）、耐久性、功率輸出、充放電速度和可回收性。這一趨勢可以從專利數(shù)據(jù)中看出，LCO專利活動在2005年是NMC的兩倍，但在2011年被NMC所取代，NMC專利活動在2009年至2018年上升了400。通過比較，同期LCO專利增長了200%。今天，NMC通常被認(rèn)為在短期內(nèi)具有最佳的電動汽車潛力，研究人員正在繼續(xù)研究如何降低鈷的比例，這在很大程度上決定了總體成本和可持續(xù)性。
電力儲能的主要專利趨勢
2000年至2018年間，全球?qū)＠稚暾埩?5000多份電力存儲領(lǐng)域的IPF。IPF的年度數(shù)量幾乎呈指數(shù)級增長，從2000年的1000個增加到2013年的5800多個。2005年以后的年增長率為14%，在所有技術(shù)領(lǐng)域，這一增長明顯超過了IPF的年均增長率（3.5%）。
然而，增長率并不是一成不變的。電力存儲中的IPF數(shù)量在2012年之前呈指數(shù)級增長，隨后幾年趨于穩(wěn)定。2018年可以觀察到進(jìn)一步的增長動力，增長16.6%。總體而言，2000年至2018年，與電力儲存相關(guān)的IPF數(shù)量年增長了7倍，而同期所有部門的每年IPF數(shù)量僅翻了一番。
電能存儲的創(chuàng)新在很大程度上由電化學(xué)技術(shù)即電池的進(jìn)步所主導(dǎo)，在2000年至2018年期間，與電能存儲相關(guān)的十分之九的IPFS都是電池。第二重要的類別，電氣儲能，在同一時期占所有電力儲存IPF數(shù)量的另外9%。這一類包括超導(dǎo)儲能和超級電容器，它們的能量密度有限，但功率密度和效率比電池高，被用于電動汽車或電網(wǎng)管理的快速充放電應(yīng)用。
剩下的兩類蓄電技術(shù)—熱力蓄電和機械蓄電技術(shù)—分別只占與蓄電有關(guān)的所有IPFS的5%和3%。機械能存儲結(jié)合了幾種存儲原理，如抽水蓄能，壓縮空氣，飛輪儲能和蓄冷。機械存儲和儲熱的主要原理眾所周知，相對于電池和電存儲解決方案，相應(yīng)領(lǐng)域的技術(shù)相對成熟。因此，這些領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)展主要是漸進(jìn)式革新，這可以解釋文件所記錄的IPF數(shù)量相對較少的原因。
盡管大家的基礎(chǔ)不同，所有領(lǐng)域都經(jīng)歷了每年ipf數(shù)量的強勁增長，從2000年到2012年左右，電池增長了400%，機械儲能增長了1000%。然而，從那時起，除了電池以外的所有領(lǐng)域都停滯不前，甚至出現(xiàn)了下降，因此失去了相對的份額。只有電池儲能技術(shù)領(lǐng)域在2018年再創(chuàng)新高，進(jìn)一步鞏固了其在儲能創(chuàng)新領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。
在電池技術(shù)領(lǐng)域，自2000年以來的技術(shù)發(fā)展主要得益于電池單元層面的創(chuàng)新。2014年至2017年間，與電池相關(guān)的IPF數(shù)量停滯在每年約4100個，2018年與電池相關(guān)的IPF數(shù)量增加到4851（+17.5%），幾乎占當(dāng)年所有電池相關(guān)發(fā)展的四分之三。其他顯著的發(fā)展包括自2000年以來在電池?zé)峁芾砗碗姵嘏c設(shè)備集成方面取得的技術(shù)進(jìn)步，這兩項技術(shù)都是促進(jìn)電池在新工業(yè)中使用的關(guān)鍵應(yīng)用程序。
對與電池單元相關(guān)的IPF子集進(jìn)行更深入的分析，可以提供更多信息，并揭示行業(yè)的關(guān)鍵動態(tài)。對于大多數(shù)關(guān)鍵的電池化學(xué)產(chǎn)品，包括鉛酸、液流和鎳電池，專利申請活動一直在上升。然而，自2005年以來，正是鋰離子技術(shù)推動了電池技術(shù)的創(chuàng)新。鋰離子是目前便攜式電子產(chǎn)品和電動汽車的主導(dǎo)技術(shù)。2018年，該領(lǐng)域的創(chuàng)新活動占電池電池專利活動的45%，而基于其他化學(xué)物質(zhì)的電池專利活動僅占7.3%。剩下的48%與非特定化學(xué)的發(fā)明有關(guān)。
數(shù)據(jù)表明，汽車行業(yè)落后于電池組相關(guān)發(fā)明活動的增長，特別是在2009年之后。2011年，這一領(lǐng)域的發(fā)明活動超過了將電池集成到便攜式應(yīng)用的相關(guān)領(lǐng)域，而在這之前，便攜式應(yīng)用一直是領(lǐng)先的應(yīng)用領(lǐng)域。2017-2018年，與電動汽車相關(guān)的創(chuàng)新活動恢復(fù)增長，共記錄了736個IPF。固定應(yīng)用方面的發(fā)展一直是三個應(yīng)用領(lǐng)域中最小的，但在很大程度上停滯不前。
當(dāng)便攜式應(yīng)用的鋰離子技術(shù)的改進(jìn)幫助電動車應(yīng)用的電池價格和性能，隨著電動汽車應(yīng)用的工業(yè)化，這種溢出效應(yīng)現(xiàn)在可以在汽車應(yīng)用和固定應(yīng)用之間看到。
22%與汽車用電池組相關(guān)的IPF也可用于其他兩個應(yīng)用領(lǐng)域。雖然汽車和便攜式應(yīng)用之間的溢出相對較小，但在汽車和固定應(yīng)用之間的溢出效應(yīng)尤其強烈，與固定應(yīng)用的電池組相關(guān)的近90%的IPF也與汽車應(yīng)用相關(guān)。
關(guān)于溢出效應(yīng)的進(jìn)一步研究可以利用引文數(shù)據(jù)來確定創(chuàng)新者在多大程度上建立在其他技術(shù)領(lǐng)域“巨人的肩膀上”。這具有政策含義，因為規(guī)避風(fēng)險的政策制定者可能會選擇用各種各樣的應(yīng)用來激勵這些技術(shù)的發(fā)展。
鋰離子電池的設(shè)計和負(fù)極類型有很多種，材料成分不同，同一種負(fù)極類型的制造商的成分也可能不同。與對材料本身的主要需求一樣，回收鋰離子材料和組件的吸引力將取決于化學(xué)成分的組合，以及鋰空氣電池或固態(tài)電池等根本不同技術(shù)的出現(xiàn)。
鋰離子電池也是一種相對緊湊、復(fù)雜的設(shè)備，其構(gòu)造不可拆卸，而且通常不可回收。與其他電池不同的是，更大的電池組（如為電動車供電的電池組）可以包含數(shù)千個電池，以及傳感器、安全裝置、熱管理和其他控制電池運行的電路，所有這些都進(jìn)一步增加了復(fù)雜性。例如，鉛酸電池很容易拆卸。鉛約占電池重量的三分之二，易于分離和提取。在目前的系統(tǒng)中，幾乎100%的鉛被回收利用。
目前有兩種主流的回收策略?；鸱ㄒ苯穑ㄈ蹮挘┰O(shè)備使用高溫工藝回收銅、鎳和鈷。有機化合物、塑料以及鋰和鋁是不可回收的。濕法冶金也被稱為化學(xué)浸出法，其資金和能源消耗較少，能夠回收鋰，但在浸出過程中可依賴大量對環(huán)境有害的化學(xué)物質(zhì)。
不使用浸出劑的直接回收方法不僅有助于提高回收利用率，而且有可能通過更快的途徑將電池重新用于其他用途。這些方法各不相同，但通常依靠物理分離電池組件，例如通過粉碎電池和根據(jù)密度回收材料。從鋰離子電池中分選、拆卸和回收貴重材料的自動化和機器人程序也有望提高效率。
目前使用火法冶金法和濕法冶金法的回收設(shè)施，與使用初級原材料制造的電池相比，可能會增加電動汽車電池的溫室氣體足跡(約為10%)。為了減少回收過程中的溫室氣體足跡，還需要采取提高能源效率的措施、使用較少能源的回收過程，以及對需要回收利用或可直接重新利用的電池部件進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆诸惡头蛛x。
電池梯次利用是可持續(xù)發(fā)展的一個基本策略。尤其可以受益于不再適合汽車應(yīng)用的電池的延長壽命，但這并不會妨礙電池在靜止環(huán)境中發(fā)揮作用。
梯次電池的可用性和系統(tǒng)成本的進(jìn)一步降低將進(jìn)一步提高電池存儲的競爭力。在充分利用二次使用的技術(shù)潛力的情況下，成本的降低將使電池在2040年比現(xiàn)在便宜70%，并在2040年部署約540GW的電池存儲。
然而，到目前為止，為電池再利用創(chuàng)造價值鏈的經(jīng)驗是稀缺的。新電池制造繼續(xù)享受著強大的規(guī)模經(jīng)濟效益和整體效率的提高，這不利于對現(xiàn)有電池進(jìn)行重新利用，而且價值鏈在技術(shù)上是復(fù)雜的。盡管如此，一個由原始設(shè)備制造商、電力公司和第三方組成的行業(yè)正在興起，其中還包括一些規(guī)模較小的新興公司。與電池回收相關(guān)的專利行為水平相對較低，2000年至2018年期間總共只有436個IPFs。
這一趨勢與電池技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。21世紀(jì)初，IPFs的數(shù)量大約為10個，到2012年增加到40多個，并在2018年之前一直保持在這個水平。
隨著鋰離子電池的數(shù)量持續(xù)增長，材料價格可能會上漲，變得更加不穩(wěn)定，進(jìn)一步提高環(huán)境性能的壓力可能會成為現(xiàn)實。這可以使通過回收利用回收的材料更具競爭力，并挖掘技術(shù)上可回收的潛力，從而減少對原材料的需求、溫室氣體排放以及采礦和加工材料的影響。
各大電池企業(yè)的專利分析
頂級申請者在電池技術(shù)不同子領(lǐng)域的各自份額。三星、松下和LG電子幾乎在所有領(lǐng)域都名列前茅。三星在單元級創(chuàng)新方面處于領(lǐng)先地位，占該領(lǐng)域所有IPF的9.1%，在單元級制造中占8.7%，在單元級工程中占11.9。它在電池集成創(chuàng)新方面也非?；钴S（8.7%），與其他化學(xué)物質(zhì)相比，它在鋰技術(shù)方面表現(xiàn)出很強的專業(yè)化。與三星一樣，LG電子主要專注于鋰離子化學(xué)，在電池制造方面相對專業(yè)化（7.4%)，并將其集成到電池組(7.2%)等設(shè)備中。松下有一個更多樣化和平衡的投資組合，在鋰離子和其他化學(xué)物質(zhì)方面都有相對較強的地位（在這兩種情況下均占指規(guī)數(shù)的7.1）。
其他公司有更專門的專利組合。例如，博世的優(yōu)勢不是在電池層面的發(fā)展，而是在熱管理和集成相關(guān)技術(shù)（電池組)方面。豐田在這些領(lǐng)域擁有類似的職位，但在電池制造方面也擁有強大的專利組合。日本公司GS Yuasa和Sumitomo Electric Industries都傾向于專門從事鋰離子的替代化學(xué)產(chǎn)品。富士康，一家臺灣公司，在電池電池電池領(lǐng)域沒有很強的影響力，但在最終應(yīng)用的電池組集成領(lǐng)域顯示出強大的技術(shù)專長。
電池技術(shù)領(lǐng)域?qū)I(yè)知識的多樣性為不同公司之間、公司與大學(xué)之間、公司與公共研究機構(gòu)之間的研發(fā)合作提供了機會。利用專利申請中包含的信息，有可能與共同申請者（包括外國公司）確定幾個IPF的例子。例如，博世和三星共同提交了600多個ipf的申請。2008年，SB-D和LiMotive兩個公司在開發(fā)混合動力汽車和混合動力汽車方面也有合作關(guān)系。例如，韓國汽車制造商起亞（KIA）和現(xiàn)代（Hyundai），日本松下（Panasonic）和豐田（Toyota），以及GS Yuasa和本田（Honda）之間都有合作關(guān)系。
值得注意的是，公司與大學(xué)或公共研究機構(gòu)之間的合作努力。例如，富士康和清華大學(xué)在中國的合作申請，或豐田和日本國立先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所的聯(lián)合申請，都證明了公共研究機構(gòu)和企業(yè)之間的合作。在許多國家，鼓勵公私合作的政策激勵措施已經(jīng)到位，值得進(jìn)一步研究這種合作的好處。
自2000年以來，排名前25位的申請者在所有與電池相關(guān)的ipf中所占比例略低于一半（47%）。這一比例在過去五年中略有上升，而前十名申請者的累計份額也在類似程度上下降。這種創(chuàng)新活動集中度略有下降的趨勢是老牌企業(yè)和新企業(yè)之間相互作用的直接結(jié)果：老牌創(chuàng)新者仍保持其重要地位，但在過去十年中，新興企業(yè)（如LG電子、豐田和博世）的創(chuàng)新迅速增加改進(jìn)電動汽車的電池。這也表明，電池市場仍在增長，行業(yè)尚未達(dá)到成熟時通?？梢杂^察到的集中化趨勢。
盡管有逐漸的多元化趨勢，電池技術(shù)的創(chuàng)新仍然主要集中在有限的幾家非常大的公司中，在2000年至2018年期間，這些公司在與電池相關(guān)的所有IPF中占據(jù)了約80%的穩(wěn)定份額（圖5.4）。剩下的份額幾乎平均分配給中小企業(yè)、大學(xué)和公共研究機構(gòu)。2000-2018年，CEA共有358個IPF，占大學(xué)和公共研究機構(gòu)提交的IPF的大多數(shù)，其次是四個亞洲研究機構(gòu)，即清華大學(xué)（141個IPF）、工業(yè)技術(shù)研究院（Chinese Tapei，125個IPF），韓國科學(xué)技術(shù)研究所（102個IPF）和日本國立研究所（93 IPF）。
申請人的簡介在電池技術(shù)的各個子領(lǐng)域之間也有很大差異。 中小企業(yè)和大學(xué)在與電池應(yīng)用更密切相關(guān)的領(lǐng)域的比例要低得多，例如集成和熱管理。 相反，它們的貢獻(xiàn)在源頭創(chuàng)新方面更高，特別是在鋰離子的替代化學(xué)物質(zhì)方面。 在這一領(lǐng)域，大學(xué)占知識產(chǎn)權(quán)框架的21%，中小企業(yè)占16%。
在公司中，2000-2018年，70%的知識產(chǎn)權(quán)屬于IPF發(fā)布之日20年以上的實體所有，這意味著，多達(dá)30%的知識產(chǎn)權(quán)由20歲以下的公司備案，其中大部分在發(fā)布之日實際上不到10年。雖然過去十年，老公司持有的知識產(chǎn)權(quán)份額保持相對穩(wěn)定，但10歲至20歲之間的公司份額幾乎翻了一番，2018年上升至18%，非常年輕公司（不到10歲）的份額也有所下降。
考慮到公司動態(tài)（進(jìn)入和退出）與突破性技術(shù)的產(chǎn)生之間的聯(lián)系，這是一個值得進(jìn)一步關(guān)注的領(lǐng)域。因此，進(jìn)一步的工作可以更詳細(xì)地探討這些聯(lián)系，以及專利在多大程度上根據(jù)組織特征（如申請人年齡和類型）而不同（例如，公司與大學(xué)/公共研究機構(gòu)）。
電池技術(shù)創(chuàng)新的地理起源
下圖顯示了2000-2018年電池發(fā)明者的地理分布與其他儲能技術(shù)發(fā)明者的地理分布。日本在這兩個最大、最具活力的領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先，其與電池相關(guān)的IPFs份額(40.9%)和與電力存儲相關(guān)的IPFs份額(47.1%)超過了第二大和第三大創(chuàng)新中心在這兩個領(lǐng)域的總和。韓國、歐洲和美國在這兩個領(lǐng)域的排名位居第二：它們在電池領(lǐng)域的IPFs份額大致相當(dāng)，而美國和歐洲在電力儲能領(lǐng)域領(lǐng)先于韓國。相比之下，在機械和儲熱領(lǐng)域，歐洲發(fā)明家占據(jù)著非常有利的地位。
在歐洲，電池技術(shù)創(chuàng)新主要由德國主導(dǎo)，在2008-2012年，德國大幅提高了其領(lǐng)先于其他歐洲國家的優(yōu)勢。在2000年至2018年期間，僅德國就占了來自歐洲的指規(guī)數(shù)的一半以上，在前25個電池申請企業(yè)中，5個歐洲實體中有4個來自德國。法國是歐洲第二大最具創(chuàng)新能力的國家，2000-2018年與電池相關(guān)的IPFs占不到1%，前25名中只有一個實體(CEA)。
在過去五年中，歐洲和美國在電池創(chuàng)新方面的相對貢獻(xiàn)有所下降，但它們在國際合作發(fā)明方面的參與卻在同期上升(歐洲從8.3%上升到8.5%，美國從11.8%上升到12.4%)。此外，它們的大部分國際研究合作都是相互進(jìn)行的:40%的歐洲合作發(fā)明和55%的美國合作發(fā)明來自跨大西洋合作，亞洲的研究合作伙伴只發(fā)揮了很小的作用。由于國際研究合作是企業(yè)“進(jìn)入”全球前沿的重要工具，深入研究這種合作與隨后的創(chuàng)新活動之間的聯(lián)系將提供有價值的見解。
相比之下，隨著中國電池創(chuàng)新的迅速崛起，中國涉及外國共同發(fā)明者的ipf數(shù)量急劇下降(從13.2%降至6.6%)。這可能是由于中國的創(chuàng)新越來越少地依賴外國支持，以及中國越來越多的專業(yè)知識和對本土發(fā)明的依賴。同樣韓國的外國共同發(fā)明人比例從2.9%降至1.8%，日本從2.0%降至1.7%。
對申請人特征的進(jìn)一步分析也揭示了亞洲國家之間以及美國和歐洲之間的一些差異。日本和韓國的創(chuàng)新活動主要由大公司或非常大的公司進(jìn)行，小公司（日本為3.4%，韓國為4.6%）和大學(xué)或研究機構(gòu)（日本為3.5%，韓國為9.0%）提供了相對較小的創(chuàng)新活動。相比之下，美國中小企業(yè)和大學(xué)的貢獻(xiàn)要大得多（分別為34.4%和13.8%）。歐洲國家也是如此，盡管程度較低，中小企業(yè)占15.9%，大學(xué)和公共研究機構(gòu)占12.7%。因此，歐洲國家是SME和大學(xué)的第二大IPF來源國，僅次于美國，盡管與電池相關(guān)的IPF數(shù)量僅排在第四位。
鋰離子化學(xué)的最新進(jìn)展
2000年至2018年間，鋰離子技術(shù)的高水平創(chuàng)新活動就占據(jù)了電池技術(shù)所有IPF的40%，部分原因是不同電池應(yīng)用的性能標(biāo)準(zhǔn)不同，而目前缺乏一種主導(dǎo)的電池組設(shè)計，適合各種應(yīng)用場合。例如，智能手機、電動工具、電動汽車和公用事業(yè)規(guī)模的固定電池對能量和功率密度、耐久性、材料成本、靈敏度和穩(wěn)定性有不同的要求。雖然這些特性中的一些可以通過制造業(yè)和工程領(lǐng)域的創(chuàng)新加以改進(jìn)，但它們的理論極限是由存儲和傳導(dǎo)電能的核心部件——電池電極和電解液—所定義的。因此，本章側(cè)重于這些核心要素的最新發(fā)展。
自2000年以來，與鋰離子電池電極（正極和負(fù)極）材料有關(guān)的IPFs數(shù)量一直以幾乎穩(wěn)定的速度增加。2010年至2013年期間出現(xiàn)了極快的增長期，期間指規(guī)數(shù)從355個增加到近900個。在2018年，大約40%的鋰離子IPF與電極的創(chuàng)新有關(guān)。
鋰離子電池的負(fù)極一直是最激烈的發(fā)明競爭的焦點，因為它是決定能量密度（每單位電池體積可儲存的能量量）、比能量（每單位電池質(zhì)量可儲存的能量量）和成本降低的限制因素。能量密度對于便攜式設(shè)備非常重要，例如，為了確保智能手機每天只需充電一次，盡管其應(yīng)用程序的能源需求不斷增加。然而，對于電動汽車來說，能量密度和比能量更為重要，它必須在控制車輛重量的同時，與內(nèi)燃機車的性能和成本相匹配。
10多年前推出的第一款系列生產(chǎn)電動汽車使用了與主要用于消費電子產(chǎn)品相同的負(fù)極：鋰鈷氧化物(LCO)和鋰錳氧化物(LMO)。自那時以來，由于技術(shù)挑戰(zhàn)從最大限度地提高能量密度和穩(wěn)定性轉(zhuǎn)向提高比能量（單位質(zhì)量能量）、耐久性、功率輸出、充放電速度和可回收性，重點轉(zhuǎn)向了其他組合物，包括NMC和LFP。
這一趨勢可以從專利數(shù)據(jù)中看出：LCO專利活動在2005年是NMC的兩倍，但在2011年被NMC所取代，2009年至2018年間NMC專利活動增加了400%。相比之下，同期LCO專利僅增長了200%。今天，NMC通常被認(rèn)為在短期內(nèi)具有最佳的電動汽車潛力，研究人員正在繼續(xù)研究如何降低鈷的比例，這在很大程度上決定了總體成本和可持續(xù)性。
盡管NMC的領(lǐng)先設(shè)計在近幾年取得了令人印象深刻的改進(jìn)，根據(jù)現(xiàn)有應(yīng)用量身定制電池性能，并根據(jù)成本改變金屬的使用比例，但NMC本身有望在適當(dāng)?shù)臅r候被取代。特別是NCA作為一種有前途的替代方案日益受到關(guān)注。NCA化學(xué)是基于NMC背后的相同化學(xué)原理，NCA電池已經(jīng)被松下和特斯拉用于電動汽車。其他領(lǐng)先的公司，如特斯拉和比亞迪將改進(jìn)的lfp電池引入市場。該領(lǐng)域的專利活動水平仍然有限，但已從2010年之前的幾乎為零增長到2018年更接近成熟負(fù)極化學(xué)的水平。
鋰離子正極的創(chuàng)新也在上升。在過去的十年中，碳材料產(chǎn)生的IPF最多，2010年至2015年間創(chuàng)新增長了200%。這種材料，特別是石墨，由于其成本低、易獲得性好和良好的電化學(xué)性能，通常被用作商業(yè)鋰離子電池(特別是便攜式設(shè)備)的正極活性材料。然而，石墨正極也有其局限性，如鋰的嵌入能力差，為替代正極材料的出現(xiàn)打開了大門。鋰合金金屬(如鋰鋁和鋰硅)是目前第二大最常用的正極材料。
固態(tài)電解質(zhì)是專利活動的另一個主要領(lǐng)域，在這一領(lǐng)域，專利活動在不斷增長，自2010年以來，專利活動平均每年增長25%。2018年，尋找下一代鋰離子電池的新趨勢占所有專利活動的8%以上。電解質(zhì)是鋰離子技術(shù)發(fā)明的焦點，而2010年這一比例為3%。目前，正在努力尋找替代品，以期找到替代品，以解決現(xiàn)有設(shè)備中現(xiàn)有鋰離子電池（包括低鋰離子電池）中使用的液體或聚合物凝膠電解質(zhì)的一些缺點，這些缺點會帶來易燃性風(fēng)險。固態(tài)電導(dǎo)率高，在電解質(zhì)/電解質(zhì)上的接觸電阻高，具有較高的能量比和電極界面，但目前材料價格昂貴。預(yù)計未來十年，固態(tài)電解質(zhì)將在電動汽車上得到商業(yè)應(yīng)用，并可能產(chǎn)生溢出效應(yīng)，這將有助于使這些電池在其他應(yīng)用中具有競爭力。
綜上所述，2014-2018年鋰離子電池領(lǐng)域前15名申請者在電極材料和固態(tài)電池相關(guān)IPFs中所占的份額略低于鋰離子技術(shù)相關(guān)的總體份額(表7.2)。然而，各子領(lǐng)域申請者的份額差異較大，特別是陰極材料，主要化學(xué)領(lǐng)域如NMC(50.6%)和LMO(44.5%)中IPFs的累積份額較高，新興領(lǐng)域如NCA(27.9%)和LFP(29%)中IPFs的累積份額相對較小。這種模式很常見，說明新興領(lǐng)域更容易吸引新入者和新競爭。
盡管排名前兩名的LG電子(LG Electronics)和三星(Samsung)在許多領(lǐng)域都占據(jù)強勢地位，但它們在所有領(lǐng)域的活躍程度并不平等。LG電子和三星在與LCO相關(guān)的IPFs中都占有很高的份額，LCO是電子學(xué)領(lǐng)域建立已久的陰極化學(xué)。此外，三星在負(fù)極用NMC和NCA、正極用硅及其合金領(lǐng)域擁有強大的立足點。選擇性專業(yè)化的趨勢也可以在其他一些頂級申請者中看到，比如在固態(tài)電池創(chuàng)新方面做出巨大貢獻(xiàn)的豐田(Toyota)，以及在正極的LTO和LMO方面擁有領(lǐng)先地位的東芝(Toshiba)。
已建立的電極材料中，IPF的地理起源傾向于確認(rèn)鋰離子創(chuàng)新的全球排名。日本在NMC(47%)、LMO(51%)和LTO(50%)方面占主導(dǎo)地位，在LCO方面與韓國不相上下，占IPFs的28%。與鋰離子技術(shù)的全球地位相一致，韓國LCO排名第一(30%)，其他領(lǐng)域排名第二。美國緊隨其后，在這些領(lǐng)域的表現(xiàn)優(yōu)于鋰離子創(chuàng)新的總體表現(xiàn)。與此相反，歐洲國家在所有類別中的地位都不大，甚至同它們在所有鋰離子指規(guī)數(shù)中所占的份額相比也是如此。
兩大新興技術(shù)：液流電池與超級電容
當(dāng)前有其它兩種儲能技術(shù)迅速出現(xiàn)。首先，液流電池可以為某些應(yīng)用提供一種更安全、更耐用和更可擴展的鋰離子電池替代方案。 其次，超級電容器可以通過滿足快速充放電等特定需求來補充鋰離子電池。
雖然液流電池屬于電化學(xué)存儲技術(shù)的范疇，但它們與普通電池有幾個不同之處。液流電池使用多孔電極代替固體或固定形式的電極，其中活性物質(zhì)以含有氧化還原活性物質(zhì)的正極和負(fù)極液體溶液的形式流動。這些溶液儲存在兩個容器中，每個容器循環(huán)到其中一個電極上。在放電過程中，離子通過離子交換膜從負(fù)極遷移到正極，電子從負(fù)極流向負(fù)極，然后通過外部電路(例如外部設(shè)備)到達(dá)正極，最終到達(dá)正極。
液流電池的創(chuàng)新直到最近才在專利申請中顯現(xiàn)出來。 2012年，這一領(lǐng)域的指規(guī)數(shù)幾乎翻了一番，到2018年達(dá)到166個。液流電池可以有不同的化學(xué)成分，釩是最常用的氧化還原活性陽離子。 這也可以在專利數(shù)據(jù)中看到。
中小企業(yè)、大學(xué)和公共研究機構(gòu)在發(fā)展液流技術(shù)方面仍扮演重要角色。在2000年至2018年期間，它們占該領(lǐng)域所有IPF的近一半，這是一個動態(tài)和新興技術(shù)領(lǐng)域的典型趨勢。綜合來看，前五名申請者在該領(lǐng)域的IPFs份額(18%)明顯低于電池領(lǐng)域的整體份額(28%)。日本住友電氣工業(yè)公司遙遙領(lǐng)先，緊隨其后的是兩家美國航空航天公司洛克希德·馬丁公司和聯(lián)合科技公司，以及一家只在該領(lǐng)域運營的較小的英國公司Acal Energy。LG電子在榜單上排名第五，是唯一一家在所有電池技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)入前十的公司。
在此背景下，與液流電池相關(guān)的IPFs的地理分布與鋰離子相關(guān)IPFs的地理分布顯著不同。美國是主導(dǎo)創(chuàng)新中心，2000-2018年，美國創(chuàng)新中心的IPFs數(shù)量占該領(lǐng)域創(chuàng)新中心總量的近三分之一，其次是歐洲，占23.7%。日本以19.2%的IPFs排名第三。
超級電容器，也被稱為超級電容，屬于儲能類，因為它們通常不涉及化學(xué)反應(yīng)。然而，近年來，一些混合溶液的電與電化學(xué)儲存方法已經(jīng)發(fā)展起來。電容器的一些關(guān)鍵優(yōu)勢是它們可以在幾秒鐘內(nèi)充電和放電，而且不會隨著時間的推移而失去存儲能力。然而，它們不能像電池那樣儲存大量的電能。這使得超級電容器主要適合作為電池的補充，適用于重視能量爆發(fā)超過存儲介質(zhì)容量的應(yīng)用。
大多數(shù)超級電容器目前用于汽車、工業(yè)能源和電子部門，因為它們的成本相對較高，而且在潛在用戶中不太引人注目。超級電容器市場仍在增長，主要是由于電梯和混合動力電動汽車市場的再生制動系統(tǒng)銷量增長，以及它們在風(fēng)能、太陽能、火車和飛機上的應(yīng)用。
21世紀(jì)初，超級電容器的技術(shù)有了重大發(fā)展，每年產(chǎn)生約100個IPFs，到2017年，這個數(shù)字已經(jīng)增加到每年超過500個IPFs。早期的開發(fā)主要集中在雙層靜電超級電容器，以及混合、偽和電化學(xué)超級電容器。意見的相對吸引力這些類型的超級電容器出現(xiàn)分化,然而,剩下的ipf靜電超級電容器在停滯不前水平自2006年以來,技術(shù)的改進(jìn)混合，贗電容器導(dǎo)致ipf的增加,2018年達(dá)到每年200。在超級電容器中使用納米管和石墨烯電極是過去20年來該領(lǐng)域另一個不斷增長的創(chuàng)新領(lǐng)域，記錄的ipf數(shù)量從21世紀(jì)初的幾乎為零上升到2018年的169個。與電池不同，用于超級電容器的固態(tài)電解質(zhì)的研發(fā)并沒有增加，自2013年以來ipf的數(shù)量一直徘徊在50個左右。
靜電超級電容器是一個由大公司主導(dǎo)的類別，占所有IPF的81.2%，除此之外，超級電容器中相對較大的創(chuàng)新份額來自中小企業(yè)和公共研究機構(gòu)。這證實了超級電容器是另一個充滿活力的新興領(lǐng)域儲藏室。差不多了在混合、贗電容器領(lǐng)域，25%的IPF由大學(xué)和公共研究機構(gòu)產(chǎn)生，超級電容器用納米管/石墨烯電極的比例升至34.8%。
前五名申請者僅占超級電容器相關(guān)IPF的13.5%，突顯出這一快速增長的技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新集中度較低。在這些申請者中，有4家總部位于日本，1家位于韓國，松下公司居首，三星和豐田緊隨其后。豐田將其創(chuàng)新活動集中在靜電超級電容器上，這是一個更為成熟的技術(shù)領(lǐng)域，而松下在混合動力、贗電容器和電化學(xué)超級電容器方面占據(jù)著強勢地位。三星在采用納米管和石墨烯電極的超級電容器領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。
其地理來源的分布與電池非常相似。日本是明顯的領(lǐng)先者，在2000年至2018年公布的所有IPF中，日本幾乎占了50%。它的主導(dǎo)地位在于其在靜電超級電容器領(lǐng)域的地位，在該領(lǐng)域，它產(chǎn)生了近三分之二的ipf。美國以18.2%的市場份額排名第二，這得益于美國在混合、贗電、電化學(xué)超級電容器、固態(tài)電解質(zhì)和納米管/石墨烯電極超級電容器領(lǐng)域的強勢地位。歐洲超級電容器市場份額為13.6%，其中混合、贗電、電化學(xué)超級電容器市場份額最高。
