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)明專利趨勢提供關鍵見解。
能源轉型的步伐越來越快，儲能技術作為能源系統(tǒng)重要的基礎設施之一，對世界清潔轉型至關重要。根據(jù)國際能源署的可持續(xù)發(fā)展設想，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，目前還沒有達到設想中的水平，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來減緩氣候變化，在尋找以可負擔的價格電力儲能的方法方面正在取得相當大的技術進展。
在這種情況下，專利信息被證明是一個重要的情報來源，可以預示哪些技術將在未來發(fā)揮突破性的作用。通過提供對新興趨勢的詳細洞察，這些數(shù)據(jù)將幫助該領域的創(chuàng)新者走在技術曲線的前面。
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行一場瘋狂的技術競賽，該領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%。
電池占電力儲存領域?qū)＠顒拥?8%，遠遠超過電氣(9%)、儲熱(5%)和機械(3%)解決方案。盡管所有這些領域在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)在電池技術上，因此突出了電池在最近的電力存儲創(chuàng)新領域的主導地位。
自2005年以來，鋰離子技術一直在推動電池技術的創(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技術。2018年，鋰離子電池的創(chuàng)新占到與電池相關的專利活動的45%，相比之下，基于其他化學物質(zhì)的電池僅占7.3%。大約48%的發(fā)明與非特定化學的發(fā)明有關。
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成分，主要是調(diào)整電池負極的組成，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)揮了關鍵作用。 在過去十年中，電池制造和電池相關工程開發(fā)的專利活動增加了三倍。 這兩個領域在2018年與電池相關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)新者在這一領域的目標應用提供了見解。 近年來，電池包的專利活動的增長速度快于電池。 這表明技術的成熟程度，因為人們的注意力已從這項技術背后的基礎科學轉向如何優(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。
固定應用領域的創(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的多功能性，并突出了這些不同應用之間的協(xié)同作用，對一個應用程序的改進可能對其他應用程序產(chǎn)生積極影響。
亮點二：日本和韓國正在引領全球電池技術競賽，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導的七家日本公司，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域的長期領導者，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域的創(chuàng)新活動，重點是汽車應用。三星在汽車電池領域也占有重要地位，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方面的強大領導地位。日本在2000年代已經(jīng)在世界范圍內(nèi)鋪平了道路，但在過去十年中進一步加強了其領先地位?？偛吭O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，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，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。
在過去的十年里，中國發(fā)明家對電力儲能創(chuàng)新的顯著增長負有責任。在電池領域，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。這反映了中國近年來對電動汽車制造的貢獻。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，日本在電池技術上的領先地位并沒有轉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，但在固定電池領域處于領先地位。固定電池可用于電網(wǎng)服務，并可用于建筑物的表后應用。
對于2014-2018年，這一指標揭示了在電池技術創(chuàng)新競賽中領先的區(qū)域之間的鮮明對比。韓國和日本在這一領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負極化學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，鋰離子目前是領先的電池技術，占2010-2018年所有電池相關IPF的38%。 與鋰離子技術相關的高水平的發(fā)明活性，一方面是由于不同電池應用的性能標準不同，另一方面是由于目前缺乏對每個應用的主導電池電池設計。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)新主要通過電池負極、正極和電解質(zhì)的改變，這些是電池中儲存和傳導電能的主要元素。
發(fā)明競爭主要集中在鋰離子電池負極上，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域相同的負極：鋰鈷氧化物(LCO)和鋰錳氧化物(LMO)。從那以后，焦點轉移到其他化學物質(zhì)，包括NMC，磷酸鐵鋰(LFP)和最近的鋰鎳鈷鋁氧化物(NCA)，由于技術挑戰(zhàn)從最大限度地提高能量密度和穩(wěn)定性轉向提高比能量（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%，在所有技術領域，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年可以觀察到進一步的增長動力，增長16.6%?？傮w而言，2000年至2018年，與電力儲存相關的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技術即電池的進步所主導，在2000年至2018年期間，與電能存儲相關的十分之九的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用。
剩下的兩類蓄電技術—熱力蓄電和機械蓄電技術—分別只占與蓄電有關的所有IPFS的5%和3%。機械能存儲結合了幾種存儲原理，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，相應領域的技術相對成熟。因此，這些領域的技術進展主要是漸進式革新，這可以解釋文件所記錄的IPF數(shù)量相對較少的原因。
盡管大家的基礎不同，所有領域都經(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。只有電池儲能技術領域在2018年再創(chuàng)新高，進一步鞏固了其在儲能創(chuàng)新領域的領先地位。
在電池技術領域，自2000年以來的技術發(fā)展主要得益于電池單元層面的創(chuàng)新。2014年至2017年間，與電池相關的IPF數(shù)量停滯在每年約4100個，2018年與電池相關的IPF數(shù)量增加到4851（+17.5%），幾乎占當年所有電池相關發(fā)展的四分之三。其他顯著的發(fā)展包括自2000年以來在電池熱管理和電池與設備集成方面取得的技術進步，這兩項技術都是促進電池在新工業(yè)中使用的關鍵應用程序。
對與電池單元相關的IPF子集進行更深入的分析，可以提供更多信息，并揭示行業(yè)的關鍵動態(tài)。對于大多數(shù)關鍵的電池化學產(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，正是鋰離子技術推動了電池技術的創(chuàng)新。鋰離子是目前便攜式電子產(chǎn)品和電動汽車的主導技術。2018年，該領域的創(chuàng)新活動占電池電池專利活動的45%，而基于其他化學物質(zhì)的電池專利活動僅占7.3%。剩下的48%與非特定化學的發(fā)明有關。
數(shù)據(jù)表明，汽車行業(yè)落后于電池組相關發(fā)明活動的增長，特別是在2009年之后。2011年，這一領域的發(fā)明活動超過了將電池集成到便攜式應用的相關領域，而在這之前，便攜式應用一直是領先的應用領域。2017-2018年，與電動汽車相關的創(chuàng)新活動恢復增長，共記錄了736個IPF。固定應用方面的發(fā)展一直是三個應用領域中最小的，但在很大程度上停滯不前。
當便攜式應用的鋰離子技術的改進幫助電動車應用的電池價格和性能，隨著電動汽車應用的工業(yè)化，這種溢出效應現(xiàn)在可以在汽車應用和固定應用之間看到。
22%與汽車用電池組相關的IPF也可用于其他兩個應用領域。雖然汽車和便攜式應用之間的溢出相對較小，但在汽車和固定應用之間的溢出效應尤其強烈，與固定應用的電池組相關的近90%的IPF也與汽車應用相關。
關于溢出效應的進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領域“巨人的肩膀上”。這具有政策含義，因為規(guī)避風險的政策制定者可能會選擇用各種各樣的應用來激勵這些技術的發(fā)展。
鋰離子電池的設計和負極類型有很多種，材料成分不同，同一種負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的出現(xiàn)。
鋰離子電池也是一種相對緊湊、復雜的設備，其構造不可拆卸，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，所有這些都進一步增加了復雜性。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行適當?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)成本的進一步降低將進一步提高電池存儲的競爭力。在充分利用二次使用的技術潛力的情況下，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)有電池進行重新利用，而且價值鏈在技術上是復雜的。盡管如此，一個由原始設備制造商、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的發(fā)展密切相關。21世紀初，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不同子領域的各自份額。三星、松下和LG電子幾乎在所有領域都名列前茅。三星在單元級創(chuàng)新方面處于領先地位，占該領域所有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%），與其他化學物質(zhì)相比，它在鋰技術方面表現(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，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技術（電池組)方面。豐田在這些領域擁有類似的職位，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產(chǎn)品。富士康，一家臺灣公司，在電池電池電池領域沒有很強的影響力，但在最終應用的電池組集成領域顯示出強大的技術專長。
電池技術領域?qū)I(yè)知識的多樣性為不同公司之間、公司與大學之間、公司與公共研究機構之間的研發(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）之間都有合作關系。
值得注意的是，公司與大學或公共研究機構之間的合作努力。例如，富士康和清華大學在中國的合作申請，或豐田和日本國立先進工業(yè)科學技術研究所的聯(lián)合申請，都證明了公共研究機構和企業(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)、大學和公共研究機構。2000-2018年，CEA共有358個IPF，占大學和公共研究機構提交的IPF的大多數(shù)，其次是四個亞洲研究機構，即清華大學（141個IPF）、工業(yè)技術研究院（Chinese Tapei，125個IPF），韓國科學技術研究所（102個IPF）和日本國立研究所（93 IPF）。
申請人的簡介在電池技術的各個子領域之間也有很大差異。 中小企業(yè)和大學在與電池應用更密切相關的領域的比例要低得多，例如集成和熱管理。 相反，它們的貢獻在源頭創(chuàng)新方面更高，特別是在鋰離子的替代化學物質(zhì)方面。 在這一領域，大學占知識產(chǎn)權框架的21%，中小企業(yè)占16%。
在公司中，2000-2018年，70%的知識產(chǎn)權屬于IPF發(fā)布之日20年以上的實體所有，這意味著，多達30%的知識產(chǎn)權由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)（進入和退出）與突破性技術的產(chǎn)生之間的聯(lián)系，這是一個值得進一步關注的領域。因此，進一步的工作可以更詳細地探討這些聯(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/公共研究機構）。
電池技術創(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發(fā)明者的地理分布。日本在這兩個最大、最具活力的領域遙遙領先，其與電池相關的IPFs份額(40.9%)和與電力存儲相關的IPFs份額(47.1%)超過了第二大和第三大創(chuàng)新中心在這兩個領域的總和。韓國、歐洲和美國在這兩個領域的排名位居第二：它們在電池領域的IPFs份額大致相當，而美國和歐洲在電力儲能領域領先于韓國。相比之下，在機械和儲熱領域，歐洲發(fā)明家占據(jù)著非常有利的地位。
在歐洲，電池技術創(chuàng)新主要由德國主導，在2008-2012年，德國大幅提高了其領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行，小公司（日本為3.4%，韓國為4.6%）和大學或研究機構（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)和大學的貢獻要大得多（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%，大學和公共研究機構占12.7%。因此，歐洲國家是SME和大學的第二大IPF來源國，僅次于美國，盡管與電池相關的IPF數(shù)量僅排在第四位。
鋰離子化學的最新進展
2000年至2018年間，鋰離子技術的高水平創(chuàng)新活動就占據(jù)了電池技術所有IPF的40%，部分原因是不同電池應用的性能標準不同，而目前缺乏一種主導的電池組設計，適合各種應用場合。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)和工程領域的創(chuàng)新加以改進，但它們的理論極限是由存儲和傳導電能的核心部件——電池電極和電解液—所定義的。因此，本章側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（正極和負極）材料有關的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。
鋰離子電池的負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)品相同的負極：鋰鈷氧化物(LCO)和鋰錳氧化物(LMO)。自那時以來，由于技術挑戰(zhàn)從最大限度地提高能量密度和穩(wěn)定性轉向提高比能量（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的領先設計在近幾年取得了令人印象深刻的改進，根據(jù)現(xiàn)有應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?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注。NCA化學是基于NMC背后的相同化學原理，NCA電池已經(jīng)被松下和特斯拉用于電動汽車。其他領先的公司，如特斯拉和比亞迪將改進的lfp電池引入市場。該領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年更接近成熟負極化學的水平。
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性能，通常被用作商業(yè)鋰離子電池(特別是便攜式設備)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域，在這一領域，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險。固態(tài)電導率高，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)應用，并可能產(chǎn)生溢出效應，這將有助于使這些電池在其他應用中具有競爭力。
綜上所述，2014-2018年鋰離子電池領域前15名申請者在電極材料和固態(tài)電池相關IPFs中所占的份額略低于鋰離子技術相關的總體份額(表7.2)。然而，各子領域申請者的份額差異較大，特別是陰極材料，主要化學領域如NMC(50.6%)和LMO(44.5%)中IPFs的累積份額較高，新興領域如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)在許多領域都占據(jù)強勢地位，但它們在所有領域的活躍程度并不平等。LG電子和三星在與LCO相關的IPFs中都占有很高的份額，LCO是電子學領域建立已久的陰極化學。此外，三星在負極用NMC和NCA、正極用硅及其合金領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的豐田(Toyota)，以及在正極的LTO和LMO方面擁有領先地位的東芝(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%)方面占主導地位，在LCO方面與韓國不相上下，占IPFs的28%。與鋰離子技術的全球地位相一致，韓國LCO排名第一(30%)，其他領域排名第二。美國緊隨其后，在這些領域的表現(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：液流電池與超級電容
當前有其它兩種儲能技術迅速出現(xiàn)。首先，液流電池可以為某些應用提供一種更安全、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存儲技術的范疇，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極遷移到正極，電子從負極流向負極，然后通過外部電路(例如外部設備)到達正極，最終到達正極。
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，這一領域的指規(guī)數(shù)幾乎翻了一番，到2018年達到166個。液流電池可以有不同的化學成分，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)、大學和公共研究機構在發(fā)展液流技術方面仍扮演重要角色。在2000年至2018年期間，它們占該領域所有IPF的近一半，這是一個動態(tài)和新興技術領域的典型趨勢。綜合來看，前五名申請者在該領域的IPFs份額(18%)明顯低于電池領域的整體份額(28%)。日本住友電氣工業(yè)公司遙遙領先，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領域進入前十的公司。
在此背景下，與液流電池相關的IPFs的地理分布與鋰離子相關IPFs的地理分布顯著不同。美國是主導創(chuàng)新中心，2000-2018年，美國創(chuàng)新中心的IPFs數(shù)量占該領域創(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反應。然而，近年來，一些混合溶液的電與電化學儲存方法已經(jīng)發(fā)展起來。電容器的一些關鍵優(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，以及它們在風能、太陽能、火車和飛機上的應用。
21世紀初，超級電容器的技術有了重大發(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,技術的改進混合，贗電容器導致ipf的增加,2018年達到每年200。在超級電容器中使用納米管和石墨烯電極是過去20年來該領域另一個不斷增長的創(chuàng)新領域，記錄的ipf數(shù)量從21世紀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。這證實了超級電容器是另一個充滿活力的新興領域儲藏室。差不多了在混合、贗電容器領域，25%的IPF由大學和公共研究機構產(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IPF的13.5%，突顯出這一快速增長的技術領域創(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領域，而松下在混合動力、贗電容器和電化學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域處于領先地位。
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%。它的主導地位在于其在靜電超級電容器領域的地位，在該領域，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、電化學超級電容器市場份額最高。
