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近日，歐洲專利局（EPO）和國際能源署（IEA）聯合發布《全球電池和電力儲能技術創新專利分析》報告指出，電池和儲能領域的專利申請在過去10年中大幅增長，年增長率為14%，在儲能領域中電池專利占據高達90%的份額，創新主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 先進能源科技戰略情報研究中心 ID：CASEnergy
電動汽車的發展推動了新型鋰離子電池技術的創新，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作用
（1）全球儲能技術發展低迷。可持續發展情景下，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年實現凈零排放。2020年儲能技術發展無法滿足可持續發展情景要求，電網級儲能發展十年來首次減緩。電動汽車技術發展正步入正軌，未來十年預計持續呈指數增長，2040年充電樁數量將達到目前的100倍。
（2）可持續發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。可持續發展情景下，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10 000吉瓦時。
（3）電動汽車電池創新有利于儲能技術發展。儲能未來發展的一個關鍵因素是：電動汽車技術發展能在多大程度上影響電網規模儲能電池。鑒于電動汽車電池的市場規模已經是電網規模電池的10倍，創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作用。目前，約60%的電網規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NMC 811。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有可能滿足電力部門的要求。2019年，由于中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）電池產能過剩，轉而用于電網規模儲能。
（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指數級增長。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，大多數儲能技術用于住宅、商業和工業部門。根據可持續發展情景，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、電力儲能專利申請主要趨勢分析
儲能相關技術主要包括四類：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增長。2000-2018年，全球電力儲能技術專利族申請量超過6.5萬項，呈指數級增長。2005年以后電力儲能相關專利族申請量年均增長14%，遠超所有技術領域專利申請年均增長率（3.5%）。2012年之前，電力儲能相關專利族數量呈指數級增長，隨后幾年趨于穩定。2018年再次顯著增長，增長率達到16.6%。總體而言，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新。電力儲能創新主要由電化學技術（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增長強勁，與2000年相比，電化學（電池）技術專利申請增長超過400%，機械儲能增長超過1000%。但2012年以后，除電池外，其他技術都停滯不前甚至下降。
（3）過去十年里電池創新相關專利申請活躍。2000年以來，電池技術主要由電池單元創新推動。2018年專利族數量同比增長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的45%。2009年以后，電池組技術在汽車應用領域發展活躍。盡管汽車領域在過去十年里占據電池應用主導，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）亞洲企業在電池技術創新中占領先地位。電池技術創新主要來自亞洲，全球前10名申請機構中亞洲企業占9個，前25名中亞洲企業占2/3。三星幾乎在所有電池技術領域都名列前茅；松下擁有更加多樣化和平衡的投資組合，在鋰離子和其他電池領域都擁有相對較強的地位（專利族數量占比平均為7.1%）；中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）電池技術創新主要集中在大型企業。過去五年，排名靠前企業的電池技術創新活力略有下降。電池技術創新仍主要集中在大型企業，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年以上的企業。過去十年，成立10-20年的企業提交專利數量占比幾乎翻番，2018年已上升至18%。
四、電池技術創新區域分析
（1）全球電池技術創新區域分布。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的總和。在機械儲能和熱儲能領域，歐洲處于優勢地位。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，中國電池技術創新顯著增長，2018年專利申請數量已超越美國。歐洲電池技術創新主要由德國主導，其電池技術專利申請數量占據歐洲的一半以上。
（2）日本在電池創新技術中占據絕對優勢。韓國和日本在電池創新的專業化方面處于世界領先地位，而美國、中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，中國在電池創新領域的迅速崛起伴隨著中國涉外合作專利數量急劇下降（13.2%降至6.6%）。日本和韓國的電池創新主要由大企業主導，美國主要以中小企業和大學/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量一直穩定增長。2010-2013年間，從355件增加到近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。體積能源密度對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重點已從提高體積能量密度和穩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專利申請數量是NMC的兩倍，但在2011年被NMC超越，NMC的專利申請數在2009-2018年間增加了400%。鋰離子負極材料專利在過去十年增長了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年期間專利數增長了四倍。
（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，電極材料和固態電池相關專利數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位機構在主要材料如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%的專利來自于大企業，但中小企業、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%）領域具有優勢，中小企業對NCA（20%）技術擁有一定優勢。
六、其他新興技術進展
（1）氧化還原液流電池技術發展情況。氧化還原液流電池的創新最近幾年才出現，該領域專利申請數量在2012年幾乎翻了一番，到2018年已達到166項。2000-2018年，中小企業、大學和公共研究機構在氧化還原液流電池技術發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）超級電容器技術發展情況。2000年以來超級電容器有了重大發展，2017年專利申請量增至500多項。早期發展主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增長的創新領域。除靜電超級電容器（大型企業專利占比達81.2%），超級電容器的大部分創新來自中小企業和公共研究機構。從超級電容器創新區域來看，日本是明顯的領先者。2000-2018年間，所有專利數量中日本幾乎占了50%，美國以18.2%的市場份額排名第二。
本文來源：微信公眾號 先進能源科技戰略情報研究中心 ID：CASEnergy
電動汽車的發展推動了新型鋰離子電池技術的創新，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作用
（1）全球儲能技術發展低迷。可持續發展情景下，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年實現凈零排放。2020年儲能技術發展無法滿足可持續發展情景要求，電網級儲能發展十年來首次減緩。電動汽車技術發展正步入正軌，未來十年預計持續呈指數增長，2040年充電樁數量將達到目前的100倍。
（2）可持續發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。可持續發展情景下，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10 000吉瓦時。
（3）電動汽車電池創新有利于儲能技術發展。儲能未來發展的一個關鍵因素是：電動汽車技術發展能在多大程度上影響電網規模儲能電池。鑒于電動汽車電池的市場規模已經是電網規模電池的10倍，創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作用。目前，約60%的電網規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NMC 811。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有可能滿足電力部門的要求。2019年，由于中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）電池產能過剩，轉而用于電網規模儲能。
（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指數級增長。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，大多數儲能技術用于住宅、商業和工業部門。根據可持續發展情景，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、電力儲能專利申請主要趨勢分析
儲能相關技術主要包括四類：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增長。2000-2018年，全球電力儲能技術專利族申請量超過6.5萬項，呈指數級增長。2005年以后電力儲能相關專利族申請量年均增長14%，遠超所有技術領域專利申請年均增長率（3.5%）。2012年之前，電力儲能相關專利族數量呈指數級增長，隨后幾年趨于穩定。2018年再次顯著增長，增長率達到16.6%。總體而言，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新。電力儲能創新主要由電化學技術（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增長強勁，與2000年相比，電化學（電池）技術專利申請增長超過400%，機械儲能增長超過1000%。但2012年以后，除電池外，其他技術都停滯不前甚至下降。
（3）過去十年里電池創新相關專利申請活躍。2000年以來，電池技術主要由電池單元創新推動。2018年專利族數量同比增長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的45%。2009年以后，電池組技術在汽車應用領域發展活躍。盡管汽車領域在過去十年里占據電池應用主導，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）亞洲企業在電池技術創新中占領先地位。電池技術創新主要來自亞洲，全球前10名申請機構中亞洲企業占9個，前25名中亞洲企業占2/3。三星幾乎在所有電池技術領域都名列前茅；松下擁有更加多樣化和平衡的投資組合，在鋰離子和其他電池領域都擁有相對較強的地位（專利族數量占比平均為7.1%）；中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）電池技術創新主要集中在大型企業。過去五年，排名靠前企業的電池技術創新活力略有下降。電池技術創新仍主要集中在大型企業，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年以上的企業。過去十年，成立10-20年的企業提交專利數量占比幾乎翻番，2018年已上升至18%。
四、電池技術創新區域分析
（1）全球電池技術創新區域分布。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的總和。在機械儲能和熱儲能領域，歐洲處于優勢地位。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，中國電池技術創新顯著增長，2018年專利申請數量已超越美國。歐洲電池技術創新主要由德國主導，其電池技術專利申請數量占據歐洲的一半以上。
（2）日本在電池創新技術中占據絕對優勢。韓國和日本在電池創新的專業化方面處于世界領先地位，而美國、中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，中國在電池創新領域的迅速崛起伴隨著中國涉外合作專利數量急劇下降（13.2%降至6.6%）。日本和韓國的電池創新主要由大企業主導，美國主要以中小企業和大學/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量一直穩定增長。2010-2013年間，從355件增加到近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。體積能源密度對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重點已從提高體積能量密度和穩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專利申請數量是NMC的兩倍，但在2011年被NMC超越，NMC的專利申請數在2009-2018年間增加了400%。鋰離子負極材料專利在過去十年增長了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年期間專利數增長了四倍。
（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，電極材料和固態電池相關專利數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位機構在主要材料如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%的專利來自于大企業，但中小企業、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%）領域具有優勢，中小企業對NCA（20%）技術擁有一定優勢。
六、其他新興技術進展
（1）氧化還原液流電池技術發展情況。氧化還原液流電池的創新最近幾年才出現，該領域專利申請數量在2012年幾乎翻了一番，到2018年已達到166項。2000-2018年，中小企業、大學和公共研究機構在氧化還原液流電池技術發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）超級電容器技術發展情況。2000年以來超級電容器有了重大發展，2017年專利申請量增至500多項。早期發展主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增長的創新領域。除靜電超級電容器（大型企業專利占比達81.2%），超級電容器的大部分創新來自中小企業和公共研究機構。從超級電容器創新區域來看，日本是明顯的領先者。2000-2018年間，所有專利數量中日本幾乎占了50%，美國以18.2%的市場份額排名第二。
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