基于专利视角的电化学储能电池电解液技术发展态势

刘宏健，罗霞，郑冬芳

（1.浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州 310023；2.中化蓝天集团有限公司，浙江 杭州 310051）

电化学储能是指利用化学元素作储能介质，充电与放电过程伴随着储能介质的化学反应。主要包括锂离子电池、钠离子电池、液流电池、铅酸电池等[1]。根据中关村储能产业技术联盟发布的《储能产业研究白皮书2023》[2]，2022年，中国新增投运电力储能项目装机规模首次突破15 GW，达到16.5 GW，新型储能新增规模创历史新高，达到7.3 GW/15.9 GWh，功率规模同比增长200%，能量规模同比增长280%，新型储能中，锂离子电池占据绝对主导地位，比重达97%。截至2022年底，中国已投运电力储能项目累计装机规模为59.8 GW，占全球市场总规模的25%，年增长率为38%。新型储能累计装机规模首次突破10 GW，达到13.1 GW/27.1 GWh，功率规模年增长率达128%，能量规模年增长率达141%，新型储能中，锂离子电池占比达94%。由此可见，新型储能项目涉及的储能技术绝大多数为锂离子电池。

锂离子电池结构包含正极、负极、隔膜和电解液，电解液与正极、负极和全电池的设计具有相同的优先级。作为电池的关键材料之一，电解液应具有高离子电导率，电化学稳定性和热稳定性，能够形成稳定且可持续的固体电解质界面(SEI)膜，而且无毒害、成本低[3]。

专利信息作为科技创新成果的重要载体，能够反映某一技术领域创新发展的现状以及历程，专利信息已成为一种重要的科技情报[4]。近些年，不断有学者从专利角度对储能技术及其相关细分领域开展分析研究工作，通过申请量、申请人、维持年限、分类号、技术来源国等维度的分析来揭示储能技术发展态势，为政府、企业等的战略决策、产业化发展提供参考[4-6]。

本文基于专利视角，利用Incopat专利数据检索系统对电化学储能电解液领域的申请量、申请人、发明人、法律状态等单一维度或多维度展开分析，揭示电化学储能电解液领域的专利发展态势和技术发展态势，为我国政府、企业等在电化学储能领域的研发决策、产业布局等方面提供参考。

1 数据来源与方法

使用Incopat专利数据检索系统，检索日期为2023年4月11日，检索数据范围为中国发明专利申请，检索方式采用关键词和IPC分类号相结合的方式检索获取专利数据，具体为在“标题/摘要/权利要求”项下使用锂离子电池、锂离子二次电池、锂电池、锂二次电池、钠离子电池、钠离子二次电池、钠电池、钠二次电池、二次电池等关键词进行检索得到第一数据集，在“标题”项下使用电解液、电解质等关键词或在“IPC”项下使用H01M10/0566、H01M10/0567、H01M10/0568、H01M10/0569等分类号进行检索得到第二数据集，第一数据集和第二数据集合并得到第三数据集，将第三数据集中标题只包含电极、负极、正极、活性材料和隔膜的专利剔除，经过人工处理，获得可用于分析的电解液专利共计6267件。由于专利申请日到公开日有18个月的滞后期，使得大量专利还处于未公开状态，因此2022年10月以后的数据仅作对比参考。

2 结果分析

2.1 发展态势分析

截至2023年4月11日，电解液中国专利申请总量共计6267件。见图1，自1994年开始逐渐有专利申请，至今已有30年时间，可分为四个发展阶段：1994～1999年为技术萌芽期，该阶段只有零星的专利申请，电解液技术开始萌芽；2000～2010年为技术缓慢发展期，该阶段专利申请数量缓慢上升，年申请量突破100件；2011～2020年为技术快速发展期，该阶段专利申请数量快速增加，尤其是2014～2019年的6年间，专利申请数量增加了212%；2021年专利申请数量有所下降，开始呈现出向技术成熟阶段发展的趋势。

图1 申请量历年分布图

图2为生命周期图，2010年之前，专利申请量最多为118件/年，专利申请人数量最多为51个/年，专利申请量和专利申请人数量均不高。2014年、2017年和2021年出现专利申请量和专利申请人数量均小幅下降的情况，2022年专利申请人数量出现小幅提升，但是专利申请量依然下降，表明电解液领域依然有新的申请人加入，但是创新工作也变得越来越难，2021年开始出现向技术成熟期发展的趋势。

图2 生命周期图

图3为发明人数量年度分布图，发明人数量呈现逐年上升趋势。2010～2022年（除2014年外）发明人数量逐年递增，不断有新鲜血液加入电解液领域，表明电解液领域依然是当下的热门领域。1994～2022年，发明人数量与专利申请数量比值的平均值为2.6，即2.6个人完成1件专利申请。2010～2022年，该比值为2.4，即2.4个人完成1件专利申请。在电解液整个发展阶段中，技术快速发展阶段的创新能力有一定的提升。

图3 发明人数量年度分布图

2.2 竞争态势分析

2.2.1 研发力量分析

技术来源国分布见表1。由表1可知，中国是中国专利申请第一技术来源国，专利申请量为4542件，占72.47%；其次是日本，专利申请量为1004件，占16.02%；排在第三的是韩国，专利申请量为517件，占8.25%；排在第四、第五的美国和德国，专利申请量占比仅为1%左右。由此看来，中国、日本和韩国为电解液技术的主要来源国。

表1 技术来源国分布

中国申请人省级行政区分布见表2。中国32个省、自治区和直辖市中，只有新疆没有专利申请。专利申请量排在第一的是广东省，申请量为1497件，占比为33%；其次是江苏省，申请量为505件，占比为11%；排在第三的是福建省，申请量为436件，占比为10%；浙江省排在第四位，申请量为350件，占比为8%；北京市排在第五位，申请量为235件，占比为5%。山东省排在第六位，申请量为193件，占比为4%。湖南省、安徽省、湖北省、上海市依次排在第七位、第八位、第九位和第十位。排在第十一位的是河北省，申请量为118件，占比为3%。排在第十二位的是天津市，申请量为105件，占比为2%。排在前十二位的多为东部沿海省、自治区或直辖市。在内陆省级行政区中，湖南省、安徽省、湖北省、河南省、四川省、江西省、陕西省专利申请居多，申请量依次为174件、172件、145件、105件、90件、70件和33件。

图4为其他国家或地区申请人在中国申请专利占比，其中，日本占比为58.20%、韩国占比为29.97%、欧洲占比为6.2%、美国占比为5.22%。日本和韩国的专利申请量高达88.17%，是在中国布局电解液专利前两位的海外国家。

表2 中国申请人省级行政区分布

图4 其他国家或地区在中国申请专利占比

申请人的专利申请数量方面，前100名申请人专利申请数量为4625件，占总量的73.8%。前50名申请人专利申请数量为3854件，占总量的61.5%。前20名申请人专利申请数量为2747件，占总量的43.8%。前10名申请人专利申请数量为1793件，占比总量的28.6%。由此来看，专利申请比较集中。

前100名申请人中，中国申请人有71个，占比为71%；日本申请人有21个，占比为21%。前50名申请人中，中国申请人有38个，占比76%；日本申请人有9个，占比18%。前20名申请人中，中国申请人有14个，占比70%；日本申请人有4个，占比20%。前10名申请人中，中国申请人有7个，占比70%；日本申请人有1个，占比10%；韩国申请人有2个，占比20%。专利数量排名前20的申请人及其专利数量见表3。

表3 申请人及其专利数量（TOP20）

专利申请人类型分布见图5。其中，84%为企业类申请人、10%为大专院校类申请人、5%为科研单位类申请人、1%为个人申请人。排名前50申请人中大专院校类申请人有6位，按排名分别为华南师范大学、中南大学、华中科技大学、厦门大学、清华大学、北京理工大学。排名前20申请人中没有大专院校类申请人。

图5 专利申请人类型分布

2.2.2 主要申请人竞争力分析

表4为排名前20的申请人近十年专利申请数量年度分布，排名第一的申请人为LG，申请总量为241件，近十年申请量呈上升趋势，其中2013年、2018～2021年专利申请数量较多，这5年的年度平均申请量为25件。排名第二的申请人为松下，申请总量为198件，近十年申请量呈现上升趋势，2019年和2020年的专利申请数量较多，这2年的年度平均申请量为20件。宁德时代和新宙邦并列排名第三，申请总量均为195件，宁德时代近十年申请量呈现出先上升后下降的趋势，专利申请时间在2016～2019年的申请量占比72.8%；而新宙邦近十年申请量呈现上升趋势，2022年申请量最多，达29件。排名第五的三星申请总量为191件，近十年申请量呈现缓慢上升后下降趋势，申请量较多的为2018～2020年，这3年的年度申请量均超过10件。排名第六的ATL申请总量为172件，近十年申请量呈下降趋势，2013～2016年专利申请数量较多，占比总量的64%，这4年年度平均申请量为27.5件。杉杉排名第七，申请总量为171件，近10年申请量呈上升趋势，2018～2021年专利申请量较多，2019年申请量最多，为65件，占总量的38%。天赐排名第八，申请总量为165件，2014年以来申请量较平稳，2016年申请量最多，为32件。冠宇排名第九，申请总量为140件，2018年之前零星有专利申请，97.9%专利申请的时间是2018～2022年。排名第10的比亚迪，申请总量为125件，年度专利申请量较平均。

表4 主要申请人专利申请数量年度分布

排名第11～20的申请人中，索尼、三菱、丰田，近十年申请量较平稳，索尼近十年申请量占其总申请量的48%；三菱近十年申请量占其总申请量的19%；丰田近十年申请量占其总申请量的81%。国泰近十年申请量呈先上升后缓慢下降的趋势，近十年申请量占其总申请量的79%。赛纬、国轩、昆仑材料、欣旺达、亿纬和远景科技，近十年申请量呈现上升趋势，这六家企业近十年申请量占占其总申请量分别为 96%、94%、97%、100%、96%、100%。

排名前20的14家中国企业中，近十年申请量占其总申请量的比值为50%～60%的有比亚迪，70%～80%的有国泰，80%～90%的有ATL和杉杉，90%～100%的有新宙邦、天赐、国轩、赛纬、亿纬、昆仑材料、宁德时代、冠宇、欣旺达和远景科技。排名前20的4家日本企业中，近十年申请量占其总申请量的比值为10%～20%的有三菱，40%～50%的有松下和索尼，80%～90%的有丰田。排名前20的2家韩国企业中，近十年申请量占其总申请量的比值为50%～60%的有三星，70%～80%的有LG。

2.2.3 专利法律状态分析

图6为专利法律状态分布图，维持有效的专利有2251件，占比36%。审查中的专利有1915件，占比30%。失效专利有2101件，占比34%，其中被驳回的专利占比18%、撤回的专利占比11%、未缴纳年费失效的专利占比4%、期限届满的专利占比1%。

图6 专利法律状态分布图

2.3 代表企业分析

本部分以宁德时代作为代表企业开展分析。宁德时代电化学储能电解液专利中，发明点为多组分混配发挥协同作用的占比为75%，发明点为单组分发挥作用的占比为25%。由此可见，宁德时代在电解液技术开发上以多种组分混配为主，同时也兼顾新物质的创制。从溶剂、添加剂角度分析，发明点为添加剂改进的占比为86%，添加剂和溶剂改进的占比为9%，溶剂改进的占比为5%，宁德时代电化学储能电解液的研究以添加剂改进为主。

通过对宁德时代电化学储能电解液专利所发挥的技术效果进行分析，发现改善电池循环性能的专利占比74%，改善电池存储性能的专利占比57%，改善电池安全性能、阻抗性能、低温性能的专利占比分别为21%、16%、15%，改善电池的倍率性能、稳定性能、高温性能的专利占比分别为9%、5%、4%，见图7。由此可见，宁德时代作为电池龙头企业尤其关注电池的循环性能和存储性能。

图7 宁德时代电化学储能电解液专利的技术效果分布

从专利文本角度分析，针对高温循环性能和高温存储性能改善，宁德时代围绕多腈基六元氮杂环化合物布局了19件中国专利[7-25]，并且均为授权有效的法律状态。这19件中国专利的发明点布局为多腈基六元氮杂环化合物与多种不同正极活性材料联用、与多种不同添加剂联用。研发机理在于每个多腈基六元氮杂环分子同时具备两个或多个腈类基团，腈类基团中氮原子含有的孤对电子可与正极材料表面过渡金属的3d空轨道强有力地络合，在降低正极表面活性的同时隔绝了电解液与正极表面的直接接触，使表面副反应大为减少，副反应中消耗的锂离子也相应减少。

3 结论

研发机构通常使用专利、商业秘密等多种手段保护创新技术，因此单一专利信息并不能准确判断研发机构的技术领先性。本文基于专利分析的角度，对电化学储能电解液技术发展态势进行了分析研究，得出以下结论供相关领域研究人员、决策者及企业参考。

（1）有关电化学储能电解液技术的中国专利申请开始于1994年，之后经历短暂的技术萌芽期，2000年开始专利数量缓慢上升，进入技术缓慢发展期；2011～2020年专利数量快速增加，该技术进入技术快速发展期；2021年之后专利数量有所下降，开始逐渐迈入技术成熟期。

（2）从申请人、发明人数量来看，随年度呈现出上升趋势，说明电化学储能电解液技术依然是当下的热门领域。

（3）从国别来看，中国、日本和韩国申请人的专利数量占据绝大多数份额，占比达96.7%，电化学储能电解液技术主要来源于这三个国家。

（4）从申请人来看，专利申请数量排名前10的是LG、松下、宁德时代、新宙邦、三星、杉杉、ATL、天赐、冠宇和比亚迪，其中LG、新宙邦研发持续性好，实力较强。

（5）从法律状态来看，电化学储能电解液技术专利中有效专利、审查中专利和失效专利呈近乎平均分布，该技术领域创新能力尚可。

（6）从代表企业宁德时代来看，电化学储能电解液研究以添加剂混配为主，兼顾添加剂新物质的创制，改善电池的循环性能和存储性能是电池企业主要追求的技术效果。