基于專利分析的鈉硫電池發展態勢研究

張軍　戴煒軼　馬廷燦

〔摘要〕新能源技術的不斷發展對大規模儲能技術提出更高的要求，鈉硫電池作為一種備受關注的電化學儲能技術，具有良好的性能與經濟效益。本文以鈉硫電池為研究對象，旨在通過對鈉硫電池儲能技術相關專利的分析，梳理并總結鈉硫電池領域中技術研發重點與專利分布特點。專利數據來源于DII數據庫中鈉硫電池儲能領域的全球專利。在調研鈉硫電池研發概況的基礎上，利用TDA和Innography工具，從專利申請總體態勢、技術主題、主要國家/地區分布、重要專利權人等方面，對鈉硫電池相關專利展開分析。最后，就我國鈉硫電池儲能技術的發展提出建議。

〔關鍵詞〕鈉硫電池；高溫二次電池；專利分析；專利情報；知識產權；發展態勢

DOI：10.3969/j.issn.1008-0821.2016.09.025

〔中圖分類號〕G306；TM911〔文獻標識碼〕A〔文章編號〕1008-0821（2016）09-0142-09

〔Abstract〕With the development of new energy technologies，the large-scale energy storage technologies should get higher performance.Recently，sodium-sulphur batteries gain momentum as a kind of electrochemical energy storage technology，which have a great number of advantages，such as long lifespan and low cost.In order to reveal the development features of this technology and provide intellectual property strategy for our country，this paper studied the patents in sodium-sulphur battery technology.The patent information was gathered from the Derwent Innovation Index（DII）database.This paper also analyzed the trend of the patent application number，the subject of the technology，the situation of patent applications in main countries or regions，and the significant patentees by using the TDA and Innography.Finally，it got the present situation and trend of sodium-sulphur battery technology，and presented some proposals for our country.

〔Key words〕sodium-sulphur battery；high temperature secondary battery；patent analysis；patent intelligence；intellectual property；development situation

隨著經濟的發展，能源需求快速增長，使得能源問題成為制約經濟發展的重要因素之一。同時，環境問題、氣候問題也成為全球關注的焦點。在此情況下，發展清潔能源成為必然選擇。為解決風能、太陽能等新能源發電不穩定、不連續的缺陷，儲能電池裝置在近年來得到廣泛關注[1]。其中，鈉硫電池（Sodium Sulfur battery，簡稱NaS）作為一種特性優良的二次電池，也是最典型的鈉電池[2]，具有高比功率和比能量、低原材料成本和制造成本、溫度穩定性及無自放電等特性[3]，是二次電池中成熟且具潛力的一種儲能電池。

鈉硫電池最早由美國福特公司針對電動汽車而提出[4]，它是由熔融電極和固體電解質組成，負極的活性物質為熔融金屬鈉，正極活性物質為液態硫和多硫化鈉熔鹽，固體電解質兼隔膜工作溫度在300～350℃，鈉硫電池在放電過程中，電子通過外電路由陽極（負極）到陰極（正極），Na+則通過固體電解質β-Al2O3與S2-結合形成多硫化鈉產物，在充電時電極反應與放電相反[5-6]。目前，鈉硫電池的主要不足之處在于工作溫度較高，以及安全性問題有待解決。

1數據來源與分析方法

針對鈉硫電池國際發展態勢的研究，在此選用德溫特創新索引數據庫（DII），檢索時間為2016年3月2日，共檢索到相關專利2 247件?？紤]到專利申請到公開的時間滯后性問題，2014年和2015年的數據僅供參考（下同）。

本文主要運用專利計量方法對鈉硫電池儲能專利的申請態勢、技術特征、 核心權利人等進行分析。上述過程中使用TDA（Thomson Data Analyzer）進行數據清洗和共現矩陣構建，運用Innography工具進行專利的深度挖掘與分析，同時使用Excel進行部分基礎數據的統計分析。

2鈉硫電池技術專利分析

21鈉硫電池技術專利總體態勢分析

根據鈉硫電池的相關專利數量隨申請年的變化趨勢可以看出，鈉硫電池相關專利的申請始于20世紀60年代中后期，20世紀70年代初出現小幅度的增長，但這一趨勢只持續了5年左右，隨后又逐漸降低。20世紀80年代初期至90年代初期，相關專利申請量再次呈現增長態勢，期間1988年和1989年出現爆發式增長。20世紀90年代中期至21世紀初期，相關專利申請數量又一次的回落，直至2007年，相關專利數量呈現快速增長態勢，這與各國加大對鈉硫電池研發投入密切相關，如2006年8月開始，上海硅酸鹽所和上海電力公司合作，聯合開發儲能應用的鈉硫電池；日本NGK公司自2002年開始將鈉硫電池產業化以來，2008年起實現真正意義上的盈利[7]；2009年上半年，美國政府撥款20億美元用于支持包括大規模儲能在內的電池技術研發[2]，等?？傮w來看，鈉硫電池的發展歷程一波三折，頗受爭議，但也不乏一些中堅力量不斷地推動其發展。（由于專利從申請到公開，到被DII收錄，會有一定時間的延遲，所以圖中2014年、2015年的數據小于實際數據，僅供參考。）圖1鈉硫電池專利申請數量的年度分布

根據鈉硫電池專利技術發明人及其相關技術條目（基于IPC大組）的年度變化情況可見，發明人的變化情況與相關專利申請量變化情況有相似之處，都呈現波浪式的增長。2004年以來，新發明人的數量出現大幅度的增加，從而有力地促進了鈉硫電池的進一步研發。如圖3所示，近年來鈉硫電池每年都有大量的新技術條目涌現，說明該領域的技術在持續革新。綜合圖2與圖3可見，鈉硫電池在發展過程中曾出現數次步調放緩的跡象，20世紀初開始逐漸呈現加快發展的趨勢，其未來發展情況與其關鍵技術的攻克及政策扶持情況有著密切的關系。

22鈉硫電池專利申請技術主題分析

國際專利分類（International Patent Classification，IPC）是國際通用的標準化專利分類體系。通過對鈉硫電池專利的IPC進行統計分析，可以獲取該領域涉及的關鍵技術主題和研發重點。

基于IPC大組統計發現，在2 247件專利數據中，二次電池及其制造（H01M-010）大組占了718%；其次，非活性部件的結構零件或制造方法（H01M-002）大組占2252%；電極（H01M-004）大組占1291%；陶瓷成型制品、陶瓷組合物（C04B-035）大組占831%；電池組充電或去極化裝置（H02J-007）占581%。在鈉硫電池的研發初期，1967-1970年期間，以用于直接轉變化學能為電能的方法或裝置（H01M-000）大組為主，隨后各主要技術大組的專利申請數量逐漸上升。

考慮到IPC分類號大組缺乏對具體技術細節深入的揭示，故而將分類號的統計分析細化到小組。表1中，列出了鈉硫電池專利申請量排名前15個技術主題。在二次電池及其制造中，高溫工作的二次電池及其制造（H01M-010/39）小組、加熱或冷卻溫度控制（H01M-010/50）小組、電池結構（H01M-010/38）小組為主，其中高溫工作的二次電池及其制造占所有專利的6193%。自2007年以來，鈉硫電池的專利申請主要集中在高溫工作的二次電池及其制造（H01M-010/39）、保持裝置（H01M-002/10）、電池組充電或去極化裝置（H02J-007/00）、充放電方法（H01M-010/44）、與測量試驗或指示情況的裝置相結合的蓄電池（H01M-010/48）。電池箱、套或罩技術主要涉及鈉硫電池組包裝組件及電池保護套；溫度控制主要涉及鈉硫電池專用保溫箱與升溫方法，同時也在研制室溫下的鈉硫電池；以氧化鋁為基料的固體電解質陶瓷管制備技術是影響電池性能與壽命的主要因素，β-氧化鋁陶瓷管是鈉硫電池的核心材料。目前，除此之外，研發人員也在關注另一種導電耐腐蝕鈣鈦礦結構材料作為鈉硫電池的電解質隔膜。由于液態S與Na2Sx具有強腐蝕性，因此硫極集流體材料的選擇及防腐蝕尤為重要。

為對具體技術細節展開足夠深入的探析，利用Innography專利檢索與分析平臺的文本挖掘功能，對非結構化的專利文本信息進行分析，通過不斷的聚類與篩選，提取出鈉硫電池技術相關專利的關鍵技術要點與研究主題，如圖4所示。鈉硫電池技術領域的研究要點可以分為固體電解質管、正電極、絕熱、蓄電池模塊、活性材料、β-鋁6個大類。其中具體的關鍵詞包括：絕緣環、電解質陶瓷、陰極箱、電極活性材料、電池殼體、多硫化鈉、高溫、電池組、堿性電池、燒結體等。結合IPC分類號的統計情況可見，利用文本挖掘聚類的方法得出的結論與IPC分類號統計的結果基本一致，同時，文本挖掘的方法所揭示的結果更為具體。

23鈉硫電池專利國家/地區分布

鈉硫電池相關專利的主要產出國家/地區有：日本、美國、中國、德國、英國、法國、加拿大、南非、澳大利亞、瑞士等（由圖5所示）。從鈉硫電池相關專利受理數量來看，以上國家/地區也是該領域的主要保護區域。其中，日本處于遙遙領先的地位，其專利申請數量比其他十國鈉硫電池相關專利申請總量還要多，其鈉硫電池相關專利的受理量與其他十國的受理總量相當。其次，美國和中國在鈉硫電池的申請/受理數量也處于前列，且兩國之間的差距較小，與日本的差距較大。

各國受理的專利申請中，日本和中國以來自本土申請人為主，美國來自本土申請人的專利約占1/3，如圖6所示，可見美國市場深受各國的重視。同時，在日本、中國、德國等主要國家受理的鈉硫電池相關專利中，來自美國的專利申請數量基本位列前三?？梢?，美國也是重要的專利輸出國，重視其專利在國外市場的保護。雖然中國在專利申請量上僅次于日本，但絕大部分均在本國受理，專利輸出數量較少，表明國內申請人對他國市場重視程度不夠。同時，通過分析鈉硫電池在華專利來源地發現，892%的申請來自國內（包括臺灣?。?，其中最多的是來自上海、北京、江蘇，分別占總體的43%、11%和8%。進一步分析發現，來自上海的大多是由中國上海電氣鈉硫儲能技術有限公司、中國科學院上海硅酸鹽研究所以及國家電網上海電力公司申請。國外在華專利申請多來自美國和日本。來自日本的專利申請權利人多為日本礙子株式會社。

從主要國家/地區鈉硫電池相關專利申請數量的年度變化情況來看，日本、英國、美國、加拿大鈉硫電池相關專利申請起步較早。在20世紀70年代，歐美國家經歷了鈉硫電池相關專利申請的小高潮，到了90年代歐美各國對鈉硫電池的研究進入了低谷，直至近幾年，美國再次重視鈉硫電池研發。究其原因在于，美國福特公司最早在1966年首先針對電動汽車提出鈉硫電池，然而在后續研發中以更有優勢的鋰電池替代了鈉硫電池在電動汽車中的應用，使得鈉硫電池的研發停滯了一段時間，直至日本在鈉硫電池的成功產業化應用，引起歐美各國的再次重視。而中國與韓國的鈉硫電池相關專利申請起步較晚，但是近幾年表現尤為突出。日本作為鈉硫電池研究的中堅力量，其專利申請的年度變化情況與全球總體趨勢基本一致。20世紀80年代至90年代是日本鈉硫電池相關專利申請量最大的時期，也正是這一時期的積累，使得日本在2002年開始實現鈉硫電池的產業化。進入21世紀初期，日本鈉硫電池相關專利申請量有所放緩，直至2011年再次呈現上升趨勢。究其原因在于2011年9月21日大容量鈉硫電池系統在客戶方發生了燃燒，使得鈉硫電池的性能提升再次受到研發人員高度關注[8]。

從專利申請前9位國家在鈉硫電池領域的技術布局情況（基于IPC小組）來看，主要國家專利大都分布在H01M-010/39、H01M-002/02、C04B-35/10等領域，即高溫工作的二次電池及其制造、電池箱或罩、以氧化鋁為基料等。圖8主要國家鈉硫電池專利申請量年度分布

其中，日本除二次電池及其制造以外的各技術小組分布均勻，以β-氧化鋁為基料的陶瓷成型制品（C04B-035/113）技術是其他各國少有的。中國的各項技術分布中，結構或制造（H01M-010/38）、電池箱或罩（H01M-002/02），以及用于電池組的充電或去極化或用于由電池組向負載供電的裝置（H02J-007/00）等技術所占比重較大。美國則是注重在高溫下工作的一次電池（H01M-006/20）、帶有固體電解質的一次電池（H01M-006/18）以及作為活性物質或活性液體的材料的選擇（H01M-004/36）。圖9主要國家/地區鈉硫電池的技術布局

24鈉硫電池專利申請人分析

241專利申請人概況

將全球鈉硫電池專利申請人分為企業、大學、個人、科研機構4類，他們的鈉硫電池相關專利申請數量所占比例分別為8201%、147%、1103%、548%。由此可見，鈉硫電池處于一個較為成熟的技術領域，有超過80%的專利申請來自企業。圖10為主要國家不同類型的專利申請人專利數量構成情況?？梢姡谌毡尽⒅袊⒚绹⒂?、德國、法國、瑞士，企業是鈉硫電池專利申請的主力軍，而在韓國、 加拿大，企業的地位并非十分突出。在韓國，科研機構占據了專利申請的近一半比例，其次是企業和個人，大學所占比例最小。在加拿大，個人和企業所占比例相當。

242重要專利申請人分析

在專利申請數量排名前28位申請人中，企業占24位，科研機構占4位。企業中，日本企業有14位，美國企業有3位，中國與瑞士企業各有2位，英國、法國、韓國企業均為1位。4個科研機構分別來自韓國、中國、日本和美國。申請專利數量前4位均為日本公司，分別為：礙子、日立、湯淺蓄電池電氣株式會社、東京電力。如圖11所示。結合Innography生成的專利權人氣泡圖可知，美國通用公司和福特汽車公司的收益最高，其次是日本日立公司。尤其是日立圖10主要國家不同類型申請人鈉硫電池專利數量構成

公司，不僅擁有的專利數量較多，公司的綜合實力也較強，在市場上具有重要的地位。而日本礙子公司雖然擁有的相關專利最多，但其收益整體來看偏低。根據Innography對專利強度的劃分，處于80%～100%專利強度屬于核心專利[9]。統計鈉硫電池技術領域共有24件核心專利，其中日本礙子公司共有5件專利入選，專利號分別為EP2001098、US8957640、EP1968151、EP1970981、US8810203；通用公司共有4件專利入選，專利號分別為US7489048、US8471406、US20100089547、US20130138279；上海電氣鈉硫儲能技術有限公司共有3件專利入選，專利號分別為CN102142584、CN102152902、CN103151487。1983年起日本礙子（NGK）與日本東京電力合作開發鈉硫電池，2002年進入商品化階段。湯淺蓄電池電氣株式會社是日本著名的蓄電池生產研發企業。中國上海電氣鈉硫儲能技術有限公司專利申請數量排名第5，與上海電氣、國家電網上海市電力公司以及中國科學院上海硅酸鹽研究所強強聯合，專注于鈉硫儲能技術的開發，代表了中國在該領域的最高水平，目前來看，其收益在整體中處于末端。英國克勞瑞德電力集團始建于1891年，是歐洲最大的UPS生產和服務供應商，也是全球最早生產蓄電池的廠家之一，20世紀60年代開始生產UPS不間斷電源和工業電源。圖11鈉硫電池技術重要申請人

基于Innography專利分析平臺，從技術實力、經濟實力兩個方面對鈉硫電池儲能技術領域重要的11位專利權人進行了綜合評價。技術實力由專利數量、技術分類和專利引用三方面構成。圖12可分為4個象限，分別代表領袖型專利權人、技術領先型專利權人、資金領先型專利權人和追趕型專利權人。目前，雖然在鈉硫電池技術領域中還未出現完全符合領袖型要求的專利權人，但日立公司與通用公司都有望在不久的將來有所突破，成為該領域的領袖型專利權人。而NGK公司在該領域處于絕對的技術優勢，成為技術領先型專利權人；福特公司以其雄厚的資金實力成為資金領先型專利權人。以東京電力為首的7位專利權人成為該領域的追趕型專利權人，其中克勞瑞德在技術水平上與通用、日立公司相當，有望成為該領域的技術領先型專利權人。我國的上海電氣鈉硫儲能有限公司從技術實力來看，在這11位專利權人中處于中等水平，但經濟實力處于末端。中國國家電網相對于其他專利權人處于左下方，技術實力與經濟實力偏低。圖12鈉硫電池技術重要申請人綜合實力對比圖

3結論與啟示

31結論

近年來，鈉硫電池作為一種備受關注的電化學儲能技術，其具有高比功率和比能量，低原料成本及制造成本，無自放電等優勢，具有較好的發展前景[10]。通過分析，可見以下趨勢。

鈉硫電池的研究始于20世紀60年代中后期，全球相關專利申請數量在20世紀90年代初呈現上升趨勢，隨后出現下降，直至2007年再次呈現快速增長趨勢?？傮w來看，鈉硫電池的發展一波三折，期間對其發展有過爭議，但也不乏中堅力量一直推動著其技術的不斷革新。2008年以來，鈉硫電池領域不斷涌入新的發明人，研究人員數量逐年增加，新的技術條目不斷涌現，呈現快速發展態勢，從申請人類型來看，有超過80%的專利來自企業，表明鈉硫電池領域經歷了成長期趨向成熟。鈉硫電池專利申請主要集中在：高溫工作的二次電池及其制造、電池箱或套、溫度控制、以氧化鋁為基料的陶瓷制品、保持裝置、充放電方法、電極技術等方面。其中以β-氧化鋁為基料的陶瓷制品技術是其他各國少有的，這也是鈉硫電池的核心材料，影響電池性能和壽命的主要因素。

對于全球鈉硫電池技術的研發，日本處于遙遙領先的地位，雖然歐美各國在鈉硫電池領域的研究起步較早，但由于中間一段時間的停滯，使得在該領域落后日本較多。日本鈉硫電池相關專利申請量是美中兩國申請量總和的26倍，其受理量是美中兩國受理量總和的2倍。日本作為鈉硫電池領域的中堅力量，其專利申請量的年度變化情況與全球總體趨勢基本一致。我國進入鈉硫電池領域雖然較晚，但近幾年發展較快，以上海電氣鈉硫儲能技術有限公司為代表的產學研相結合，以及出現一批新民營企業投入到該領域中，使得我國能在短期內快速發展鈉硫電池領域，并成為專利申請量排名第二的國家。但與此同時也存在發展中的問題，如專利輸出較少，關鍵技術有待攻克，在國際環境中的競爭力不足等。美國雖在專利申請數量與受理數量上與我國水平相當，但其專利輸出水平與市場競爭力要優于我國。

32啟示

總體來看，鈉硫電池在電化學儲能中具有良好的性能和經濟效益，但其安全性仍有待提高[11]。需從電池結構、溫度控制、制備材料等方面攻克。當前，鈉硫電池的核心材料為β-氧化鋁陶瓷管，該技術已被日本牢牢掌握，要想有所突破，我國需探索其他價格低廉、性能優良的替代材料。同時，鈉硫電池作為一種高溫二次電池，其工作溫度成為其應用的一大局限，目前已有機構致力于研究常溫下的鈉硫電池，這將成為鈉硫電池技術革新的又一關鍵點。

根據目前我國專利受理情況來看，來自國外的鈉硫電池相關專利所占比例較小，同時，各國向我國輸出的專利數量在其本國專利數量的占比較小。由于專利保護具有地域性，即在某國境內只保護在該國申請并獲得專利權的專利。因此，可利用未在我國進行專利布局的重要專利，同時，及時規避已在我國獲得專利保護的發明創造。

針對我國目前相關專利輸出較少，專利質量有待提高的現狀，一方面，要加大對知識產權保護制度的宣傳，強化專利技術投資組合；另一方面，各相關部門和機構應出臺有力的政策支持與研發投入，提升專利質量，推動行業發展，促進產業升級，形成良好的產業生態圈。

積極鼓勵企業與科研機構、高校，以及企業間的合作交流，引導國內企業與國際大型企業的合作，如日本礙子公司、日立、東京電力、通用電氣等。從上海電氣鈉硫儲能有限公司的成功案例可見，構建多方緊密協同的研發體系，強化產學研一體，非常有利于行業的快速發展，推動產業化進程。

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（本文責任編輯：郭沫含）