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    鋰離子電池儲能系統消防技術的中國專利分析

    作者:曹志成等 來源:儲能科學與技術 發布時間:2022-08-19 瀏覽:

    中國儲能網訊:

    作者:曹志成 1 周開運 2朱家立 2劉高明 2嚴慜 2湯舜 1曹元成 1程時杰 1張煒鑫 1

    單位:1. 華中科技大學; 2. 國家電網湖州供電公司

    引用:曹志成,周開運,朱家立等.鋰離子電池儲能系統消防技術的中國專利分析[J].儲能科學與技術,2022,11(08):2664-2670.

    DOI:10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0253

    摘 要 以鋰離子電池為代表的電化學儲能技術當前進入了快速發展期,在我國能源消費結構調整和可再生能源比例提升方面具有重要意義。儲能消防技術是鋰離子電池儲能系統規?;瘧玫陌踩U?。為了解儲能消防技術的研發現狀,本工作以國家知識產權局公布的專利檢索與分析系統數據中的儲能消防領域專利數據為分析對象,以滅火劑(A62D)、儲能用消防裝置(A62C)以及儲能消防策略和邏輯方法(G06K)為主要內容,探討了儲能消防技術在國內的發展,并從專利年限分布、專利技術分布、專利地域分析及主要申請人4方面進行總結分析。結果表明,儲能消防技術及其應用總體呈快速增長態勢,其中消防裝置研發專利申請占比多,專用滅火劑研發處于高質量發展期,消防機制設計仍處于緩慢增長期。北方地區申請單位以高校和事業單位居多,而南方地區申請單位以商業公司居多,這與電化學儲能商業化應用水平是分不開的,總體上儲能系統消防技術仍需要主要研發單位的引領探索??梢灶A見儲能系統消防技術專利量仍然會保持發展態勢,相關政策及市場結合將持續激發技術研發活力。

    關鍵詞 電化學儲能;專利;鋰離子電池;消防技術

    1 電化學儲能系統及其消防技術

    1.1 儲能系統發展現狀

    在“碳達峰、碳中和”的綠色建設背景下,儲能成為支撐能源轉型和新型電力系統建設的重要手段。鋰離子電化學儲能裝機量增長迅猛。儲能系統可支撐電源側新能源電力與傳統發電模式協同優化發展,提高新能源的配置水平;強化電網側的調頻、調壓、頂峰、事故備用、黑啟動等特殊功能能力,提升系統安全穩定水平;滿足消費端多元化、精細化、定制化用能需求,培育能源消費新形態,具有重要作用。近年來,電化學儲能系統的核心技術不斷突破,應用需求不斷拓展,電化學儲能系統整體呈現加速發展趨勢,2020年內新增電化學儲能裝機突破1 GW,累計裝機占非抽水儲能裝機總量的86%。2021年國家及各地方“十四五”規劃相繼出爐,電化學儲能裝機規劃在建規模超過30 GW[2]。圖1展示了2020年國內電化學儲能裝機規模排名靠前省份,數據來源于中國化學與物理電源行業協會儲能應用分會2021年5月發布的《2021儲能產業應用研究報告》。表1展示了“十四五”電化學儲能發展規劃中各地方出臺的多個儲能支持政策及電化學儲能相關規模,數據來源于中關村儲能產業技術聯盟。

    圖1   2020年國內電化學儲能裝機主要省份及裝機量

    表1   各地方出臺“十四五”規劃文件電化學儲能裝機量

    1.2 儲能系統消防技術需求

    以鋰離子電池為代表的電化學儲能技術由于其循環性能好、無記憶效應、比能量高等優點,成為目前電力儲能領域裝機容量增長最快的儲能技術,截至2020年底,鋰離子電池的累計裝機規模占電化學儲能裝機規模的80.6%,且正在不斷擴大。但目前鋰離子電池仍未達到本質安全,一旦電池處于內外短路、過充過放、過熱擠壓等條件下,就有可能引發內部電解液和電極材料的鏈式反應,進而進入不可控的電池熱失控進程。集裝箱式鋰離子電池儲能系統是以鋰離子電池為基礎的大規模儲能單元集成體,由于儲能系統中鋰離子電池的集群規模,大規模鋰離子電池儲能系統的撲救相較傳統火災存在消除單元熱失控、防止大規模熱失控蔓延導致連鎖反應等特殊要求,一旦某一儲能單元發生火災,將會引起相鄰多臺儲能單元的連鎖火災反應甚至箱體爆炸,火災荷載大、危險性高且難于撲救,造成重大的財產損失。2018年7月2日,韓國靈巖發生一起大規模儲能系統著火事故,其中,708 m2建筑及3500多個電池被燒毀,經濟虧損約46億韓元。美國亞利桑那州APS公司的電池儲能系統于2019年4月19日發生起火爆炸,此次事故除了造成巨大的經濟損失外,還致使4名消防員受傷。如表2所示,全世界范圍內鋰離子電池儲能火災安全事故時有發生,造成了重大的財產損失。

    表2   全球鋰離子電池儲能電站火災事故不完全統計

    儲能系統的消防安全問題已成為制約鋰離子電池儲能大規模推廣的關鍵瓶頸,隨著鋰離子電池儲能系統加速從示范應用落地商業化拓展,迫切需要針對儲能系統消防技術進行研究與開發。

    無論是從推動新能源電力在現有電力結構下的拓展,保障電化學儲能系統安全穩定運行,還是從保證人民生命財產安全,堅持環境友好和可持續發展的初衷來看,儲能系統消防相關技術已然成為當前新能源產業研究的熱點領域之一,國內外學者也從不同技術層面對儲能系統消防技術進行了研究和綜述。如圖2所示,儲能系統消防技術主要研究方向包括儲能系統消防裝置開發、儲能消防機制設計和針對鋰離子電池的新型滅火劑開發,其中消防機制開發是指側重對儲能單元的健康狀態進行監測并能夠在電池熱失控發生各階段進行響應的邏輯方法;消防裝置和滅火劑開發則是側重消防應急響應速度和消防效果,保證對儲能單元熱異常和外部環境的靈敏度和即時響應能力,確保消防效果。然而,這些技術在相關產業的應用情況很難從相關文獻中獲取。因此,有必要從知識產權的角度對現有儲能系統消防技術,特別是上述3個主要方向的工程化情況進行分析研究。

    圖2   儲能系統消防技術主要領域

    2 儲能系統消防技術相關專利申請情況

    2.1 研究數據與方法

    為了獲得國內電化學儲能系統消防技術各方面的專利情況,選擇以國家知識產權局專利檢索系統(http://pss-system.cnipa.gov.cn/)進行檢索與分析,該平臺提供了一個免費的訪問數據庫,其中包含來自世界各地的約9000萬份專利文獻數據。為了檢索相關新型滅火劑、裝置及機制技術,分別以IPC分類號為(A62D1/A62C1、H01M10/G06K9)等,結合關鍵詞“鋰離子電池/鋰電池”“消防”“滅火”進行組合,對以相關IPC分類號為主、摘要欄輸入關鍵詞進行二次檢索,并核對檢索結果的專利摘要和說明得出儲能消防機制設計、儲能消防裝置設計和專用滅火劑設計方向的檢索結果。檢索結果如表3所示,專利檢索截止到2022年1月1日。經篩選后得到相關專利191項,以此為基礎進行趨勢分析。

    表3   主要技術領域專利統計

    2.2 儲能消防技術年度趨勢分析

    趨勢分析是為了分析該領域專利申請在各年度申請專利數量的趨勢變化,從而反映出申請時間、技術發展與落地情況。儲能系統消防技術及各技術領域專利申請量隨年度變化如圖3所示。

    圖3   儲能系統消防相關專利年度申請趨勢

    從圖3可以看出,儲能系統消防相關專利申請以發明專利為主,占總申請量的56.5%,還有發明授權專利18件,其余為實用新型。任何產品與技術都有其相關的發展階段,一般有技術萌芽期、技術發展期、技術成熟期、技術衰退期和技術復蘇期。本工作專利申請統計截至時間為2022年1月1日,截至該日期前,儲能系統消防技術主要經歷了技術萌芽期和技術發展期。如圖3所示,關于儲能系統消防5項專利首先于2011年被提出。其后至2016年,總申請量并未出現明顯波動,這主要是由于儲能系統消防技術需求來自于電化學儲能發展的帶動,我國電化學儲能市場在2000—2010年還處于基礎研發和技術示范階段。2011年我國電化學儲能裝機量達到38.5 MW,于2015年突破100 MW,達到105.5 MW的總裝機量。2016年6月,國家能源局發布了《關于促進電儲能參與“三北”地區電力輔助服務補償(市場)機制試點工作的通知》,明確指出電化學儲能與機組聯合參與調峰調頻,承認發電側/用戶側儲能作為獨立市場主體地位,2016—2020年,儲能裝機規??焖僭黾?,由于消防技術不完善、不成熟,國內于本階段早期發生了一些儲能安全事故,引起了政策與市場的廣泛關注,國家也相繼出臺了一系列政策強調主體責任,顯著刺激了后期儲能系統消防技術的快速發展。

    2.3 儲能消防技術領域分析

    對儲能系統消防技術進行領域分析是為了解釋各類技術在不同領域的研究和應用情況隨時間的變化以及相關技術的生長速度和成熟度。由檢索結果可以看出,儲能系統消防技術主要涉及以下幾個IPC分類技術領域:A62C(消防)、H01M(電池組結構設計)、A62D(滅火用化學裝置及組合物)、G06K(數據識別)、G08B(信號報警裝置)。主要分布在A(生活必須)、H(電學)、G(物理)下的幾個大類。其中,滅火劑研發主要集中在A62D中,消防裝置主要集中在A62C和H01M中,消防機制設計則集中于G08B和G06K中。由圖3中的各領域技術年分布可知,在消防裝置方面的專利申請數量自2016年后即增長明顯,常年保持32%以上的增長速度,遠超其他兩方面的研究與應用。這是由于電化學儲能在擴展初期,面對不穩定因素和安全風險,亟需從裝置出發對消防安全事故提供保障。2021年北京豐臺區一儲能電站發生火災,事故造成兩名消防員犧牲,一名員工失聯,一名消防員受傷,引起了社會各界廣泛關注。中國化學與物理電源行業協會、中國電力企業聯合會、中關村儲能產業技術聯盟組織了多家相關企事業和研究單位開展了關于《儲能用鋰離子電池系統安全技術規范》《預制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術規范》《鋰離子電池儲能系統狀態在線監測與評價導則》的標準立項與制定,對電池系統安全等級做出詳細劃分,對安全技術水平提出一系列要求。在此期間,儲能系統消防的技術和專利研發更加傾向于滅火劑方向。

    調查技術發明專利年申請量及在總申請量中的占比,是分析該領域技術水平和評價該領域技術階段的重要參考。如圖4所示,儲能系統消防技術在各個領域中的發明專利逐年增多,這說明我國對儲能消防與安全領域技術的重視程度在不斷提高,在市場和政策的雙重刺激下,我國在儲能系統消防領域的技術水平不斷提高:在針對儲能系統的滅火劑研發方面,發明專利數量不斷增長,說明其研究范圍逐漸擴大,研究層面逐漸加深。同時,發明專利占比基本保持了較高水平,說明在滅火劑研發領域,相關研究保持高水平發展;在消防裝置開發方面,發明專利在2020年之前同樣保持了高速增長的態勢。特別是其發明專利申請數量占專利總申請數量于2016年后一直保持在50%以上,在2021年發明專利占比仍能保持增長,說明裝置研發技術達到了技術瓶頸期,技術水平尚不成熟,相關標準的制定可以為裝置研發技術指明發展方向。但是,在消防機制設計與開發領域,發明專利長期處于緩慢增長期,且發明專利在總專利占比不穩定。雖然在2021年發明專利占比首次達到了66%,但仍然需要市場和政策的持續關注。

    圖4   儲能系統消防各領域發明專利年申請量及占比

    2.4 儲能消防技術主要申請人及地區分析

    申請人員及發明人趨勢分析可以反映出不同申請人或主要研發人員對特定領域技術的關注度和研究技術水平,體現該領域的競爭者分布、科研水平。專利地區分布分析則可以定量評價一個地區在相關領域技術的研究情況,反映地區對該技術的重視程度及研究水平,并借此描述專利地圖。由于技術領域存在差別,分別以儲能系統消防技術下屬的3個領域進行分析。

    由圖5(a)可知,我國大陸地區儲能系統消防技術專利主要來自北京(17.2%)、上海(6.2%)、天津(6.2%)、江蘇(12.6%)、浙江(5.2%)等經濟較強的省和直轄市,其中,北京市相關技術研發重點為消防裝置開發,且其研發單位多為高?;蚴聵I單位,包括清華大學、國家電網有限公司、北京理工大學等,僅有2家商業公司申請了2項專利。天津市關于儲能系統消防技術的專利申請主體同樣有此特點。

    圖5   (a) 儲能系統消防技術地域分布;(b) 相關領域專利主要申請人

    我國南方部分省市在儲能消防技術領域的研究側重消防裝置開發,同時兼有滅火劑研制。且研發技術和專利申請主體多為商業公司,例如上海,12項專利中有2項分別來自上海消防研究所和同濟大學。說明我國南方省市在電化學儲能系統及其消防技術的商業化應用領域的成果顯著。對比圖1中電化學儲能裝機量處于前列的省份,可以明顯得知廣東、江蘇及安徽在推廣電化學儲能系統的同時兼有大量相應消防安全技術的研發,這與這些省份推廣電化學儲能技術商業化是分不開的。同時,我國西北地區作為在電源側推進能源轉型和新能源產業發展的主力軍,在大力發展新能源技術與大型電化學儲能系統應用的同時,應當注重電化學儲能系統與其外圍支撐技術和安全保障技術的協同發展。

    圖5(b)展示了儲能系統消防技術各領域的主要申請人,可以看出,關于儲能系統消防技術的專利申請主體和相關專利布局仍然主要來自高校研究所、事業單位、電力電池行業。其中,國家電網系統在儲能消防技術的裝置與系統研發、滅火劑開發方面都有較多布局且排名靠前,說明我國關于電化學儲能系統及相關支撐技術仍然處于商業化早期,需要有關單位的引領探索;其次,儲能系統消防各領域技術研發及專利申請主體為清華大學、華中科技大學、天津消防研究所等高校與研究所,說明相關技術對研究者的研究水平要求較高。應當推進產學研一體化進程,加快研究成果落地,為新能源產業推廣保駕護航。

    3 結 論

    本文利用知識產權相關分析方法分析了儲能系統消防技術及其各領域技術發展現狀,結合相關政策引領和產業發展對技術研發進程、技術分布和現狀進行了分析。將儲能系統消防技術專利分為消防裝置、消防系統和滅火劑3個方向,結果表明:①自2011年我國電化學儲能技術進入示范應用期后,相關消防技術發展總體進入萌芽期。2015—2021年,隨著相關政策和文件的發布,儲能系統的市場化主體得到承認,儲能系統消防技術進入了快速發展期。截至2022年1月1日,相關專利申請量達到191件,總體上以發明專利為主;②在專利技術領域分布上,消防裝置研發是研究和專利申請的主要領域,以發明專利為主,并保持高速增長,2021年部分安全事件和各項標準的制定指出了消防裝置的發展瓶頸和發展方向。滅火劑領域發明專利占比一直處于高水平,且發明專利申請量保持增長,說明其研究范圍和研究深度在不斷擴大加深。在消防機制設計開發領域,發明專利長期處于緩慢增長期,且發明專利占比不穩定;③我國儲能消防技術專利主要分布在北京、天津、江蘇、上海、浙江等省市。其中我國北方地區相關研究注重消防裝置研發,專利申請主體多為高校和事業單位。南方地區側重消防裝置研發,兼有滅火劑和系統開發,且申請主體多為商業公司,這與電化學儲能的商業化水平分不開。西北地區應當注意電化學儲能技術和外圍支撐保障技術的協同發展。儲能系統消防技術各領域主要申請人仍然是高校、研究所和國家電網系統,儲能系統消防技術仍然需要引領和探索。

    根據當前技術發展現狀,未來一段時間儲能系統消防領域的相關專利應當仍會逐年增加。根據行業相關標準,參照當前技術路線,應當加強儲能系統消防技術在消防系統開發的薄弱點,保持消防裝置和滅火劑研發的增長態勢。通過政策與市場相結合,引導技術落地,激發相關技術的研發活力,推動儲能系統消防技術的健康發展。

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    關鍵字:儲能

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