動(dòng)力電池梯次利用技術(shù)專利分析

謝英豪，余海軍，張學(xué)梅，吳奔奔

（1.廣東邦普循環(huán)科技有限公司，廣東 佛山 528137;2.廣東省電池循環(huán)利用企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 佛山 528137;3.湖南邦普循環(huán)科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410600）

2021年，我國(guó)新能源汽車產(chǎn)、銷量分別為354.5萬輛和352.1萬輛，同比均增長(zhǎng)1.6倍，其中純電動(dòng)汽車產(chǎn)、銷量分別為294.2萬輛和291.6萬輛，同比分別增長(zhǎng)了1.7倍和1.6倍[1]。GB/T 31484-2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池循環(huán)壽命要求及試驗(yàn)方法》規(guī)定，動(dòng)力電池的循環(huán)壽命應(yīng)不低于1 000次[2]。隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，近幾年會(huì)有大量的動(dòng)力電池面臨退役，需要報(bào)廢處理。據(jù)測(cè)算，到2025年，動(dòng)力電池累計(jì)報(bào)廢量將達(dá)174萬噸[3]。動(dòng)力電池退役時(shí)，大部分模塊并無嚴(yán)重的容量衰減，仍保留初始容量的77%[4]。相關(guān)政策規(guī)定，廢舊動(dòng)力電池的利用應(yīng)遵循先梯次利用、后再生利用的原則[5]，因此大量的退役動(dòng)力電池將進(jìn)行梯次利用。這就需要相關(guān)技術(shù)來配套未來的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。前期研究者進(jìn)行的專利分析研究，主要針對(duì)電池回收大領(lǐng)域[6]，在梯次利用細(xì)分領(lǐng)域未見報(bào)道。

本文作者主要從專利的視角，對(duì)動(dòng)力鋰離子電池梯次利用技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，通過對(duì)專利申請(qǐng)發(fā)展趨勢(shì)、主要申請(qǐng)人、分布區(qū)域、技術(shù)領(lǐng)域和技術(shù)路線等的分析，探討動(dòng)力電池梯次利用技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。

1 專利申請(qǐng)總體分析

所有數(shù)據(jù)來源于智慧芽專利數(shù)據(jù)庫，專利檢索申請(qǐng)日截止至2021年12月31日，檢索得到690件專利申請(qǐng)。動(dòng)力電池梯次利用技術(shù)的發(fā)展可概括為3個(gè)階段:萌芽期、探索期和成長(zhǎng)期。動(dòng)力電池梯次利用專利發(fā)展趨勢(shì)與動(dòng)力電池報(bào)廢量趨勢(shì)基本一致，如圖1所示。

圖1 動(dòng)力電池的梯次利用專利發(fā)展趨勢(shì)與報(bào)廢量趨勢(shì)Fig.1 Echelon utilization patent development trend and waste quantity trend of power battery

2009年1月，中國(guó)啟動(dòng)了“十城千輛節(jié)能與新能源汽車示范推廣應(yīng)用工程”。受制于當(dāng)時(shí)的技術(shù)，動(dòng)力電池的壽命通常僅有2～3 a，在首批動(dòng)力電池報(bào)廢以及國(guó)家要求規(guī)范處理動(dòng)力電池的交叉節(jié)點(diǎn)之下，我國(guó)首件動(dòng)力電池梯次利用專利誕生于2011 a。2012年印發(fā)的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）》[7]，明確建立動(dòng)力電池梯次利用和回收管理體系，加強(qiáng)對(duì)廢舊電池的回收利用。在政策支持下，2011-2015年的梯次利用專利年申請(qǐng)量維持在13件以內(nèi)，該階段為萌芽期。2016年1月發(fā)布的《電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池回收利用技術(shù)政策（2015年版）》[5]，規(guī)定廢舊動(dòng)力電池的利用應(yīng)遵循先梯次利用、后再生利用的原則，提高了資源利用率，同時(shí)，支持具備相應(yīng)技術(shù)條件的企業(yè)開展廢舊動(dòng)力電池梯次利用。這一期，專利年申請(qǐng)量達(dá)到40件以上，并維持到2017年，為探索期。2018年2月，中國(guó)首個(gè)梯次利用領(lǐng)域的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34015-2017《車用動(dòng)力電池回收利用余能檢測(cè)》[8]實(shí)施，2018年新能源汽車產(chǎn)、銷量分別為127.0萬輛和125.6萬輛。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展協(xié)同作用之下，梯次利用技術(shù)也得到快速跟進(jìn)，到2018年，專利年申請(qǐng)量超過100件，該階段為成長(zhǎng)期。

2 專利主要申請(qǐng)人分析

中國(guó)梯次利用專利申請(qǐng)數(shù)量前10的申請(qǐng)人見圖2。

從圖2可知，國(guó)家電網(wǎng)有限公司（簡(jiǎn)稱國(guó)家電網(wǎng)）和中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司（簡(jiǎn)稱中國(guó)電科院）的梯次利用技術(shù)專利申請(qǐng)量領(lǐng)先于其他申請(qǐng)人，其他申請(qǐng)人專利數(shù)量約為10件，暫未形成規(guī)模。國(guó)家電網(wǎng)在動(dòng)力電池梯次利用領(lǐng)域的專利主要集中在2018-2020年，年申請(qǐng)量在12件以上，而在2017年之前年申請(qǐng)量少于6件，申請(qǐng)趨勢(shì)上與全國(guó)梯次利用專利申請(qǐng)量的走勢(shì)基本相同。這與動(dòng)力電池報(bào)廢潮的到來和政策的引導(dǎo)密切相關(guān)。2019年，國(guó)家電網(wǎng)建設(shè)了國(guó)內(nèi)首個(gè)電池梯次利用電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站，探索以“變電站+儲(chǔ)能站+光伏充電站+數(shù)據(jù)中心”的方式建設(shè)運(yùn)營(yíng)，助力實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”的目標(biāo)。中國(guó)電科院是國(guó)家電網(wǎng)直屬科研單位，申請(qǐng)的37件專利中，29件專利與國(guó)家電網(wǎng)為共同申請(qǐng)人。

3 專利申請(qǐng)區(qū)域分析

中國(guó)梯次利用專利申請(qǐng)數(shù)量前10的區(qū)域分布見圖3。

圖3 梯次利用專利申請(qǐng)數(shù)量前10的區(qū)域分布Fig.3 Regional distribution of top 10 echelon utilization patent applications

從圖3可知，就地區(qū)申請(qǐng)數(shù)量而言，北京以120件的專利申請(qǐng)量居首位，廣東以117件居第2位，江蘇、安徽和上海分別為68件、55件和54件，分別居第3、4和5位，浙江、湖南、山東、河南和湖北的數(shù)量較接近，發(fā)展相對(duì)較均衡。

專利申請(qǐng)量排名前兩個(gè)地區(qū)（北京和廣東）的申請(qǐng)人類型結(jié)構(gòu)見表1。

表1 典型區(qū)域申請(qǐng)人類型結(jié)構(gòu)Table 1 Type structure of typical regional applicant

從表1可知，北京區(qū)域梯次利用技術(shù)專利申請(qǐng)人主要是高校/院校和電力企業(yè)，兩者占比71.6%，其中高校/院所占比過半。廣東區(qū)域梯次利用專利申請(qǐng)主要來源于企業(yè)，占比94.8%，包括電力企業(yè)、電池回收企業(yè)、電池設(shè)備企業(yè)和充電樁企業(yè)等，反映出廣東的梯次利用產(chǎn)業(yè)化步伐比北京走得更前。

4 專利技術(shù)領(lǐng)域分析

通過國(guó)際專利分類（IPC），分析研究技術(shù)集中點(diǎn)和技術(shù)熱點(diǎn)，得到的梯次利用專利申請(qǐng)主要技術(shù)領(lǐng)域分布情況見圖4。

圖4 梯次利用專利申請(qǐng)技術(shù)領(lǐng)域分布Fig.4 Distribution of patent application technology regions for echelon utilization

從圖4可知，梯次利用專利中涉及H01M10（主要是二次電池及其制造）的占比32.8%;H02J7（主要是用于電池組的充電、去極化或由電池組向負(fù)載供電的裝置）占比15.8%;G01R31（主要是電性能的測(cè)試裝置）占比15.1%;H01M2（主要是非活性部件的結(jié)構(gòu)零件或制造方法）占比10.7%;H02J3（主要是交流干線或交流配電網(wǎng)絡(luò)的電路裝置）占比7.6%;B07C5（主要是按照物品或材料的特性或特點(diǎn)分選）占比6.5%;H01M50（主要是除燃料電池外的電化學(xué)電池非活性部件的結(jié)構(gòu)零部件或制造工藝）占比5.7%;H02J9（主要是用于緊急或備用電源的回路裝置）占比2.5%;H02J15（主要是存儲(chǔ)電能的系統(tǒng)）占比1.5%;G06K9（主要是識(shí)別模式的方法）占比1.5%。

2011-2021年梯次利用各技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢(shì)見表2。

從表2可知，2016-2021年在梯次利用技術(shù)各領(lǐng)域中，H01M10的技術(shù)占比維持在28%～41%，相對(duì)穩(wěn)定;G01R31的技術(shù)占比從2012年的50%降至2021年的14.9%，總體上呈下降的趨勢(shì);H02J7在2011年、2012年和2014年均無相關(guān)技術(shù)申請(qǐng)，在2015年后占比穩(wěn)定維持在約15%;H01M2在2014年首次出現(xiàn)，經(jīng)歷了從2016年的5.6%上升至2018年的23.8%（頂峰階段），之后持續(xù)下降至2020年的 7.1%水平。2011-2021年，H01M10、G01R31和H02J7的占比之和均不小于50%，為主要技術(shù)領(lǐng)域;H01M50連續(xù)3年（2019-2021年）持續(xù)增長(zhǎng)。

5 專利技術(shù)路線分析

圖5為專利申請(qǐng)量排名前3的專利申請(qǐng)人近3年的專利申請(qǐng)情況。

圖5 專利數(shù)量前3的申請(qǐng)人分析Fig.5 Analysis of the top 3 patent applicants

從圖5可知，近3年國(guó)家電網(wǎng)、中國(guó)電科院和邦普循環(huán)的梯次利用專利年均申請(qǐng)量分別為10件、5件和4件，國(guó)家電網(wǎng)的年均專利申請(qǐng)量明顯大于另外2家企業(yè)。2021年國(guó)家電網(wǎng)和中國(guó)電科院專利申請(qǐng)量均出現(xiàn)了下降，均僅為2件，這可能是在梯次利用儲(chǔ)能電站安全事故影響之下，用戶端開始對(duì)梯次利用失去信心，技術(shù)研發(fā)重心發(fā)生轉(zhuǎn)移。

退役動(dòng)力電池梯次利用主要過程包括拆解、評(píng)估、分選、重組和場(chǎng)景應(yīng)用等環(huán)節(jié)。將退役電池做成梯次利用產(chǎn)品，還需要對(duì)退役電池的壽命進(jìn)行評(píng)估，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。為了對(duì)重組后的電池進(jìn)行精準(zhǔn)的控制管理，研究人員專門開發(fā)了電池管理系統(tǒng)（BMS）和控制方法。生產(chǎn)制造梯次利用產(chǎn)品還需要使用到機(jī)柜等附屬件。

研究2019-2021年申請(qǐng)數(shù)量排名前3的申請(qǐng)人申請(qǐng)的87件專利（若國(guó)家電網(wǎng)與中國(guó)電科院為共同申請(qǐng)人，僅計(jì)1件專利），可以了解我國(guó)動(dòng)力電池梯次利用領(lǐng)域目前主要的技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)。研究結(jié)果見圖6。

從圖6可知，在這87件專利中，場(chǎng)景應(yīng)用占比最高，為24.1%，表明場(chǎng)景應(yīng)用屬于梯次利用的研究熱點(diǎn)，梯次利用研究側(cè)重于實(shí)際的應(yīng)用落地。分選、評(píng)估占比相近，分別為20.7%、18.4%。壽命預(yù)測(cè)、重組和安全占比相近，分別為12.6%、9.2%和8.0%，表明在技術(shù)研究上更傾向于電池來料時(shí)的分選、評(píng)估等前期環(huán)節(jié)，而弱化安全、重組等后期環(huán)節(jié)。安全研究主要是為消除退役電池存在的不穩(wěn)定因素而開展的，但該領(lǐng)域占比較低，主要原因是通常在梯次利用前期評(píng)估、壽命預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)間接實(shí)現(xiàn)了梯次利用電池的安全應(yīng)用。這也反映出目前梯次利用專利在安全和重組等領(lǐng)域的數(shù)量較少，后期可在上述領(lǐng)域加強(qiáng)布局。

對(duì)作為研究熱點(diǎn)的場(chǎng)景應(yīng)用類專利進(jìn)行分析，按不同的應(yīng)用場(chǎng)景分類，得到圖7。

圖7 場(chǎng)景應(yīng)用類專利分析Fig.7 Scenario application patent analysis

從圖7可知，針對(duì)場(chǎng)景的應(yīng)用類專利，主要有儲(chǔ)能系統(tǒng)、路燈、光伏儲(chǔ)能、便攜式電源、發(fā)光斑馬線和教具等。儲(chǔ)能系統(tǒng)為主要的應(yīng)用場(chǎng)景，涉及的專利占所有應(yīng)用領(lǐng)域的57.1%，是當(dāng)前研究的技術(shù)熱點(diǎn)。

6 結(jié)論與建議

我國(guó)動(dòng)力電池梯次利用目前處于成長(zhǎng)階段，近年來，隨著動(dòng)力電池報(bào)廢量的增加以及政策的支持，不斷受到技術(shù)人員的重視，專利年申請(qǐng)量已達(dá)100件。申請(qǐng)人呈現(xiàn)既集中又分散的狀態(tài)，集中是指國(guó)家電網(wǎng)、中國(guó)電科院等單位的專利數(shù)量遠(yuǎn)超出其他申請(qǐng)人，分散是指申請(qǐng)人數(shù)量眾多，專利申請(qǐng)規(guī)模不大，技術(shù)布局零散。

目前，我國(guó)動(dòng)力電池梯次利用行業(yè)的研究熱點(diǎn)是針對(duì)不同場(chǎng)景的梯次利用產(chǎn)品應(yīng)用，產(chǎn)品應(yīng)用中以儲(chǔ)能系統(tǒng)研究居多;同時(shí)，對(duì)梯次利用過程涉及的拆解、重組、安全和環(huán)保的重視程度不夠。針對(duì)行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀，本文作者提出以下幾點(diǎn)建議:

企業(yè)應(yīng)加大對(duì)動(dòng)力電池梯次利用的全流程研究。在關(guān)注梯次利用場(chǎng)景應(yīng)用的同時(shí)，關(guān)注產(chǎn)品生產(chǎn)過程的拆解、重組、安全和環(huán)保等。拆解的效果不僅影響可梯次利用電池的收率，而且影響拆解過程的安全。梯次利用電池性能離散性強(qiáng)，重組不僅影響整個(gè)系統(tǒng)的容量，還會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)壽命及安全性產(chǎn)生重要的影響。建議盡快啟動(dòng)針對(duì)拆解、重組、使用環(huán)節(jié)的環(huán)保處理和安全控制的研究。

企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)梯次利用產(chǎn)品降成本的研究。新品電池成本在不斷壓縮，價(jià)格不斷下降。梯次利用產(chǎn)品若沒有成本優(yōu)勢(shì)，有可能面臨無法與新品電池競(jìng)爭(zhēng)的局面，對(duì)梯次利用行業(yè)的發(fā)展將產(chǎn)生很大的影響。目前已開展針對(duì)梯次利用電池的控制管理算法，若重新設(shè)計(jì)BMS，會(huì)提高使用成本，將改進(jìn)的控制管理算法用原BMS來執(zhí)行，可能是發(fā)展的方向。

產(chǎn)業(yè)鏈上下游應(yīng)協(xié)同發(fā)力。動(dòng)力電池在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮可拆解性、BMS可回收性、通訊端口和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化等。動(dòng)力電池包在使用過程中，通過大數(shù)據(jù)為退役電池回收定價(jià)、電池可梯次利用評(píng)估、梯次利用產(chǎn)品壽命及梯次利用產(chǎn)品定價(jià)等提供更科學(xué)的依據(jù)。在梯次利用產(chǎn)品落地銷售層面，可能還涉及商標(biāo)等知識(shí)產(chǎn)權(quán)的問題，需要通過政策的引導(dǎo)來打破壁壘。梯次利用是整個(gè)新能源產(chǎn)業(yè)要去面對(duì)和解決的問題，通過產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同發(fā)力，才可以促進(jìn)梯次利用行業(yè)的發(fā)展。