动力电池梯次利用技术专利分析

谢英豪，余海军，张学梅，吴奔奔

（1.广东邦普循环科技有限公司，广东 佛山 528137;2.广东省电池循环利用企业重点实验室，广东 佛山 528137;3.湖南邦普循环科技有限公司，湖南 长沙 410600）

2021年，我国新能源汽车产、销量分别为354.5万辆和352.1万辆，同比均增长1.6倍，其中纯电动汽车产、销量分别为294.2万辆和291.6万辆，同比分别增长了1.7倍和1.6倍[1]。GB/T 31484-2015《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》规定，动力电池的循环寿命应不低于1 000次[2]。随着新能源汽车产业的快速发展，近几年会有大量的动力电池面临退役，需要报废处理。据测算，到2025年，动力电池累计报废量将达174万吨[3]。动力电池退役时，大部分模块并无严重的容量衰减，仍保留初始容量的77%[4]。相关政策规定，废旧动力电池的利用应遵循先梯次利用、后再生利用的原则[5]，因此大量的退役动力电池将进行梯次利用。这就需要相关技术来配套未来的产业发展。前期研究者进行的专利分析研究，主要针对电池回收大领域[6]，在梯次利用细分领域未见报道。

本文作者主要从专利的视角，对动力锂离子电池梯次利用技术进行统计和分析，通过对专利申请发展趋势、主要申请人、分布区域、技术领域和技术路线等的分析，探讨动力电池梯次利用技术的研究现状与发展趋势。

1 专利申请总体分析

所有数据来源于智慧芽专利数据库，专利检索申请日截止至2021年12月31日，检索得到690件专利申请。动力电池梯次利用技术的发展可概括为3个阶段:萌芽期、探索期和成长期。动力电池梯次利用专利发展趋势与动力电池报废量趋势基本一致，如图1所示。

图1 动力电池的梯次利用专利发展趋势与报废量趋势Fig.1 Echelon utilization patent development trend and waste quantity trend of power battery

2009年1月，中国启动了“十城千辆节能与新能源汽车示范推广应用工程”。受制于当时的技术，动力电池的寿命通常仅有2～3 a，在首批动力电池报废以及国家要求规范处理动力电池的交叉节点之下，我国首件动力电池梯次利用专利诞生于2011 a。2012年印发的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》[7]，明确建立动力电池梯次利用和回收管理体系，加强对废旧电池的回收利用。在政策支持下，2011-2015年的梯次利用专利年申请量维持在13件以内，该阶段为萌芽期。2016年1月发布的《电动汽车动力蓄电池回收利用技术政策（2015年版）》[5]，规定废旧动力电池的利用应遵循先梯次利用、后再生利用的原则，提高了资源利用率，同时，支持具备相应技术条件的企业开展废旧动力电池梯次利用。这一期，专利年申请量达到40件以上，并维持到2017年，为探索期。2018年2月，中国首个梯次利用领域的国家标准GB/T 34015-2017《车用动力电池回收利用余能检测》[8]实施，2018年新能源汽车产、销量分别为127.0万辆和125.6万辆。在国家标准规范和新能源汽车产业快速发展协同作用之下，梯次利用技术也得到快速跟进，到2018年，专利年申请量超过100件，该阶段为成长期。

2 专利主要申请人分析

中国梯次利用专利申请数量前10的申请人见图2。

从图2可知，国家电网有限公司（简称国家电网）和中国电力科学研究院有限公司（简称中国电科院）的梯次利用技术专利申请量领先于其他申请人，其他申请人专利数量约为10件，暂未形成规模。国家电网在动力电池梯次利用领域的专利主要集中在2018-2020年，年申请量在12件以上，而在2017年之前年申请量少于6件，申请趋势上与全国梯次利用专利申请量的走势基本相同。这与动力电池报废潮的到来和政策的引导密切相关。2019年，国家电网建设了国内首个电池梯次利用电网侧储能电站，探索以“变电站+储能站+光伏充电站+数据中心”的方式建设运营，助力实现“碳达峰”“碳中和”的目标。中国电科院是国家电网直属科研单位，申请的37件专利中，29件专利与国家电网为共同申请人。

3 专利申请区域分析

中国梯次利用专利申请数量前10的区域分布见图3。

图3 梯次利用专利申请数量前10的区域分布Fig.3 Regional distribution of top 10 echelon utilization patent applications

从图3可知，就地区申请数量而言，北京以120件的专利申请量居首位，广东以117件居第2位，江苏、安徽和上海分别为68件、55件和54件，分别居第3、4和5位，浙江、湖南、山东、河南和湖北的数量较接近，发展相对较均衡。

专利申请量排名前两个地区（北京和广东）的申请人类型结构见表1。

表1 典型区域申请人类型结构Table 1 Type structure of typical regional applicant

从表1可知，北京区域梯次利用技术专利申请人主要是高校/院校和电力企业，两者占比71.6%，其中高校/院所占比过半。广东区域梯次利用专利申请主要来源于企业，占比94.8%，包括电力企业、电池回收企业、电池设备企业和充电桩企业等，反映出广东的梯次利用产业化步伐比北京走得更前。

4 专利技术领域分析

通过国际专利分类（IPC），分析研究技术集中点和技术热点，得到的梯次利用专利申请主要技术领域分布情况见图4。

图4 梯次利用专利申请技术领域分布Fig.4 Distribution of patent application technology regions for echelon utilization

从图4可知，梯次利用专利中涉及H01M10（主要是二次电池及其制造）的占比32.8%;H02J7（主要是用于电池组的充电、去极化或由电池组向负载供电的装置）占比15.8%;G01R31（主要是电性能的测试装置）占比15.1%;H01M2（主要是非活性部件的结构零件或制造方法）占比10.7%;H02J3（主要是交流干线或交流配电网络的电路装置）占比7.6%;B07C5（主要是按照物品或材料的特性或特点分选）占比6.5%;H01M50（主要是除燃料电池外的电化学电池非活性部件的结构零部件或制造工艺）占比5.7%;H02J9（主要是用于紧急或备用电源的回路装置）占比2.5%;H02J15（主要是存储电能的系统）占比1.5%;G06K9（主要是识别模式的方法）占比1.5%。

2011-2021年梯次利用各技术领域发展态势见表2。

从表2可知，2016-2021年在梯次利用技术各领域中，H01M10的技术占比维持在28%～41%，相对稳定;G01R31的技术占比从2012年的50%降至2021年的14.9%，总体上呈下降的趋势;H02J7在2011年、2012年和2014年均无相关技术申请，在2015年后占比稳定维持在约15%;H01M2在2014年首次出现，经历了从2016年的5.6%上升至2018年的23.8%（顶峰阶段），之后持续下降至2020年的 7.1%水平。2011-2021年，H01M10、G01R31和H02J7的占比之和均不小于50%，为主要技术领域;H01M50连续3年（2019-2021年）持续增长。

5 专利技术路线分析

图5为专利申请量排名前3的专利申请人近3年的专利申请情况。

图5 专利数量前3的申请人分析Fig.5 Analysis of the top 3 patent applicants

从图5可知，近3年国家电网、中国电科院和邦普循环的梯次利用专利年均申请量分别为10件、5件和4件，国家电网的年均专利申请量明显大于另外2家企业。2021年国家电网和中国电科院专利申请量均出现了下降，均仅为2件，这可能是在梯次利用储能电站安全事故影响之下，用户端开始对梯次利用失去信心，技术研发重心发生转移。

退役动力电池梯次利用主要过程包括拆解、评估、分选、重组和场景应用等环节。将退役电池做成梯次利用产品，还需要对退役电池的寿命进行评估，以确保产品质量。为了对重组后的电池进行精准的控制管理，研究人员专门开发了电池管理系统（BMS）和控制方法。生产制造梯次利用产品还需要使用到机柜等附属件。

研究2019-2021年申请数量排名前3的申请人申请的87件专利（若国家电网与中国电科院为共同申请人，仅计1件专利），可以了解我国动力电池梯次利用领域目前主要的技术和发展趋势。研究结果见图6。

从图6可知，在这87件专利中，场景应用占比最高，为24.1%，表明场景应用属于梯次利用的研究热点，梯次利用研究侧重于实际的应用落地。分选、评估占比相近，分别为20.7%、18.4%。寿命预测、重组和安全占比相近，分别为12.6%、9.2%和8.0%，表明在技术研究上更倾向于电池来料时的分选、评估等前期环节，而弱化安全、重组等后期环节。安全研究主要是为消除退役电池存在的不稳定因素而开展的，但该领域占比较低，主要原因是通常在梯次利用前期评估、寿命预测环节间接实现了梯次利用电池的安全应用。这也反映出目前梯次利用专利在安全和重组等领域的数量较少，后期可在上述领域加强布局。

对作为研究热点的场景应用类专利进行分析，按不同的应用场景分类，得到图7。

图7 场景应用类专利分析Fig.7 Scenario application patent analysis

从图7可知，针对场景的应用类专利，主要有储能系统、路灯、光伏储能、便携式电源、发光斑马线和教具等。储能系统为主要的应用场景，涉及的专利占所有应用领域的57.1%，是当前研究的技术热点。

6 结论与建议

我国动力电池梯次利用目前处于成长阶段，近年来，随着动力电池报废量的增加以及政策的支持，不断受到技术人员的重视，专利年申请量已达100件。申请人呈现既集中又分散的状态，集中是指国家电网、中国电科院等单位的专利数量远超出其他申请人，分散是指申请人数量众多，专利申请规模不大，技术布局零散。

目前，我国动力电池梯次利用行业的研究热点是针对不同场景的梯次利用产品应用，产品应用中以储能系统研究居多;同时，对梯次利用过程涉及的拆解、重组、安全和环保的重视程度不够。针对行业发展的现状，本文作者提出以下几点建议:

企业应加大对动力电池梯次利用的全流程研究。在关注梯次利用场景应用的同时，关注产品生产过程的拆解、重组、安全和环保等。拆解的效果不仅影响可梯次利用电池的收率，而且影响拆解过程的安全。梯次利用电池性能离散性强，重组不仅影响整个系统的容量，还会对整个系统寿命及安全性产生重要的影响。建议尽快启动针对拆解、重组、使用环节的环保处理和安全控制的研究。

企业应加强梯次利用产品降成本的研究。新品电池成本在不断压缩，价格不断下降。梯次利用产品若没有成本优势，有可能面临无法与新品电池竞争的局面，对梯次利用行业的发展将产生很大的影响。目前已开展针对梯次利用电池的控制管理算法，若重新设计BMS，会提高使用成本，将改进的控制管理算法用原BMS来执行，可能是发展的方向。

产业链上下游应协同发力。动力电池在产品设计上应考虑可拆解性、BMS可回收性、通讯端口和协议标准化等。动力电池包在使用过程中，通过大数据为退役电池回收定价、电池可梯次利用评估、梯次利用产品寿命及梯次利用产品定价等提供更科学的依据。在梯次利用产品落地销售层面，可能还涉及商标等知识产权的问题，需要通过政策的引导来打破壁垒。梯次利用是整个新能源产业要去面对和解决的问题，通过产业链上下游协同发力，才可以促进梯次利用行业的发展。