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锂离子电池储能系统消防技术的中国专利分析

作者:曹志成等 来源:储能科学与技术 发布时间:2022-08-19 浏览:

中国储能网讯:

作者:曹志成 1 周开运 2朱家立 2刘高明 2严慜 2汤舜 1曹元成 1程时杰 1张炜鑫 1

单位:1. 华中科技大学; 2. 国家电网湖州供电公司

引用:曹志成,周开运,朱家立等.锂离子电池储能系统消防技术的中国专利分析[J].储能科学与技术,2022,11(08):2664-2670.

DOI:10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0253

摘 要 以锂离子电池为代表的电化学储能技术当前进入了快速发展期,在我国能源消费结构调整和可再生能源比例提升方面具有重要意义。储能消防技术是锂离子电池储能系统规模化应用的安全保障。为了解储能消防技术的研发现状,本工作以国家知识产权局公布的专利检索与分析系统数据中的储能消防领域专利数据为分析对象,以灭火剂(A62D)、储能用消防装置(A62C)以及储能消防策略和逻辑方法(G06K)为主要内容,探讨了储能消防技术在国内的发展,并从专利年限分布、专利技术分布、专利地域分析及主要申请人4方面进行总结分析。结果表明,储能消防技术及其应用总体呈快速增长态势,其中消防装置研发专利申请占比多,专用灭火剂研发处于高质量发展期,消防机制设计仍处于缓慢增长期。北方地区申请单位以高校和事业单位居多,而南方地区申请单位以商业公司居多,这与电化学储能商业化应用水平是分不开的,总体上储能系统消防技术仍需要主要研发单位的引领探索。可以预见储能系统消防技术专利量仍然会保持发展态势,相关政策及市场结合将持续激发技术研发活力。

关键词 电化学储能;专利;锂离子电池;消防技术

1 电化学储能系统及其消防技术

1.1 储能系统发展现状

在“碳达峰、碳中和”的绿色建设背景下,储能成为支撑能源转型和新型电力系统建设的重要手段。锂离子电化学储能装机量增长迅猛。储能系统可支撑电源侧新能源电力与传统发电模式协同优化发展,提高新能源的配置水平;强化电网侧的调频、调压、顶峰、事故备用、黑启动等特殊功能能力,提升系统安全稳定水平;满足消费端多元化、精细化、定制化用能需求,培育能源消费新形态,具有重要作用。近年来,电化学储能系统的核心技术不断突破,应用需求不断拓展,电化学储能系统整体呈现加速发展趋势,2020年内新增电化学储能装机突破1 GW,累计装机占非抽水储能装机总量的86%。2021年国家及各地方“十四五”规划相继出炉,电化学储能装机规划在建规模超过30 GW[2]。图1展示了2020年国内电化学储能装机规模排名靠前省份,数据来源于中国化学与物理电源行业协会储能应用分会2021年5月发布的《2021储能产业应用研究报告》。表1展示了“十四五”电化学储能发展规划中各地方出台的多个储能支持政策及电化学储能相关规模,数据来源于中关村储能产业技术联盟。

图1   2020年国内电化学储能装机主要省份及装机量

表1   各地方出台“十四五”规划文件电化学储能装机量

1.2 储能系统消防技术需求

以锂离子电池为代表的电化学储能技术由于其循环性能好、无记忆效应、比能量高等优点,成为目前电力储能领域装机容量增长最快的储能技术,截至2020年底,锂离子电池的累计装机规模占电化学储能装机规模的80.6%,且正在不断扩大。但目前锂离子电池仍未达到本质安全,一旦电池处于内外短路、过充过放、过热挤压等条件下,就有可能引发内部电解液和电极材料的链式反应,进而进入不可控的电池热失控进程。集装箱式锂离子电池储能系统是以锂离子电池为基础的大规模储能单元集成体,由于储能系统中锂离子电池的集群规模,大规模锂离子电池储能系统的扑救相较传统火灾存在消除单元热失控、防止大规模热失控蔓延导致连锁反应等特殊要求,一旦某一储能单元发生火灾,将会引起相邻多台储能单元的连锁火灾反应甚至箱体爆炸,火灾荷载大、危险性高且难于扑救,造成重大的财产损失。2018年7月2日,韩国灵岩发生一起大规模储能系统着火事故,其中,708 m2建筑及3500多个电池被烧毁,经济亏损约46亿韩元。美国亚利桑那州APS公司的电池储能系统于2019年4月19日发生起火爆炸,此次事故除了造成巨大的经济损失外,还致使4名消防员受伤。如表2所示,全世界范围内锂离子电池储能火灾安全事故时有发生,造成了重大的财产损失。

表2   全球锂离子电池储能电站火灾事故不完全统计

储能系统的消防安全问题已成为制约锂离子电池储能大规模推广的关键瓶颈,随着锂离子电池储能系统加速从示范应用落地商业化拓展,迫切需要针对储能系统消防技术进行研究与开发。

无论是从推动新能源电力在现有电力结构下的拓展,保障电化学储能系统安全稳定运行,还是从保证人民生命财产安全,坚持环境友好和可持续发展的初衷来看,储能系统消防相关技术已然成为当前新能源产业研究的热点领域之一,国内外学者也从不同技术层面对储能系统消防技术进行了研究和综述。如图2所示,储能系统消防技术主要研究方向包括储能系统消防装置开发、储能消防机制设计和针对锂离子电池的新型灭火剂开发,其中消防机制开发是指侧重对储能单元的健康状态进行监测并能够在电池热失控发生各阶段进行响应的逻辑方法;消防装置和灭火剂开发则是侧重消防应急响应速度和消防效果,保证对储能单元热异常和外部环境的灵敏度和即时响应能力,确保消防效果。然而,这些技术在相关产业的应用情况很难从相关文献中获取。因此,有必要从知识产权的角度对现有储能系统消防技术,特别是上述3个主要方向的工程化情况进行分析研究。

图2   储能系统消防技术主要领域

2 储能系统消防技术相关专利申请情况

2.1 研究数据与方法

为了获得国内电化学储能系统消防技术各方面的专利情况,选择以国家知识产权局专利检索系统(http://pss-system.cnipa.gov.cn/)进行检索与分析,该平台提供了一个免费的访问数据库,其中包含来自世界各地的约9000万份专利文献数据。为了检索相关新型灭火剂、装置及机制技术,分别以IPC分类号为(A62D1/A62C1、H01M10/G06K9)等,结合关键词“锂离子电池/锂电池”“消防”“灭火”进行组合,对以相关IPC分类号为主、摘要栏输入关键词进行二次检索,并核对检索结果的专利摘要和说明得出储能消防机制设计、储能消防装置设计和专用灭火剂设计方向的检索结果。检索结果如表3所示,专利检索截止到2022年1月1日。经筛选后得到相关专利191项,以此为基础进行趋势分析。

表3   主要技术领域专利统计

2.2 储能消防技术年度趋势分析

趋势分析是为了分析该领域专利申请在各年度申请专利数量的趋势变化,从而反映出申请时间、技术发展与落地情况。储能系统消防技术及各技术领域专利申请量随年度变化如图3所示。

图3   储能系统消防相关专利年度申请趋势

从图3可以看出,储能系统消防相关专利申请以发明专利为主,占总申请量的56.5%,还有发明授权专利18件,其余为实用新型。任何产品与技术都有其相关的发展阶段,一般有技术萌芽期、技术发展期、技术成熟期、技术衰退期和技术复苏期。本工作专利申请统计截至时间为2022年1月1日,截至该日期前,储能系统消防技术主要经历了技术萌芽期和技术发展期。如图3所示,关于储能系统消防5项专利首先于2011年被提出。其后至2016年,总申请量并未出现明显波动,这主要是由于储能系统消防技术需求来自于电化学储能发展的带动,我国电化学储能市场在2000—2010年还处于基础研发和技术示范阶段。2011年我国电化学储能装机量达到38.5 MW,于2015年突破100 MW,达到105.5 MW的总装机量。2016年6月,国家能源局发布了《关于促进电储能参与“三北”地区电力辅助服务补偿(市场)机制试点工作的通知》,明确指出电化学储能与机组联合参与调峰调频,承认发电侧/用户侧储能作为独立市场主体地位,2016—2020年,储能装机规模快速增加,由于消防技术不完善、不成熟,国内于本阶段早期发生了一些储能安全事故,引起了政策与市场的广泛关注,国家也相继出台了一系列政策强调主体责任,显著刺激了后期储能系统消防技术的快速发展。

2.3 储能消防技术领域分析

对储能系统消防技术进行领域分析是为了解释各类技术在不同领域的研究和应用情况随时间的变化以及相关技术的生长速度和成熟度。由检索结果可以看出,储能系统消防技术主要涉及以下几个IPC分类技术领域:A62C(消防)、H01M(电池组结构设计)、A62D(灭火用化学装置及组合物)、G06K(数据识别)、G08B(信号报警装置)。主要分布在A(生活必须)、H(电学)、G(物理)下的几个大类。其中,灭火剂研发主要集中在A62D中,消防装置主要集中在A62C和H01M中,消防机制设计则集中于G08B和G06K中。由图3中的各领域技术年分布可知,在消防装置方面的专利申请数量自2016年后即增长明显,常年保持32%以上的增长速度,远超其他两方面的研究与应用。这是由于电化学储能在扩展初期,面对不稳定因素和安全风险,亟需从装置出发对消防安全事故提供保障。2021年北京丰台区一储能电站发生火灾,事故造成两名消防员牺牲,一名员工失联,一名消防员受伤,引起了社会各界广泛关注。中国化学与物理电源行业协会、中国电力企业联合会、中关村储能产业技术联盟组织了多家相关企事业和研究单位开展了关于《储能用锂离子电池系统安全技术规范》《预制舱式磷酸铁锂电池储能电站消防技术规范》《锂离子电池储能系统状态在线监测与评价导则》的标准立项与制定,对电池系统安全等级做出详细划分,对安全技术水平提出一系列要求。在此期间,储能系统消防的技术和专利研发更加倾向于灭火剂方向。

调查技术发明专利年申请量及在总申请量中的占比,是分析该领域技术水平和评价该领域技术阶段的重要参考。如图4所示,储能系统消防技术在各个领域中的发明专利逐年增多,这说明我国对储能消防与安全领域技术的重视程度在不断提高,在市场和政策的双重刺激下,我国在储能系统消防领域的技术水平不断提高:在针对储能系统的灭火剂研发方面,发明专利数量不断增长,说明其研究范围逐渐扩大,研究层面逐渐加深。同时,发明专利占比基本保持了较高水平,说明在灭火剂研发领域,相关研究保持高水平发展;在消防装置开发方面,发明专利在2020年之前同样保持了高速增长的态势。特别是其发明专利申请数量占专利总申请数量于2016年后一直保持在50%以上,在2021年发明专利占比仍能保持增长,说明装置研发技术达到了技术瓶颈期,技术水平尚不成熟,相关标准的制定可以为装置研发技术指明发展方向。但是,在消防机制设计与开发领域,发明专利长期处于缓慢增长期,且发明专利在总专利占比不稳定。虽然在2021年发明专利占比首次达到了66%,但仍然需要市场和政策的持续关注。

图4   储能系统消防各领域发明专利年申请量及占比

2.4 储能消防技术主要申请人及地区分析

申请人员及发明人趋势分析可以反映出不同申请人或主要研发人员对特定领域技术的关注度和研究技术水平,体现该领域的竞争者分布、科研水平。专利地区分布分析则可以定量评价一个地区在相关领域技术的研究情况,反映地区对该技术的重视程度及研究水平,并借此描述专利地图。由于技术领域存在差别,分别以储能系统消防技术下属的3个领域进行分析。

由图5(a)可知,我国大陆地区储能系统消防技术专利主要来自北京(17.2%)、上海(6.2%)、天津(6.2%)、江苏(12.6%)、浙江(5.2%)等经济较强的省和直辖市,其中,北京市相关技术研发重点为消防装置开发,且其研发单位多为高校或事业单位,包括清华大学、国家电网有限公司、北京理工大学等,仅有2家商业公司申请了2项专利。天津市关于储能系统消防技术的专利申请主体同样有此特点。

图5   (a) 储能系统消防技术地域分布;(b) 相关领域专利主要申请人

我国南方部分省市在储能消防技术领域的研究侧重消防装置开发,同时兼有灭火剂研制。且研发技术和专利申请主体多为商业公司,例如上海,12项专利中有2项分别来自上海消防研究所和同济大学。说明我国南方省市在电化学储能系统及其消防技术的商业化应用领域的成果显著。对比图1中电化学储能装机量处于前列的省份,可以明显得知广东、江苏及安徽在推广电化学储能系统的同时兼有大量相应消防安全技术的研发,这与这些省份推广电化学储能技术商业化是分不开的。同时,我国西北地区作为在电源侧推进能源转型和新能源产业发展的主力军,在大力发展新能源技术与大型电化学储能系统应用的同时,应当注重电化学储能系统与其外围支撑技术和安全保障技术的协同发展。

图5(b)展示了储能系统消防技术各领域的主要申请人,可以看出,关于储能系统消防技术的专利申请主体和相关专利布局仍然主要来自高校研究所、事业单位、电力电池行业。其中,国家电网系统在储能消防技术的装置与系统研发、灭火剂开发方面都有较多布局且排名靠前,说明我国关于电化学储能系统及相关支撑技术仍然处于商业化早期,需要有关单位的引领探索;其次,储能系统消防各领域技术研发及专利申请主体为清华大学、华中科技大学、天津消防研究所等高校与研究所,说明相关技术对研究者的研究水平要求较高。应当推进产学研一体化进程,加快研究成果落地,为新能源产业推广保驾护航。

3 结 论

本文利用知识产权相关分析方法分析了储能系统消防技术及其各领域技术发展现状,结合相关政策引领和产业发展对技术研发进程、技术分布和现状进行了分析。将储能系统消防技术专利分为消防装置、消防系统和灭火剂3个方向,结果表明:①自2011年我国电化学储能技术进入示范应用期后,相关消防技术发展总体进入萌芽期。2015—2021年,随着相关政策和文件的发布,储能系统的市场化主体得到承认,储能系统消防技术进入了快速发展期。截至2022年1月1日,相关专利申请量达到191件,总体上以发明专利为主;②在专利技术领域分布上,消防装置研发是研究和专利申请的主要领域,以发明专利为主,并保持高速增长,2021年部分安全事件和各项标准的制定指出了消防装置的发展瓶颈和发展方向。灭火剂领域发明专利占比一直处于高水平,且发明专利申请量保持增长,说明其研究范围和研究深度在不断扩大加深。在消防机制设计开发领域,发明专利长期处于缓慢增长期,且发明专利占比不稳定;③我国储能消防技术专利主要分布在北京、天津、江苏、上海、浙江等省市。其中我国北方地区相关研究注重消防装置研发,专利申请主体多为高校和事业单位。南方地区侧重消防装置研发,兼有灭火剂和系统开发,且申请主体多为商业公司,这与电化学储能的商业化水平分不开。西北地区应当注意电化学储能技术和外围支撑保障技术的协同发展。储能系统消防技术各领域主要申请人仍然是高校、研究所和国家电网系统,储能系统消防技术仍然需要引领和探索。

根据当前技术发展现状,未来一段时间储能系统消防领域的相关专利应当仍会逐年增加。根据行业相关标准,参照当前技术路线,应当加强储能系统消防技术在消防系统开发的薄弱点,保持消防装置和灭火剂研发的增长态势。通过政策与市场相结合,引导技术落地,激发相关技术的研发活力,推动储能系统消防技术的健康发展。

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