锂离子电池具有高能量密度、高功率密度、高效率、长使用寿命等优越特性^[1-2]，不仅是电子产品、交通工具和航天设备的动力来源，还在电网运行过程发挥提升电能利用效率、降低供电成本、提高电力系统稳定性、补偿电网负荷波动的重要作用^[3-4]。截止到2021年底，全球锂离子电池在新型电力系统储能中累计装机规模达到了23.1 GW，占电化学储能累计装机规模的90.9%^[5]。锂离子电池按照正极材料分类可分为磷酸铁锂电池、三元锂电池、钴酸锂电池和锰酸锂电池等。各类电池的适用领域随电池能量密度、循环寿命、安全性等差异而有所不同。相较于注重能量密度、瞬态功率要求的动力电池，大型储能设备更关注电池的使用寿命和长期运行稳定性。磷酸铁锂电池和三元锂电池是当前储能电池的首选类型^[6-8]。

储能电站的火灾事故通常是单个电池发生热失控，瞬间释放大量热量，继而迅速蔓延至邻近电池，造成系统连锁反应，引发大面积电池组热失控，造成严重的火灾或爆炸事故^[9-10]。虽然单个锂离子电池的自失效概率仅有百万分之一，但储能电站因包含有大量(通常在几万至几十万节)的单体电池，事故概率风险随电池数量的增加不断增大^[11]。据不完全统计，近五年来全球储能电站火灾事故至少发生了45起，其中韩国34起、中国5起、美国3起，造成严重的人员伤亡和经济损失。近几年，随着电动汽车退役电池数量的增加，大量动力电池作梯度应用到储能领域^[12]。相关研究发现，锂离子电池随着使用工况和循环次数的变化，会出现不同程度的结构老化和性能衰减^[13]，其内部的枝晶生长、电解液消耗、界面阻抗增加等不良变化^[14-16]导致电池单体一致性差异变大，安全性随使用周期变差^[17]，因此退役电池在储能电站的应用将面临更高的安全隐患。

我国作为全球最大的锂离子电池生产和消费市场，非常重视锂离子电池储能系统安全问题的研究和技术应用。2021年12月首个储能用锂电池安全强制性国家标准立项^[18]。2022年4月，在工业和信息化部的指导下，中国电子技术标准化研究院召开了储能用锂电池安全强制性国家标准启动会^[19]。除了标准之外，研究论文和专利是研究成果传播的主要载体，科研论文侧重知识传播和分享，专利侧重于知识产权保护和助力技术转化。所以，通过专利分析可以挖掘相关知识产权的分布，并评估其应用价值，研判技术领域的发展态势。本工作针对锂离子电池储能应用领域的安全技术问题，以目前应用于储能电站的主要锂离子电池储能安全技术手段为脉络，基于IncoPat专利数据库对近年来相关专利进行检索归纳，分析锂离子电池应用于储能领域的技术现状和发展趋势，并通过我国与全球在专利主题和布局方面的对比，为锂离子电池生产企业以及国家职能部门制定引导性政策提供参考建议。

IncoPat专利数据库完整收录全球120个国家/组织/地区的一亿多件基础专利数据，拥有专利全文，对22个主要国家的专利数据进行过特殊收录和加工处理，尤其旗舰版增加了德温特专利信息，字段更加完整，数据质量高。同时，该数据库可以从专利国别、标准化申请人分布、技术构成分布、申请时间分布、合享价值度等多个侧面对领域内的专利进行宏观分析，总结领域专利申请的发展态势、主要申请人及主要技术主题，对于把握领域内的专利申请全局状况有非常重要的参考价值^[20]。

（1）检索年限：基于一般发明专利的保护年限为20年，本研究确定检索年限为2002年1月1日至2021年12月31日。

（2）检索词：基于目前锂离子电池储能安全问题涉及的主动安全技术和被动安全技术^[21]，参考相关领域的标准^[22-23]，咨询领域专家之后，根据专利分析数据库的既有功能，本文从4个技术主题考察锂离子电池应用于储能领域的安全问题，确定了4组分别代表不同技术主题的检索词。

在确定检索词之间的逻辑关系时，结合储能领域的具体应用方向，充分考虑了检索同义词，例如：除了“储能”外，还使用了“电网”“电站”“电池系统”“电池模组”等同类词作为检索同义词。同时，通过检索策略中逻辑算符“NOT”的应用进行了筛选，将“手机”“手提电脑”等3C领域应用的电池安全问题专利排除。

（3）IPC专利分类号：结合锂离子电池储能安全问题，先做初步检索、筛查以后确定与储能领域相关的IPC专利分类号。

基于以上参数，确定了4组检索策略，按照每组策略分别进行检索，最后做合并检索。检索结果分别为：

#1检索策略：聚焦从改进电池材料本身出发提高锂离子电池储能应用安全性，共检索到专利4619条，申请号合并之后共有专利3630件。

#2检索策略：聚焦通过热管理和电路平衡管理保障锂离子电池储能安全应用。共检索到专利1032条，申请号合并之后共有专利865件。

#3检索策略：聚焦锂离子电池及储能领域的状态监测、寿命评估、故障诊断和早期预警。共检索到专利3416条，申请号合并之后共有专利2777件。

#4检索策略：聚焦锂离子电池储能应用中防火防爆和发生火灾时的处理技术。共检索到专利1511条，申请号合并之后共有1342件专利 。

合并检索策略#1～#4得到锂离子电池储能安全技术的所有专利9311条，申请号合并后为7555件。

图1显示全球和中国专利申请数量随时间的变化态势。中国申请的专利总数最高，在全球占比62%，专利申请数量变化趋势与全球一致，呈持续增加态势。全球专利发展趋势根据增加程度划分为3个阶段，各阶段对应的专利来源国分布见图2。

虽然锂离子电池在储能领域的应用很早就有了，但是关于安全方面的专利到2002年也只有少量出现。这一时期的专利共449件，主要由日本、美国、韩国、中国、法国申请，日本最多为209件，中国52件，中国申请的专利只占全球申请量的12%。持有专利较多的申请人包括LG集团、旭化成株式会社、松下集团、三星集团、艾克森美集团等。中国的比亚迪公司等机构拥有部分专利，但数量较少。

这一时期专利申请数量持续增加，共有1941件专利，从2006年的135件增加到2013年的483件。这一时期的专利集中在中国、日本、美国、德国和韩国，特别是中国专利数量增长很快，跃升为全球第1位，有专利790件，占比40%。

这一时期专利申请数量进入了快速增长期，共有5165件专利，从2013年的483件增长到2020年的905件，2021年略有回落是由于专利数据滞后的原因。这一时期的专利依然集中在中国、日本、美国、德国和韩国，中国申请的专利数量飞速增长，全球占比达到75%。同时，中国国家电网有限公司(国家电网)、宁德时代新能源科技有限公司(宁德时代)、合肥国轩高科动力能源有限公司(国轩高科)等机构与德国的博世公司、日本的东丽公司一起在专利数量上成为第一梯队。国家电网专利数量高达85件，大幅领先于其他申请人。

储能用锂离子电池的安全问题，涉及到电池本身的安全性和作为储能系统使用时的系统的安全性。全球专利技术主题发展趋势如图3所示，各时期对应不同主题的专利数量如图4所示。分析发现在起步阶段67%的专利都是从电池材料本身出发解决安全问题，诸如改进电极、电解质或隔膜材料等来提高电池的安全性能；33%的专利技术是针对电池或电池储能系统的状态评估、寿命预测、故障诊断及早期预警保障电池系统的安全；5%的专利从热管理及电路均衡管理的途径提高锂离子电池系统的安全性能，6%的专利涉及电池系统灭火和防火的技术。在第二阶段增长期，55%的专利主题从改进电池材料出发提高系统安全性能；40%的专利针对电池或电池储能系统的状态评估、寿命预测、故障诊断及早期预警保障电池系统的安全；8%的专利针对热管理及电路均衡管理的途径提升系统安全性；10.5%的专利关于锂离子电池储能系统的防火和灭火技术，特别是后三者的占比均较起步期的占比有很大提升，说明技术开发不仅关注电池本身的改进，也更加关注电池储能系统的改进。第三阶段快速增长期，从电池材料本身出发提高安全性能的专利占比44%，远远低于前两个时期的占比，说明储能领域的安全问题已经从关注电池材料的改性转变到其他领域；36%的专利从状态监测、寿命预测、故障诊断及早期预警的角度提高电池的安全性能，较上一期占比略低，但改变幅度不大。13.3%的专利通过热管理及电路均衡管理的途径提高锂离子电池系统的安全性能，较增长期的占比大幅度提高。值得一提的是，关于锂离子电池系统的防火和灭火技术的专利也迅速上升到了22%。所以，这一时期锂离子电池储能安全技术专利数量大幅度提高的同时，在技术领域分支上也更加全面发展，状态监测、寿命预测、故障诊断和早期预警领域的专利占比已经与电池本身材料改性技术的专利基本持平。因此，储能系统的整体安全防护技术预计会受到更多重视，同时在一个专利中实现不同途径的安全保护也是一种技术开发趋势，在专利主题分析中发现，有1010件专利同时涉及两个技术主题，占全部专利的13%，并有很少量(10～20件)专利涉及3个技术主题。

通过对电池材料(包括正极、负极、隔膜和电解液)进行改性，可以减少电池内部的反应，从而实现固有安全性^[24]。电池材料改性的目的很多，提高安全性能是其中之一，另外储能领域的应用也仅仅是锂离子电池的应用领域之一，本工作只统计以安全为目的的，应用于储能领域的锂离子电池材料改性方面的专利。关于该领域技术的专利共3630件，占全部专利的48%。主要技术包含：①元素置换法和表面涂层法，表面涂层可以改善电极材料的电化学行为，包括过充容错和与产热相关的安全问题，涂层材料包括氟化物、磷酸盐和固体氧化物等^[21]；②电极材料的选择对锂离子电池的安全性也有很大的影响，除石墨等碳材料外，还包括新型非碳负极和硅基负极等；③采用新型锂盐和电解液添加剂，使电解质具有阻燃性；④多层结构隔膜和隔膜涂层；⑤电池材料的制造工艺改进。

该领域的专利共有2777件，占全部专利的37%。该领域的技术主要包括：①测量锂离子电池的电流、电压、表面温度等的不同类型的传感器、电子元件及测量方法；②锂离子电池及储能系统的热失控智能检测装置；③锂离子电池及储能系统的内部温度、电荷状态、放电深度、健康状态、剩余使用寿命和功率状态的估算方法及监测装置；④基于网络技术、机器学习等方法的传感器等故障监测装置的使用。

该领域的专利只有865件，占比最少，为11%。该领域的技术主要包括：①用于热管理的冷却和加热系统，例如内翅片与风冷系统结合，或者翅片与相变材料结合的热管理系统；②基于神经网络和模糊控制的电池均衡方法；③控制平衡电路的装置，如并联旁路或模拟器件；④电池模组连接方式的优化，如增加散热机构等。

该部分专利共有1342件，占比为18%。从前面的分析得知，在锂离子电池储能安全专利技术中，关于防火防爆、扑灭火灾的专利技术占比一直处于增长态势，这一领域的技术还有很大的拓展和开发空间。目前，该领域的技术主要包括：①储能系统火灾检测和预警装置；②储能系统的火灾预防策略，如在电池系统中加阻燃材料层和安全保护装置；③储能系统火灾的灭火装置，包括冷却系统、惰性气体喷射系统等。

将退役动力电池梯次利用于储能领域是能源政策的重点方向，基于此，对该领域的安全技术专利重点分析，以便掌握该领域的安全技术发展态势。经检索，该领域的专利共有490条，专利申请号合并后为375件，与全球锂离子电池应用于储能领域的安全技术专利总数相比数量较少，说明该领域的技术目前申请量不多，关注度不够。中国专利数量最多，为251件，占比67%，其次为美国(80件)和日本(15件)(图5)。对专利申请趋势进行分析(图6)，从2014年开始，关于退役锂离子电池安全评估技术的专利数量出现了快速增长的趋势。综合各方因素看来，中国以国家电网为领军的企业应抓住时机，在该领域有所突破。

主要申请人不仅在专利数量上占优势，也往往是这个领域核心技术的拥有者。分析主要申请人所拥有专利的发展态势，有助于了解该领域的前沿技术，同时有助于分析锂离子电池储能安全技术的研发竞争和市场竞争格局。本文将申请数量排名前20的申请人界定为“主要申请人”，检索分析结果如图7所示。

在主要申请人中，中国申请人占据4席，包括位居第一的国家电网、位居第十的国轩高科。日本占9席；韩国和美国各占2席；德国、法国和比利时各占1席。从主要申请人占本国专利申请总量的百分比进行分析，发现中国5%、日本32%、美国10%、韩国40%、德国26%、法国30%。从这些公司的专利数量和专利在本国占比可见，中国的专利申请分散于多个申请人，集中度不高，而其他国家的专利集中在少数企业中，说明其他各国形成了技术优势企业主导技术研发的态势。

专利的价值体现在其战略价值、技术价值、经济价值、法律价值和市场价值等多个方面^[25]。本文采用合享价值度作为专利评价指标，该评价指标的设计兼顾了专利评价的全面性和客观性，其综合评分值计算过程严谨，基于高价值专利样本与数据库全库的专利样本的两百余个参数比较分析，选用包括专利类型、被引证次数、同族个数、同族国家数量、权利要求个数、发明人个数、涉及IPC大组个数、专利剩余有效期等在内的23个对专利价值影响较大的参数，根据样本函数关系获得权重系数，通过均衡、迭代和优化，获得专利价值度的综合评价分值，是目前广泛采用的评价指标。

对主要申请人的专利价值度分析发现(图7)，三星集团的高价值专利最多，达44件，占该公司专利总数的65%；LG公司的高价值专利为第二位，共42件，占该公司专利总数的78%；旭化成株式会社的高价值专利为28件，占该公司专利总数的90%；东丽公司的高价值专利为27件，占该公司专利总数的57%，其他国外公司的高价值专利占比大都超过50%。相比之下中国公司只有宁德时代的高价值专利占比超过50%，国家电网虽然专利总数第一，但是高价值专利只有18件，占其专利总量的17%。因此，中国企业在锂离子电池储能安全领域的关键技术掌控上与国外企业相比仍有较大差距。

对主要申请人的高价值专利的分析发现，超过60%的专利涉及材料改性，其次近30%的专利涉及电池及电池系统状态监测的专利技术，而涉及热管理电路管理、防火防爆及灭火技术的专利最少，均占5%～6%。材料改性主题的高价值专利数量多，与其技术的成熟程度密切相关，而近年来，随着锂离子电池在储能领域应用的推广，后3种技术主题的高价值专利会逐步涌现出来，毕竟促使一个专利成为高价值专利的重要参数之“被引频次”和“同族专利的个数”需要时间的积累。

按照国际专利分类(IPC)对主要申请人的专利申请进行技术领域的划分(表1)，可以考察该领域的研发重点。由于一项专利申请可能同时归属于多个技术领域，所以该项统计中的专利总量高于申请总量。表1展示了专利申请量排名前二十的技术领域分布情况。可以看出，相关研发主要集中于以下方面：①从电池本身及其部分材料出发改进从而提高电池的安全性，包括正极、负极、电解质和隔膜材料的制备、改性或电池结构改造，例如H01M2/16、H01M10/0525、H01M10/52、H01M10/04、H01M2/14、H01M4/62、H01M10/0567、H01M10/058、H01M4/36、H01M4/13、H01M4/131；②电池组充电或放电的方法及充电或去极化或用于由电池组向负载供电的装置，如H02J7/00、H01M10/44；③电池组性能测量、电池组状态的监测装置，如H01M10/48、G01R31/36；④用于电池组的其他连接部件等，如H01M2/34、H01M2/02；⑤电池使用或维护的方法或装置，如H01M10/42、H01M10/613。

专利申请来源国情况能够反映技术研发的国际竞争格局。将检索到的专利按照申请人国籍进行分类统计，得到专利申请主要来源国情况(图8)，本文主要申请国是指专利数量加和占全球专利总数95%的专利申请国家。分析发现：来源于中国的专利数量最多，共4698件，占全球专利总量的62%；来源于日本的专利数量为1239件，占比16%，位列第二；此后依次为美国(663件)、韩国(301件)、德国(277件)、法国(110件)。中国、日本、美国、韩国、德国和法国的专利数量之和占全球总量的96.5%，基本涵盖了该领域的主要技术。

专利布局是申请国在世界各国和专利组织的专利申请情况，反映了所拥有的专利技术在全球的竞争力。主要申请国在全球的专利布局情况见图8。美国超过60%的专利在本国以外的国家和地区申请，法国将近80%的专利在本国以外的国家申请，日本和韩国均有47%的专利在本国以外的国家申请，中国申请的专利只有4%在国外申请，这说明中国的专利技术在全球处于领先地位的占比较少，因此中国的申请人竞争力也就相应地较弱。中国海外专利的拥有者主要是宁德时代、中国能源科技有限公司和南通沃德材料科技有限公司等，这些企业的海外专利申请代表着这些企业在该领域的全球竞争力。

本次研究主题的主要申请国专利合享价值度分布如图9。日本拥有合享价值度为10的专利数量最多为402件，虽然日本专利总数小于中国，但合享价值度为10的专利数量却远远超过中国。同时，美国和韩国合享价值度为9～10的专利数量占其本国专利数量的58%，日本和德国合享价值度为9～10的专利数量与其本国专利数量的占比也接近50%，法国甚至超过60%。在合享价值度为10的专利与本国专利的占比上，中国只有2.3%，德国22%，日本32%，其他国家均在40%以上。对比发现，中国的专利在数量上虽然占绝对优势，但在高价值专利上还需继续努力，在追求专利数量的同时要提高在核心技术方面的攻关。

对主要申请国不同技术主题的专利申请量及专利价值度的对比分析(表2)发现，在4个技术主题上，中国申请的专利在数量上都占有绝对优势，与各个技术主题的全球专利数量对比，材料改性主题超过50%，状态监测与评估主题占比超过60%，平衡管理及防火灭火技术主题占比均超过80%。在合享专利价值度上，美国和日本的合享专利价值度为10的专利最多，在核心技术上是我国主要的竞争对手。我国的优势在于合享价值度为9的专利数量在各个技术主题上均居世界首位，尤其是在平衡管理和防火灭火技术主题上合享价值度为9的专利数量更是遥遥领先，显示出我国在该领域强大的科研潜力。

（1）全球锂离子电池储能安全技术领域的专利数量经历了三个阶段：起步期(2002—2006年)、增长期(2007—2013年)和快速增长期(2014—2021年)，预计今后还会有一段时间的持续快速增长。研发技术主题的重点也随时间发生变化，从早期的电池材料改性到目前的整体安全防护技术，同时防火和灭火技术也得到快速发展。

（2）对专利国际布局的分析发现，日本、美国、德国等国家的专利国际布局占比很高，并不断加强在中国的布局。我国的专利申请主要局限于本国，国际布局占比很小，与其他国家相比差距较大。同时，价值度为10的专利主要集中在美国和日本，我国明显不足。我国科研潜力巨大，在保证专利产出的基础上应当更加注重提高专利价值度，在领先世界的技术方面掌握更多的核心技术权。

（3）随着新型电力系统的飞速发展，电化学储能的装机规模呈现出爆发式增长，占比持续升高，同时锂离子电池储能在电化学储能中逐渐占据绝对重要地位。基于此，未来的专利技术会更集中于储能系统的整体安全问题，包括系统状态监测、寿命预测、故障诊断和早期预警、热管理及电路平衡管理、防火防爆及火灾扑灭技术等，与本文分析的专利技术主题发展趋势一致。未来应大力研发锂离子电池储能系统整体安全技术，增加该领域专利申请数量，同时加强国际专利布局，提高核心竞争力。

（4）随着电动汽车的市场占有率不断增加，退役动力电池的数量将会持续增长。将退役动力电池梯次利用于储能领域是能源政策的重点方向，而退役动力电池在安全性评估方面的复杂性阻碍了这一极具前景的路线的发展。我国应加快布局退役动力电池梯次利用的相关技术专利，在最大化退役动力电池剩余价值的基础上，为储能系统的安全可靠运行提供重要的技术支持。