全球退役动力电池回收技术专利布局

发布时间:2021-10-11

来源:姑苏实验室G2116项目组  作者:战略规划部 陈晨日 

随着国际对电池关键材料的战略部署逐步明确、我国对动力电池回收的日益重视,相关企业需要提前布局国内外专利,避免受到专利技术壁垒的不利影响。

本文作者基于patsnap专利检索平台,通过关键词及国际专利分类(IPC)号结合的方法对退役动力电池再生利用相关的五个技术分支:放电预处理、拆解、浸出、金属分离提取、前驱体合成[1]进行专利检索分析,并进行趋势、区域、申请人、技术分支等分析,结果表明:

1)现阶段退役电池回收技术处于萌芽期,集中度较高,预计在近年将步入成长期。总体上,退役电池回收技术的未来发展前景良好,现阶段开展技术研发,可储备较多的基础技术专利。

2)中国市场及中国申请人是退役电池回收技术的主要国家和申请人,但中国申请人的国际布局较少,国外申请人更具全球视野,未来开拓国际市场,可能存在技术壁垒。未来中国专利权人应积极在日本、韩国、欧洲、美国布局,强化全球市场的专利布局。

3)中国的高校科研院所、企业都具有较多的专利申请,研发主体分布均衡,不仅具有理论研究也有实际应用研究,并且梯队的持续研发能力较强。但从申请量上,国内企业与住友金属仍有差距。

4)技术分支上,拆解技术是近年的主要申请方向。中国市场的拆解技术专利量多于金属分离提取技术,而在其他国家和地区金属分离提取技术的专利量大于拆解技术。在放电技术上,丰田汽车排名第一,金属分离提取技术上,住友金属具有绝对的优势。我国企业仍需加强放电、金属分离提取技术的专利布局。

5)在金属分离提取技术的细分领域,主要为三元锂电池技术,未来几年也将以三元锂电池、磷酸铁锂电池的专利布局为主。


01专利发展趋势分析

趋势分析是为了揭示专利申请人各年度申请专利数量的趋势变化,从而反映出申请时间与技术发展情况。

从2001年开始的退役电池回收技术专利申请量(项)随时间的变化曲线如图1所示。

图1:退役电池回收技术全球专利申请趋势

从图1可以看出,总体呈上升趋势。

2018年年申请量达到1065项,2019年年申请量达到1053项。在2013年年申请量达到419项为其中一个峰值,这是由于四川师范大学在2013年进行了多达166项的专利“恶意申请”,若排除其影响,可以发现,从2001年至今,退役电池回收技术专利量年均增长率保持在30%左右,申请量呈现不断上升趋势。

进一步地排除2013年数据的干扰后,通过对每年的专利量和申请人数量分析,形成如图2所示的专利技术生命周期图,横坐标为专利数量,纵坐标为申请人数量,数据点为申请年。发展至今,相关技术的申请人数量增长态势较为平缓,研究和开发主要集中在少数申请人,而专利数量增加较为快速,通过匹配对照图(虚线),现阶段专利技术处于萌芽期,集中度较高。根据近几年退役电池的不断增加,到2025年动力电池的理论退役量将达到94.48GW•h,年复合增长率为47.16%[2],并且各国对于动力电池及回收技术的重视[3],预计在近年将步入成长期。总体上,退役电池回收技术的未来发展前景良好,现阶段开展技术研发,可储备较多的基础技术专利。


图2:退役电池回收技术的专利技术生命周期图


02专利区域分析

通过区域分析,明确优势国及我国的总体竞争态势。

从市场区域来看,有56%的专利布局在中国,其次是日本(10%)和美国(6%);从技术来源国来看,有55%的专利由中国申请人申请,其次是日本(15%)和美国(5%)。

图3:退役电池回收技术市场布局流向

结合市场区域与技术来源国,分析专利技术市场布局流向,如图3所示,对比中、美、日、韩、欧五个国家或地区的技术市场布局,各国申请人主要布局本国,其中中国申请人的专利布局较多,但多集中在本国,在欧洲只布局4件,在日本布局13件,相对较少;而日本申请人的全球布局较为合理,虽然其总量上不如中国申请人,但其在本国国内布局808件的基础上,在美国布局129件、在中国布局101件、在欧洲布局80件。

可以看出,相对地,国外申请人比中国申请人更具全球视野,将会成为中国申请人国际布局的主要竞争对手,相关技术也可能成为中国申请人开拓国际市场的技术壁垒。未来中国专利权人应积极在日本、韩国、欧洲、美国等区域布局,强化全球市场的专利布局。


03主要专利申请人分析


图4:退役电池回收技术主要申请人排名】

如图4,按照所属申请人(专利权人)的专利数量统计的申请人排名情况,反映不同申请人对退役电池回收技术的研究情况和技术水平,体现技术领域的竞争者分布,科研水平和技术专业性。

可以发现创新成果积累较多的专利申请人为住友金属、中南大学、邦普循环、格林美、国轩高科、中科院过程所、JX金属等。另外从申请人国别和申请人类型可知,日本企业住友金属以157项专利申请排名第一,此外日本企业还有JX金属和丰田汽车;中国的高校科研院所如中南大学、中科院过程所、昆明理工大学、兰州理工大学等;中国企业有邦普循环、格林美、国轩高科、豪鹏科技等。

总体上,国内企业、高校科研院所都有较强实力,在排名的第一梯队和第二梯队都有中国的高校院所和企业,说明在退役电池回收技术领域中国的研发主体分布均衡,不仅具有理论研究也有实际应用研究,并且梯队的持续研发能力较强。但从申请量上,国内企业与住友金属仍有差距。


04专利技术分支分析

通过分析退役电池回收技术的放电、拆解、浸出、金属分离提取、前驱体合成等五个技术分支的专利情况,了解退役电池回收技术各分支的创新热度。


图5:退役电池回收分支技术专利申请趋势

如图5所示,退役电池回收分支技术专利占比及申请趋势。

从数量上看,主要以拆解、金属分离提取技术为主,拆解技术申请量为3374项,占比47.12%,金属分离提取技术申请量为3264项,占比45.59%,之后是浸出、前驱体合成、放电技术。
从趋势上看,排除2013年四川师范大学的异常,五个技术分支的专利都呈上升趋势。在2008年前,五个技术分支数量平缓,从2009年开始,拆解、金属分离提取技术的专利申请量增加快速,2014年开始放电、浸出、前驱体合成技术的专利申请量增加明显。在2009-2015年间,金属分离提取的专利申请量逐年大于拆解专利,而在2016-2019年间,拆解的专利量逐年大于金属分离提取,并且近年的申请量大大领先其他技术分支。

退役电池回收技术由于电池的种类、规格多样,其中电池由壳体、正极、负极、电解液、隔膜等组成,拆解难度大,并且也为了减少环境污染,提高再生资源综合利用水平,拆解属于退役电池回收技术的基础,其设备集成度高,属于退役电池回收产业化前的关键技术。



6:退役电池回收分支技术市场布局情况


如图6所示,退役电池回收分支技术市场布局情况。

从数量上看,在各个技术分支上,中国市场的专利量都大于其他国家,尤其在拆解、金属分离提取技术上。

从各个技术分支的相对比例上可以看出,中国市场的拆解技术大于金属分离提取技术,而在其他国家和地区,如日本、美国、韩国、欧专局、世界知识产权组织,一般是金属分离提取技术的专利量大于拆解技术。


7:退役电池回收分支技术申请人情况

从具体的各个技术分支的申请人来看(图7),尽管在各个技术领域,中国区域专利量都远远大于其他国家和地区,但从申请人来看,主要研发主体上,中国申请人在各个技术领域并不具有绝对优势。

在放电技术上,排名第一位丰田汽车;在拆解技术上,国内主要企业格林美、邦普循环、国轩高科处于领先地位,而日本的JX金属、住友金属也有一定的专利量布局;在浸出技术上,国内主要集中在中南大学、中科院过程所等高校院所,之后是邦普循环和日本的JX金属、住友金属;金属分离提取技术上,住友金属具有绝对的优势,之后是中南大学和JX金属,而国内企业邦普循环和格林美也具有一定的专利布局,国内各高校院所在此领域也具有一定量的专利布局;在前驱体合成领域,主要为国内企业和高校院所。


05金属分离提取专利分支分析

金属分离提取,通过分析其不同的电池类型,分为三元锂电池、磷酸铁锂电池、铅酸电池。根据提取有价金属的情况,其中三元锂电池还包括钴酸锂电池、锰酸锂电池等包括钴、锰、镍等金属的电池。

图8:金属分离提取的技术分支专利申请趋势

如图8所示,在金属分离提取技术上,主要为三元锂电池,2825项,占比为73.02%,其次是磷酸铁锂电池、铅酸电池。

三元锂电池作为现有电动汽车的主要动力电池,也是电池退役潮的主力电池,全球技术也主要集中在如何回收三元锂电池。磷酸铁锂电池作为公交、大巴车等客车的主力动力电池,寿命约为8年,未来几年必将出现爆发式的动力电池退役潮,虽然其回收价值不如三元锂电池,主要价值为锂的回收,但采用高温修复法的全组分回收技术路线可以实现锂、铁、磷元素的高回收率[4]。

根据行业专利现状分析,我国企业与高校院所应进一步推进退役电池回收技术的研发,加强产学研相结合,扩大国际布局与技术分支的完善,推动中国退役动力电池回收技术领域的持续健康发展,以落实“双碳”战略,加快能源转型。

 

参考文献:

[1] 卫寿平,孙杰,周添,李吉刚,曹焕露.废旧锂离子电池中金属材料回收技术研究进展[J].储能科学与技术,2017,6(06):1196-1207.

[2] 李建林,李雅欣,郭丽军.退役动力电池梯次利用发展态势与政策体系研究[J].分布式能源,2021,6(03):32-37.

[3] 杨红斌.用于新能源汽车的锂离子动力电池研究进展[J].世界科技研究与发展,2020,42(01):79-86.

[4] 陈永珍,黎华玲,宋文吉,涂小琳,冯自平.废旧磷酸铁锂电池回收技术研究进展[J].储能科学与技术,2019,8(02):237-247.