随着能源存储技术的创新，新型储能技术已成为构建创新电力系统的关键技术，并为实现碳达峰和碳中和目标提供了重要支撑。因此，为了解包括电化学储能、压缩空气储能、氢储能等在内的新型储能技术的发展趋势和研究现状，本文基于新型储能技术领域专利数据，全面探讨了国内新型储能技术的发展。
主要围绕基于LDA主题模型的细分领域展开讨论，涵盖了专利年限、申请地域、申请人单位、合作关系等方面的分析，并深入探究了全球新型储能技术的现状与趋势。
结果表明，新型储能技术发展及应用总体上呈快速增长趋势，且中国在新型储能技术领域占据全球的重要份额。在中国专利领域，锂离子电池和超级电容器占据主导地位，表现出强劲的发展势头。压缩空气储能、氢储能、液态金属电池、水系电池等各类储能技术蓬勃发展。中国新型储能技术专利的申请主要集中在经济发达的省份或直辖市，如广东、江苏、北京、浙江等地。各地的重点研究领域有所不同，但申请单位都主要以高校和新能源领域的私企为主。基于上述发现，提出了未来新型储能技术仍需主要研发单位引领边远地区协统发展，高校与企业建立更为紧密的合作关系，共同推动新型储能技术产学研一体化发展。
作为构建新型电力系统的关键技术和基础设施，新型储能技术扮演着不可或缺的角色。它不仅是实现碳达峰碳中和目标的重要支柱，同时也是推动国内能源产业迎来新的商业模式、占领国际战略制高点的重要领域。在中国储能体系中，目前应用最为广泛的是以抽水蓄能为主的传统储能技术。该技术在储能领域中发展较为成熟，装机容量占比也最大，但因其存在建设周期长、受地形因素限制大等缺陷，故在应用上存在一定的局限性。相较于传统的抽水蓄能技术，以电化学储能为主的新型储能技术更为便捷，且不受区位限制，正成为储能产业迈向新的发展阶段的关键推动力。近年来，新型储能技术在各个细分领域不断取得重大突破，整体呈现出明显的加速发展趋势，其应用需求也在随之不断拓展。同时，国家“双碳”政策的实施极大推动了国内能源新业态的发展，为新型储能技术的应用提供了助力。
新型储能技术主要以输出电力为主，为外部提供动力，但不包括抽水蓄能等传统储能技术。目前，新型储能技术划分为电化学储能、热(冷)储能、压缩空气储能、飞轮储能以及氢(氨)储能等几种类型。电化学储能以其高能量密度和适用场景广等技术特点脱颖而出，相较于其他储能技术发展更为成熟，已经成为推动新型储能产业发展的重要动力。电化学储能领域下的锂离子电池、超级电容器、水系电池、多价金属离子电池和液态金属电池等细分领域各有优缺点，近年均不断取得突破性进展，这使得电化学储能发展迅猛。压缩气体储能技术因其储能容量巨大、储能周期长、系统效率高、运行寿命长、成本相对较低等优势而备受瞩目，被视为大规模储能领域最具潜力和发展前景的技术之一。此外，氢储能作为一种新兴的储能技术，具有成本低廉、使用寿命长的独特特性，且其使用过程不会对环境造成污染，表现出卓越的能源利用效率。这使得氢储能技术成为清洁能源消纳、电网调峰以及分布式能源系统等多个不同场景的理想选择。
专利作为技术研发和市场活动的客观反映，是全球最大的技术信息源之一，其具备格式规范、分类科学、内容详尽、时效性强、覆盖面广等显著特点。目前已有学者从专利视角对新型储能现状进行了分析研究，并取得了一定的研究成果。桂婕等的研究表明，国际新型储能领域的研发重点主要集中在电化学领域，这些技术以自身的通用性和广泛性为新型储能发展奠定了基础。此外，虽然中国专利在数量上多于美国专利，但美国在新型储能各细分领域技术上处于优势地位，中国更倾向于在新型储能的新兴细分领域发力以求弯道超车。张力菠等梳理了电化学储能电池技术的国际专利申请变化趋势，并使用LDA主题模型进行技术主题的识别，为电化学储能电池技术的发展规划及研发决策提供了有益的参考。王鑫等详细论述了超级电容器在国际上的研究与开发现状，突出了当前研发领域的热点问题、技术方向布局和竞争格局。
新型储能技术在实现中国“双碳”目标中发挥着关键作用，并且近年来得到了迅猛发展，其在国内的战略重要性日益凸显。然而，对于这一领域，目前基于国际专利文献的分析显然缺乏足够的针对性和系统性。为了弥补这一不足，本研究以国家知识产权局授权的新型储能技术领域专利为基础，深入探讨了国内新型储能技术的发展现状。通过对专利年限分布、专利申请地域分布、专利申请人单位分布以及专利申请单位间的合作关系进行详尽分析，并对全球储能技术进行对比分析，为我国在新型储能技术领域的发展决策和产学研合作布局提供了重要的参考依据。
1 中国新型储能技术专利分析
1.1 专利数据来源
储能技术的发展时间久远，早期主要是蓄水储能、飞轮储能等，技术已经非常成熟。随着对储能技术的经济性、便捷性、安全性要求越来越高，电化学、压缩空气、氢储能等各类新型储能技术不断涌现，正处于快速发展与极速变革期，分析相关发明专利的领域主题与发展趋势对于政府政策、企业投资、技术创新等具有重要的指导价值。本文以“新型储能技术”为主题，选择一系列储能领域关键词组合在国家知识产权局进行专利检索和采集，截止时间为2023年9月1日，共获取24909项专利。
1.2 基于LDA主题模型的中国新型储能技术领域细分
LDA模型是一种主题生成模型，被广泛应用于文本挖掘和主题建模领域。LDA模型以贝叶斯概率模型为基础，旨在从大规模文档集或语料库中发现潜在主题。在这个模型中，每个文档可以被视为一系列主题的混合，而每个主题则表示为一个词的分布。具体而言，LDA通过设定先验猜想值并通过迭代过程调整每个文档中每个词对应主题的概率分布以及每个主题对应文档的概率分布。这样，最终的结果就能够更符合实际文档集中单词对应文档的实际分布。用数学公式表示为：
其中，w代表词汇，d代表文档，t代表主题。这个公式表达了在给定文档的情况下，词汇出现的概率由主题的概率和词在主题下出现的概率相乘决定。LDA模型通过不断调整这些概率分布，使其能够更好地拟合实际数据，从而揭示出文档、主题和词之间隐含的关系。
本工作基于大量相关文献总结以及LDA主题分析结果，最终选择“锂离子电池”“超级电容器”“压缩气体储能”“氢储能”等8项新型储能技术进行深度分析。图1为各领域词云图，由图可以看出超级电容器领域的技术特征在于石墨烯复合材料的使用；多价金属离子电池领域的主要研究方向是锌离子和铝离子；锂离子电池领域在活性物质、电解液和隔膜等方向均衡发展；氢储能领域与电网调度优化和综合能源领域关联得比较紧密；石墨烯电池领域的技术特征在于电池组性能和热管理；水系电池领域的主要发展方向是磷酸酯等组合物在电解液中的应用；压缩气体储能领域在膨胀机、压缩机和发电机等领域均衡发展；最后，液态金属领域主要集中在控制系统，电池组和金属电极则集中在循环、均衡和效率提升等方向。词云图反映了技术发展的趋势和领域融合的热点方向，揭示了行业发展的重点。
图1 细分领域关键词云图
1.3 新型储能技术年度趋势分析
趋势分析旨在研究特定领域专利申请在不同年度的数量变化趋势，以全面了解申请时间、技术发展与实际应用情况的关联。各领域的占比情况如图2所示，锂离子电池专利数量最多，约占总量的79.48%；超级电容器占16.09%，位居第二；压缩气体储能和多价金属离子电池分别以1.99%和1.51%的占比位于第三名和第四名。前四名占据了专利总量的99%以上，处于新型储能技术领域的主导地位。液态金属离子电池、水系电池、石墨烯电池和氢储能均在0.25%左右，占比较少但发展空间较大。图3展示了新型储能技术及相关技术领域专利申请量随时间变化的趋势。
图2 新型储能技术相关专利各领域分布占比
图3 新型储能技术相关专利年度申请趋势
本研究的专利申请统计显示，新型储能技术主要经历了技术萌芽期和技术发展期。首次有关新型储能技术的授权专利于1997年提出，但直至2003年，年发明专利数量并未出现明显波动。而从2005—2010年，专利申请数量稳步上升，但没有突破1000件专利/年。这主要是因为在2000—2010年期间，与新型储能相关的技术处于基础研发和技术示范阶段。
2011年后，新型储能技术专利申请数量呈指数级增长。这是因为2011年国家能源局发布了《国家能源科技“十二五”规划》，该规划明确提出要积极布局储能产业，着力推进储能技术的研发。2017年《关于促进储能技术与产业的指导意见》明确支持大力发展“互联网+”智慧能源，促进储能技术与产业的全面发展，为能源革命提供支撑和动力。2023年7月，工业和信息化部、国家发展改革委、商务部联合发布了《轻工业稳增长工作方案(2023—2024年)》，其中提出了具体的发展方向。方案要求加快铅蓄电池、锂离子电池、原电池等领域的关键技术及材料研究应用，特别关注提高电池能量密度、降低热失控等方面的创新。在不断提出相关政策的推动下，中国新型储能技术迎来了快速发展，专利申请数量迅速增加，同时获得授权的专利数量也大幅提升。这一系列政策的出台为新型储能产业的进步奠定了坚实基础。
作为新型储能技术的主要细分领域，电化学储能技术经历了漫长的发展历程。自1993—2008年，这一领域一直处于初创时期。而在2009—2023年期间，其迎来了蓬勃发展。电化学储能的主要子主题包括锂离子电池、石墨烯电池、超级电容器等。锂离子电池于2005年首次提出，经过5年的沉淀阶段，于2011年开始进入高速增长期。截至2022年，共有19798项授权专利。超级电容器于2007年面世，随后即进入成长期，自2020年以来每年的专利申请量均保持在30项以上。此外，水系电池、多价金属离子电池、液态金属电池、氢储能等技术自2010年后逐渐崭露头角，展示了我国新型储能技术发展日益多样化的趋势。
1.4 新型储能技术主要申请人及其地区分析
对于申请人员及发明人的分析，可以揭示出不同的单位或地区对于特定领域技术的关注度和研究水平，从而呈现该领域竞争者的分布和科研水平的高低。同时，专利的地区分布分析可量化评估某一地区在相关领域技术研究中的表现，进一步反映该地区对该技术的关注程度。通过这一深度分析，我们能够绘制出专利地图，形象地展示出新型储能技术创新在地域上的分布格局。这样的分析有助于全面了解技术创新的热点区域和领先者，为未来的新型储能领域的创新方向确定和政策制定提供更为精准的参考。
如图4(a)所示，我国大陆地区的新型储能技术专利主要集中在一些经济较为强劲的省市，其中广东(占比18%)、江苏(占比8.6%)、北京(占比7.7%)、浙江(占比6.9%)、上海(占比5.9%)、湖南(占比4.6%)、安徽(占比4.0%)等省市为主要贡献者。锂离子电池(占比79.6%)和超级电容器(占比16%)是全国范围内的主要研究领域。图4(b)中展示了新型储能技术各领域的主要申请人，显示出与新型储能技术相关的专利主体和布局主要集中在高校、研究所、事业单位和新能源科技行业巨头。
图4 (a) 新型储能技术地域分布；(b) 相关领域专利主要申请人
在高校研究中，中南大学在超级电容器、多价金属离子电池、锂离子电池、水系电池等多个新型储能技术细分领域中均位列前茅，充分抓住了新型储能技术发展的机遇，并利用其装备制造和材料领域的基础优势，在新型储能产业中取得了较快的发展。在新能源科技行业的巨头中，如比亚迪股份有限公司、宁德新能源科技有限公司等，凭借先进的技术和丰富的经验，通过持续的研发投入和技术创新，提出了一系列高效、可靠、安全的新能源产品，涵盖了锂电子电池和石墨烯电池等领域。
我国南方部分省市在锂离子电池领域的研究较为突出，尤其是广东省。广东省在锂离子电池领域已申请了多达4000项专利，其主要研发单位涵盖新能源汽车行业巨头、高校和以南方电网为代表的国企。这表明我国南方省市在锂离子电池的商业化应用以及高校科研突破方面取得了显著成果，尤其在新能源汽车领域的应用方面领先全国。而以北京为代表的北方省市则在压缩气体储能、液态金属电池等领域走在全国前列。超级电容器、多价金属离子电池、氢储能领域的研发单位主要是高校，如清华大学、中南大学等。这表明相关技术对研究者的水平要求较高。应当加速产学研一体化的进程，推动研究成果迅速应用于实际，同时为新能源行业培养更多高技术高素质人才，促进技术的迅速发展与落地。水系电池、液态金属电池领域的研发单位主要为高校和国企，这与其拥有巨大的环保优势和较低的商业化水平密切相关。
1.5 新型储能技术申请单位合作关系分析
本研究以申请专利的国企、高校及私企等机构为研究对象，采用社会网络分析法，旨在深入分析各专利申请单位之间的合作紧密程度。社会网络分析法是一种定量分析技术，它将属性数据转化为关系数据来识别行动者关系。度数中心度是指与某一行动者直接相连的其他行动者的数量，用来衡量行动者在网络中的影响力。度数中心度越大，与其有直接联系的行动者就越多，其采取的行动就越有可能影响网络中的其他行动者。计算公式如下：
ki表示现有的与节点i相连的边的数量，N-1表示节点i与其他节点都相连的数量。本文通过考察申请(专利权)人之间的合作频度，对合作紧密程度进行划分并构建专利合作关系网络。在构建网络模型时，将具有合作关系的申请单位表示为网络中的节点，节点的大小反映获得专利授权的数量，节点连线的粗细程度反映合作的频繁程度。为了更清晰地呈现研究结果，我们根据单位属性将专利申请人划分为高校、国企和其他企业三种不同类型，并采用不同颜色标记不同类型单位的节点。
社团发现是将网络分成不同的社团，社团内部单位间合作较多，而与外部单位合作较少。本研究采用层次聚类算法来实现，具体的网络关系划分请参见图5。
图5 新型储能技术合作关系网络图
从图中我们可以观察到，在宏观层面上，高校与私营企业之间的合作关系更加紧密。这是因为私营企业涉足新型储能技术的产业应用领域，对技术支持的需求更大。这种合作在输出大量高质量专利技术的同时，也推动了企业与高校之间的紧密合作，实现了产学研的有效结合。值得一提的是，由清华大学主持，鸿富锦精密工业(深圳)有限公司参与的项目在锂离子电池、超级电容器等新型储能技术领域已经取得109项授权专利，成为该领域产学研合作的代表性案例。
国企内部单位之间的协作较为频繁，而较少与私企或高校在该领域进行外部合作。以国家电网有限公司为例，国网湖南、国网安徽、国网山东之间密切的合作关系及较少的外部合作表明了国家电网在新型储能技术研发方面的相对独立性。展望未来，这种自主研发的模式有望通过更深入的外部科研合作带来更多的创新技术。
在微观层面上，规模较大的节点主要集中在高校和私营企业。尽管高校节点总数较少，但每个节点的规模巨大。以清华大学为例，由于其优越的研发条件、实力雄厚的研发团队以及扎实的知识基础，该校在所有单位中合作的频次最高，申请的专利数量也排名第二。私营企业节点众多，占据所有申请单位的主体地位，主要以新能源科技企业为主。这些企业之间的合作关系紧密，反映了新型储能技术在企业间发展相对均衡。然而，大多数企业自身申请的专利数量并不多，这表明私企技术研发对外部合作具有一定程度的依赖。综合而言，各单位之间的紧密合作，充分利用各自的人才优势和技术优势，共同推动中国新型储能技术的发展。
2 全球新型储能技术对比分析
使用智慧芽专利检索系统通过关键词和IPC分类号对新型储能技术领域专利进行检索，获得截至2023年9月1日的38880项有效专利。根据检索得到的专利，图6展示了全球新型储能技术相关专利申请数量与年份之间的关系。整体而言，全球新型储能技术从2000年开始便呈现快速发展趋势，至2022年达到顶峰。其中2016—2018年的年增长率分别为50.46%、36.85%、35.41%，为专利申请数量的快速增长期。
图6 全球新型储能技术专利申请趋势与占比
全球新型储能专利数量及其受理局所属国家与组织如图6所示。其中，中国国家知识产权局以受理30383项专利的数量遥遥领先，占全球专利总量的78.15%，美国以2885项专利排名第二，占比 7.42%。可见，中国和美国站立在全球新型储能技术领域发展的前沿。与此同时，韩国、欧洲、日本、印度、加拿大、英国等国家和地区在新型储能领域也具有较强的实力。
在具体的研究领域方面，图7展示了全球部分专利受理局新型储能技术领域下的热门技术。中国以锂离子电池、超级电容器、压缩气体储能为研究热点，聚焦在有机溶剂、用电设备、电极片和控制系统等具体创新领域。美国在电化学储能领域实力强劲，充电电池、锂金属材料、碳材料、有机电解液和固体电解质等方向均衡发展，同时通过产业结合，在医疗器械、新能源汽车等实体领域取得显著成果。韩国研究将重心放在了二次电池领域，同时在混合物材料、非水电解液和活性材料方向进行探索发展。欧洲的技术重点较为分散，从活性材料到混合物，从电源装置到发电装置，从集电器到电容器均有研究。以英国为例，它就以电化学储能领域和压缩气体储能领域为研究中心，具体的技术热点为超级电容器、锂离子电池、快速充电和膨胀装置。日本较为重视氢储能领域的研究，技术热点包括混合物制氢、氢燃料电池和提高氢储能稳定性等。印度在保持锂电池、超级电容器、氢储能等国际新型储能主流技术外，将部分研究重点放在了物联网和溶液燃烧领域。
图7 全球部分专利受理局新型储能技术领域下的热门技术旭日图
3 对策讨论
近年来，中国新型储能技术在各细分领域均取得了阶段性进展，国企、私企、高校等各类型单位不断推动技术创新与专利申请。基于新型储能技术的主题分布与发展趋势，可以从产业政策、产学研合作、技术创新、金融投资等方面进行对策讨论。
（1）制定支持新型储能技术研发与产业化的政策，主要包括财政激励、税收优惠等措施，吸引更多企业和机构积极参与。同时，应当加强知识产权服务，提高该领域的专利授权效率。此外，加强东西部技术合作，鼓励技术发展较为强劲的东部地区有关企业到资源相对丰富的西部地区进行产业化。
（2）加强学术界与产业界的联合攻关及成果合作，主要包括建立产学研用一体化的合作机制，加速新技术的商业化进程。推动高校与私企和国企之间的技术交流与合作，形成产业链协同发展，提高整个产业的竞争力。各省市政府可以组织新型储能技术产业峰会、展览等活动，促进学术界与产业界之间的技术交流与成果转化。
（3）鼓励对新型储能变革性技术进行持续性研发，主要包括推动新型储能技术的多元化发展，支持企业开展基础性研究，培养高层次的科技创新人才。支持储能行业加强技术标准建设，促进行业内技术规范的制定，提高储能的产品质量与技术水平，推动整个储能行业的可持续发展。
（4）支持金融机构对新型储能技术提供专项贷款，主要包括引导社会资本投入新型储能技术领域，并且形成多元化的融资渠道。推动技术创新和商业化的有机结合，提高风险投资的参与度，支持创新性和前瞻性项目的融资，特别是在新能源汽车、大型储能设备和医疗器械等应用领域实现技术突破和投资范例。
4 结 论
近年来，中国新型储能技术蓬勃发展，相关专利授权数量迅速攀升，研究重心聚焦在锂离子电池、超级电容器等领域。本文采用LDA主题模型和社会网络分析法，深入研究了中国新型储能技术的专利布局。通过综合考虑相关政策引导和产业发展动向，对锂离子电池、超级电容器、液态金属电池等领域的专利申请状况进行了详尽分析。研究结果显示，锂离子电池、超级电容器、多价金属离子电池、液态金属电池、水系电池、氢储能以及压缩气体储能技术在我国受到广泛关注，并得到了深入研发和产业应用。特别值得注意的是，学术界和工业界共同对锂离子电池领域重点关注，并通过密切的产学研合作，取得了显著的成果。
（1）分析结果显示，新型储能技术于1997年首次在中国授权专利中面世，经历14年的技术萌芽期，自2011年起，该领域逐渐进入成长期，截至2022年，已有超过两万项专利申请获得授权。新型储能技术的发展方向也日益多样化，水系电池、多价金属离子电池、液态金属电池、氢储能等技术不断涌现。
（2）从专利分布领域来看，锂离子电池一直是研究和专利申请最为集中的领域，其申请数量每年均居前列且保持高速增长。未来，我们应持续投入，支持锂离子电池领域，巩固其现有的技术发展，并推动其在更广泛应用领域的进一步创新。超级电容器专利申请占比一直保持在较高水平，这表明其研究范围正在不断扩大。多价金属离子电池、压缩气体储能均呈上升趋势，而水系电池、液态金属电池、氢储能相对而言发展较为缓慢，但近五年来呈现出较快的发展趋势。
（3）我国新型储能技术专利申请主要分布在经济较为发达的省市，这些地区在推动新能源产业发展中发挥了关键作用。专利申请的主体主要是高校、研究所、国企和新能源行业巨头。高校及研究所在超级电容器、多价金属离子电池、锂离子电池、水系电池等多种新型储能技术的申请中表现突出。南方部分省市在锂离子电池领域表现出领先的研究实力并取得显著成果，而我国北方则需要聚焦新型储能技术的协同发展，以实现在产业应用上的突破。全国各地相关技术均需要引领和深入探索，以共同推动我国新型储能领域的蓬勃发展。
（4）根据当前技术发展现状和国家政策支持，未来新型储能技术相关专利数量有望逐年增加。专利申请数量的增加反映了该领域的发展和商业化潜力。综合来看，新型储能技术在中国拥有广阔的发展前景，需要持续加强研发和创新，推动新型储能技术领域的进一步创新和应用。随着国家“双碳”目标和能源革命的深入实施，相关行业标准也将不断完善，各科研单位应当在水系电池、液态金属电池、氢储能领域加强创新与突破，同时保持锂离子电池、超级电容器和压缩气体储能领域的发展态势。这样可以更好地应对未来全球新型储能技术的竞争难题，为我国的发展做出更为积极的贡献。
