液流电池高价值专利识别及态势分析

邓喆; 马建霞

doi:10.15978/j.cnki.1673-5668.20251105

科学观察 ›› 2026, Vol. 21 ›› Issue (2) :96-109 DOI: 10.15978/j.cnki.1673-5668.20251105

数据观察

液流电池高价值专利识别及态势分析

邓喆 ¹^,²^,³^,⁴ ,
马建霞 ¹^,²^,³^,⁴^,^*

作者信息 +

Identification and Analysis of High-Value Patents in Flow Batteries

Deng Zhe ¹^,²^,³^,⁴ ,
Ma Jianxia ¹^,²^,³^,⁴^,^*

Author information +

文章历史 +

摘要

[目的/意义] 科学识别液流电池领域高价值专利并分析其发展态势，是支撑创新主体战略决策与技术布局的关键。[方法/过程] 基于技术、法律、市场、经济及战略多维专利价值评价框架，实现高价值专利识别；基于高价值专利数据，采用专利计量的方法从申请趋势、竞争格局、创新主体以及关键技术探究液流电池领域技术发展动态。[结果/结论] 液流电池专利申请数量快速增加，但专利数量增长未同步转化为持续稳定的高质量创新产出。中国作为主要应用市场展现出活跃的创新能力，但美国和日本在核心创新和专利质量方面占主导地位。高价值专利技术聚焦于关键材料、电池系统和电池结构，未来液流电池向低成本化、高能量密度化与智能化集成方向发展。

Abstract

[Objective/Significance] Scientifically identifying high-value patents in the flow battery field and analyzing their development trends are critical for supporting strategic decision-making and technological layout of innovation entities. [Method/Process] Based on a multi-dimensional patent value evaluation framework encompassing technical, legal, market, economic, and strategic dimensions, this study identifies high-value patents in the flow battery field. Subsequently, using patentometric analysis, it examines the technological development dynamics from the perspectives of application trends, competitive landscape, innovation actors, and key technologies.[Results/Conclusions] The number of flow battery patent applications has increased rapidly; however, the growth in patent quantity has not been fully translated into sustained high-quality innovation output. China demonstrates strong innovation activity as a major application market, while the United States and Japan maintain advantages in core technological innovation and patent quality. High-value patents are mainly concentrated in key materials, battery systems, and battery structural design. Future development of flow batteries is expected to move toward cost reduction, higher energy density, and intelligent system integration.

Graphical abstract

关键词

液流电池 / 高价值专利 / 专利分析

Key words

flow battery / high-value patent / patent analysis

引用本文

引用格式 ▾

邓喆, 马建霞. 液流电池高价值专利识别及态势分析[J]. 科学观察, 2026, 21(2): 96-109 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.20251105

Deng Zhe, Ma Jianxia. Identification and Analysis of High-Value Patents in Flow Batteries[J]. Science Focus, 2026, 21(2): 96-109 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.20251105

登录浏览全文

4963

注册一个新账户忘记密码

0 引言

在全球能源结构深度转型与碳中和目标逐步推进的背景下，储能技术已成为支撑能源系统安全与灵活调度的关键环节^[1]。近年来，电化学储能领域专利申请量和授权量大幅增加，为新型储能科技及产业的发展打下坚实的数量基础^[2]。液流电池因其本征安全、超长寿命、大规模、环境友好等特点，被列为发展新型储能的重要技术路线之一。《“十四五”新型储能发展实施方案》和《关于加快推动新型储能发展的指导意见》等政策文件，将液流电池百兆瓦级系统纳入重点攻关方向，2024年新增装机容量已超过2.5 GWh，较2023年增长逾11倍。全钒液流电池、锌溴液流电池与铁铬液流电池等技术方案已进入示范应用与初步产业化阶段。

尽管液流电池发展势头强劲，但其装机容量在整个中国电化学储能市场中的占比仍不足2%，高昂的初装成本是制约产业化进程的主要因素^[3]。液流电池的成本高度依赖于电解液、离子交换膜等关键材料的性能表现，因此围绕关键材料开展研发创新，通过技术突破驱动成本下降，成为推动液流电池实现规模化应用、提升储能市场渗透率的必然路径。

专利文献集技术、法律、经济和战略信息于一体，记载着人类技术研发和设计成果的进展和动向，是创新成果的重要载体^[4]。近年来，全球液流电池专利形成了以中、美、日为主导的竞争格局^[5]，各机构在关键领域构筑了专利保护壁垒，高价值专利已成为产业链中把握技术话语权的核心体现。因此，科学识别液流电池领域的高价值专利，对于企业制定研发与专利布局策略、政府优化创新政策与产业引导、研究机构把握技术演进方向均具有重要意义。基于此，本研究从高价值专利视角切入，通过构建多维高价值专利评价指标筛选液流电池领域的高价值专利，进一步运用专利计量分析法刻画高价值专利创新发展情况，为企业、高校、科研院所等创新主体制定研发战略提供参考依据。

1 研究现状

1.1 高价值专利研究现状

目前，关于高价值专利的研究主要集中在高价值专利概念内涵、识别评估和预测分析等方面。韩秀成等^[6]从技术方案、专利申请条件、授权条件、市场价值等方面定位了高价值专利的内涵及培育路径。刘勤等^[7]认为高价值专利是高技术创新、高质量申请确权、高效益转化运用、高水平产业引领4个维度价值的综合体现。可见，高价值专利对技术、法律、市场以及经济价值有较高的要求。随着高价值专利概念内涵的不断发展，专利的战略价值逐渐被重视。支苏平^[8]认为战略性新兴产业能够引领产业发展、获得具有较高市场价值的高质量、高水准专利或者专利组合。马天旗等^[9]认为专利的高战略价值除了能给企业自身带来竞争优势以外，还能给整个社会带来创新和进步。国家知识产权局将战略性新兴产业的发明专利界定为高价值专利。综上可见，高价值专利是具有高技术水平、稳定法律状态、高经济价值、广阔市场前景以及国家战略意义的专利。

在高价值专利识别方面，李娟等^[10]基于技术、法律、经济3个维度构建专利价值评价指标体系，基于AHP-熵权法修正权重确定专利综合价值评估模型。宋凯等^[11]基于保护范围、研发水平、市场前景和主体特征4个维度构建专利价值评估指标，随后结合内容分析法识别“云计算”领域的高校高价值专利。Hu等^[12]基于技术、法律、竞争和科学4个维度建立多维专利价值指标体系，发现随机森林模型在潜在高价值专利的分类和识别方面表现优异。随着专利价值影响因素的进一步细分，管理、风险、需求、战略等维度被加入评估指标体系中^[13]。

1.2 液流电池研究现状

现有液流电池研究主要围绕关键材料、电池结构及系统控制等方向展开。在材料层面，大量研究聚焦于碳基电极的结构调控与表面改性、电解液体系稳定性以及离子交换膜的选择性与传导性能，通过多尺度设计与界面优化降低极化损失并提升反应动力学^[3]。在性能提升基础上，研究逐步延伸至电堆结构与流体传输过程，围绕流道设计、供液均衡、旁路电流与多场耦合效应展开分析，以应对工程放大条件下性能衰减与副反应增强等问题^[14]。随着示范应用规模扩大，部分研究进一步转向系统层面，关注状态估计、健康预测与充放电控制策略，引入建模、数据驱动与智能算法以提升运行可靠性和调度灵活性^[15]。

随着液流电池产业化进程的推进，部分研究开始从专利视角对该领域的技术演进与竞争格局进行分析。崔海星等^[16]梳理了铁铬液流电池专利申请趋势、技术输出国和目标市场分布、申请人、技术改进热点分布以及关键材料研究进展。汤匀等^[17]利用文献计量和专利计量的方法对比了液流电池与其他新型储能技术在前沿主题与创新能力方面的区别。瞿海妮等^[5]使用TDA、Innography等分析工具对全球液流电池技术的整体专利态势进行了分析。

虽然部分学者对高价值专利识别展开了实证研究，但指标体系构建维度不同，仅有少数研究从战略维度入手，且均以单一或少量专利数据为研究基础，缺乏大样本量的专利识别。而与液流电池相关的专利分析成果一定程度上反映了液流电池技术发展的宏观脉络，但多停留在描述性分析层面，尚未考虑高价值专利对技术竞争与发展的影响。因此，本研究通过构建多维高价值专利评价指标筛选液流电池领域的高价值专利，分析其申请趋势、申请及受理国家分布、主要申请人以及关键技术，以期回答以下问题：（1）如何科学识别液流电池领域的“高价值专利”?（2）高价值专利与全部专利在申请趋势、申请/受理国家方面有什么区别?（3）这些高价值专利主要集中于哪些国家、申请人与技术方向?不同技术呈现怎样的演化特征?

2 研究方法与数据来源

2.1 数据来源

本研究以Incopat专利数据库为数据来源，以液流电池领域产业构成为技术分解的基础（图1），梳理其上中下游环节，逐级分解以确保分解内容覆盖产业整体。采用“液流电池、液流储能电池、氧化还原流动电池、Redox Battery”等关键词和“H01M8/18”IPC分类号结合的方式构建检索式，并对各技术分支展开检索，获得检索结果后使用“查全-查准-排除”的检索策略进行合并。专利数据采集中，对于同一申请人就同一发明在多个不同国家提交的多件专利申请归并为同族专利并按1项统计。鉴于中国国家知识产权局自1989年设立中国专利奖（后续研究需引用相关奖项数据指标），本研究将检索时间区间限定为1989—2025年，经同族合并与去重处理后，共获得7060个有效专利家族。

2.2 高价值专利指标体系构建及赋权

为建立科学准确的高价值专利评价体系，本研究首先从专利评级（patent rating）系统、合享价值度评估体系、智慧芽专利评估体系、大为专利指数评估体系、国知局专利价值分析指标体系等国内外典型高价值专利筛选体系和文献中搜集相关评价指标。根据上述高价值专利内涵，基于技术价值、法律价值、市场价值、经济价值和战略价值5个维度构建高价值专利指标评价体系，指标及含义如表1所示。

本研究在构建液流电池高价值专利评价体系的基础上，利用熵权法为各项指标赋予权重。利用熵权法计算指标权重的步骤如下。

1）构建原始矩阵。假设有m个被评价专利，n个评价指标，即可构建原始矩阵X（式（1））。

(1)$X=\left[\begin{array}{ccc} X_{11} & \cdots & X_{1 m} \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ X_{m 1} & \cdots & X_{m n} \end{array}\right]$

2）对数据进行量纲为一的处理。消除物理量影响，将各个指标数据进行正向化和量纲为一处理（式（2））。

(2)$Y_{i j}=\frac{X_{i}-\min \left(X_{i}\right)}{\max \left(X_{\mathrm{i}}\right)-\min \left(X_{i}\right)}$

3）熵值计算。计算第j项指标的熵值，计算方法见式（3）。

(3)$E_{j}=-\frac{1}{\ln n} \sum_{i=1}^{n} P_{i j} \ln \left(P_{i j}\right), 0 \leqslant E_{j} \leqslant 1$

4）差异性系数计算。差异性系数计算方法见式（4）。

(4)$G_{j}=1-E_{j}$

5）熵权计算。计算第j项指标的熵权W_j，计算方法见式（5）。

(5)$W_{j}=\frac{G_{j}}{\sum_{i=1}^{m} G_{j}}, J=1,2,3 \ldots \ldots m$

6）综合得分计算。计算综合得分S：将得到的指标权重W_j与第i个被评价专利在第j个评价指标上的比值Y_ij相乘，得出各个评价对象的综合得分，计算方法见式（6）。

(6)$S=\sum_{j=1}^{m} W_{j} X_{i}$

式中：S为被评价专利的价值得分；W_j为权重；X_i为被评价专利指标值。

2.3 高价值专利识别

高价值专利阈值如何确定?梳理以往文献发现，专利价值符合“帕累托法则”（又称“二八法则”），即20%的专利占据80%的专利价值^[18]，因此本研究将全部专利的前20%划为高价值专利。为验证已构建高价值专利评价体系的准确性，采用Incopat数据库中的合享价值度辅助验证，基于SPSS软件使用Spearman（斯皮尔曼等级相关）非参数相关分析法对专利得分和合享价值度的相关性进行了分析。合享价值度主要依托于合享自主研发的专利价值模型进行计算，将专利分为1~10分，分数越高则专利价值越高。

Spearman秩相关系数计算方法见式（7）。

(7)$\rho=1-\frac{6 \sum d_{i}^{2}}{n\left(n^{2}-1\right)}$

式中：ρ为Spearman秩相关系数；

${d}_{i}^{}$

为对应变量的秩之差，即2个变量分别排序后成对的变量位置（等级）差；n为观测对象的数量。

3 液流电池高价值专利分析

本研究采用熵值法确定各评价指标的权重（表2），获奖情况、质押次数、许可次数、独权字数和转让次数为权重Top5关键指标。基于此权重计算专利综合得分，其排序结果与合享价值度呈显著强相关（ρ=0.686，P<0.001），验证了本评价体系的科学性与准确性，并最终筛选出1412件高价值专利。

3.1 专利申请趋势

为行文简洁起见，本研究将从IncoPat数据库检索获得的液流电池相关专利样本简称为“全体专利”，将基于评价指标体系识别得到的高价值专利简称为“高价值专利”。图2展示了1989—2025年液流电池专利年度申请量变化趋势。1989—2005年，液流电池专利申请量总体较少，技术发展处于探索与实验阶段。进入2009年以后，液流电池全体专利申请数量开始迅速增长，并在2019年后进入激增阶段，表明液流电池相关技术研发活动活跃，专利申请迎来爆发。相比之下，高价值专利自2009年起显著上升，并于2013年达到峰顶后逐步回落，与全体专利申请趋势形成一定错峰。这一现象表明，液流电池技术可能在2013年前后实现了关键性突破，相关研究逐步从实验探索走向技术成熟与商业化应用阶段。造成液流电池专利申请趋势显著变化的原因主要包括2个方面。其一，政策驱动因素。自2009年起，中国、美国、德国等国家相继发布新型储能发展规划，将液流电池列为重点支持技术方向，促使该领域研发活动显著活跃。其二，技术创新因素。在2009年前后，锌镍单液流电池、锌空气液流电池等新型体系相继提出，拓宽了液流电池的技术路径，推动了专利申请数量的快速增长。

3.2 专利地域布局

从申请国与受理国2个维度进行分析，前者反映研发活动的地域分布与创新活跃度，后者体现技术扩散与市场导向。

在申请国层面（图3），就全体专利而言，中国以61.29%的占比位居首位，其次为美国、韩国和日本，四国合计占全球专利总量的九成，这表明液流电池技术创新活动主要集中在亚太与北美地区，其中中国已成为全球液流电池专利申请最活跃的国家，体现出强劲的研发投入和政策推动效应。就高价值专利而言，美国以38.81%的占比位居首位，日本虽然全体专利数量占比不高（8.03%），但在高价值专利中的占比明显提升（11.90%），表明美国和日本在核心技术原创能力更具优势。中国虽然在申请数量上领先，但在专利质量与核心技术突破方面仍有提升空间。

在受理国层面（图4），就全体专利而言，中国以63.25%的占比位居第1，表明中国是液流电池主要的应用与保护市场。就高价值专利而言，受理格局呈现出更加明显的国际化特征。世界知识产权组织（WIPO）以31.59%的占比位居首位，显著高于单一国家，表明高价值专利持有者更倾向于通过专利合作条约（PCT）途径开展跨国专利布局，以实现技术保护范围的最大化。

3.3 专利主要申请人

分析液流电池领域高价值专利主要申请人，有助于揭示该领域的技术创新主体及其竞争态势。表3显示了高价值专利申请数量排名前10的机构。

从国家分布来看，主要申请人集中于中国（5家，131件）、美国（3家，85件）、日本（2家，82件）。从申请数量排名来看，住友电气工业株式会社（日本）高价值专利数量位列第1，其次为中国科学院大连化学物理研究所（中国）和洛克希德马丁尖端能量存储有限公司（美国）。整体上，中、美、日3家机构构成了全球液流电池高价值专利的核心阵营，引领了该领域的技术发展方向。

从机构类型来看，除中国科学院大连化学物理研究所、中国科学院金属研究所2个科研机构外，其余主体均为企业，表明液流电池技术的研发与专利布局主要由企业推动。中国科学院大连化学物理研究所与企业大连融科储能技术发展有限公司密切协作，促进了技术成果的产业化转化，形成了产学研一体化的创新体系。

在各国申请人中，中国科学院大连化学物理研究所作为核心科研机构，长期专注于电解液体系、电极材料及反应机理等基础研究，是国内液流电池技术的理论与原始创新源头。中国东方电气集团有限公司与北京好风光储能技术有限公司等企业的进入，推动了液流电池在发电侧储能、调峰调频等场景的商业部署。洛克希德马丁尖端能量存储有限公司依托其在国防与能源领域的研发积累，核心技术是区别于主流技术的、高能量密度的非水相液流电池路径，不计初期成本，追求极限性能，以满足国防和关键基础设施最苛刻的需求。住友电气工业株式会社于20世纪80年代末开始涉足液流电池领域，作为行业中的领军人物并非关注某一部件，而是进行垂直整合式开发，擅长将实验技术转化为可稳定运行的工业化产品

总体来看，液流电池领域的全球技术创新呈现以中、美、日为主导，以企业为主要驱动力的格局；在创新模式上，呈现国外企业垂直整合与国内产学研协同的分化态势。

3.4 专利技术布局

为揭示液流电池高价值专利的技术构成，采用IPC小组分类号统计主要技术分支（表4），可以看出，高价值专利主要从液流电池关键材料、电池系统和电池结构3个技术方向展开。

在关键材料领域方面，电解液体系与反应机理（H01M8/08）是液流电池发展的基础，主要涉及多种体系电解液制备及改性、电解液再平衡、电解废料再利用等技术主题，目标在于开发高浓度、高活性、高稳定性、低成本的电解液。隔膜（C08J5/22）占比相对较小，主流材料分为Nafion（全氟磺酸膜）和多孔膜2类。通过有机、无机材料改性的方法可以有效降低Nafion膜对离子的渗透性，但Nafion存在膜成本高、无法大规模利用的问题，多孔膜由于其高稳定性和低成本，成为最有可能代替Nafion膜的候选者。电极材料领域（H01M4/86、H01M4/96、H01M4/88）则以碳毡、石墨毡及其电催化改性为主，重点在于改善界面反应速率和耐腐蚀性，实现电池能效与寿命的同步提升。

在电池系统方面（H02J7/00），系统控制与管理方向关注充放电管理、温度控制、SOC（荷电状态）监测、故障诊断等，为系统的安全评估与运维优化提供数据支撑；系统应用与集成关注液流电池在电网调峰、分布式能源、可再生能源并网、数据中心备用电源等场景中的应用，表明液流电池的智能化与电网适配性问题正逐渐受到重视，技术正由材料与结构优化迈向系统工程与数字化控制阶段。

在电池结构设计方面，零部件（H01M8/02）与流体循环与压力控制（H01M8/04）占比较高，表明流道结构优化、堆叠模块化、密封技术和热管理等技术已成为推动液流电池发展的关键。流场和管路结构中流动形式和结构参数的设计直接影响电解液的均匀分布，从而影响电堆稳定性和使用寿命。因此，合理的结构设计能够减小电堆的欧姆极化，进而增强电堆性能。

开展关键材料的创新研究是提升液流电池性能的关键步骤，本研究依据关键词和分类号对关键材料高价值专利进行分类标引，再借助InCopat技术路线图进一步梳理隔膜、电极、双极板、电解液的研发特征和技术突破。

3.4.1 隔膜

液流电池隔膜技术的发展历程可分为3条主要技术路径：离子交换膜、多孔膜与规整孔道膜。早期专利WO9306626A1^[19]在传统多孔隔膜的物理结构上，引入离子交换层并交联固化，是物理隔膜向化学功能化渗透选择膜的转型起点。随后，阴、阳离子交换膜体系开始并行发展：阳离子交换膜（CEM）以磺化聚醚醚酮（SPEEK）和Nafion为代表，通过控制磺化度和含水量提高质子传导率；阴离子交换膜（AEM）则通过聚合胺的烷基化和季铵化反应引入阳离子基团，建立阴离子通道并提升化学稳定性。这一时期的主要创新集中在通过交联网络与亲疏水域调控实现离子传输路径与结构稳定的协同。随着钒液流电池的兴起，跨膜钒离子渗透成为关键瓶颈。CN101807678A^[20]以聚苯并咪唑或其他芳杂环聚合物为基膜，利用电解液中的酸作为电解质来传导质子，有效降低正负极电解液互串；CN102093584A^[21]将全氟磺酸树脂与聚丙烯隔膜复合，形成“多层迷宫通道结构”，极大延长钒离子的有效扩散路径，实现了“高质子传导+低钒渗透”。近10年，随着离子交换膜体系的柔性化与准固态化延伸，凝胶膜随之产生。CN116137339A^[22]不再依赖传统固态膜来分隔电解液，而是利用具有离子选择性的液体层来完成隔离与传导功能。

多孔膜具有纳米及微米级孔隙结构，无固定的电荷基团，利用多孔通道进行传导与筛分。通过开发合适的策略对膜的孔道结构和孔道微环境进行调控可获得优异电池性能。多孔膜可以作为物理分隔件使用，KR1020090046087A^[23]利用多孔膜结构轻、成本低、易加工的优势，黏附在离子交换膜两层作为力学骨架，有效抑制膜体在电解液浸泡或温度变化下的膨胀与形变。随着液流电池性能要求的提升，多孔膜不仅承担结构支撑功能，而且被赋予离子选择性与抗渗透功能，研究者在基体中进行孔道填充或表面涂覆，形成兼具离子筛分和高通量特性的复合膜。CN102569839A^[24]在多孔基体中填充氧化硅、氧化钛等无机颗粒物制备复合膜，该类膜不需要引入任何离子交换即可实现离子的传递，拓展了液流电池膜材料的选择范围。近年多孔膜研究进一步聚焦于孔径可控与力学增强，通过相分离、模板法和织物基支撑实现结构的均匀化与柔性化，使多孔膜在低成本体系中展现出良好的工程可行性。CN105161738A^[25]以非氟离子交换膜为基体膜，在该基底膜的一侧均匀喷涂耐腐蚀的聚合物溶液，然后通过溶剂蒸发沉淀相转化的方式制备得到复合多孔膜。CN117164745A^[26]将骨架高分子材料制备成微孔膜支撑孔道结构，随后引入含酚羟基聚合物实现自由基淬灭，提高微孔膜的耐久性和抗氧化性。最新发展趋势为通过相分离与模板法构建均匀可控孔径，以纳米多孔材料和共价有机框架材料为常用材料，通过选择合适的孔道结构可以在理论上实现平衡离子与活性物质的完全筛分，从而获得更优异的离子选择性与传导性。

3.4.2 电极材料

电极为活性物质氧化还原反应提供反应场所，其结构特性和表面性质将直接影响电解液传输与电化学反应速率，进而影响电池性能。在宏观层面，通过调整电极形变程度、设计流场结构与优化电极形状，能够提升反应区域内活性离子分布均匀性，从而降低因浓差极化引发的极化损耗。US20130022846A1^[27]提出一种分层堆叠式电极结构设计，石墨极板表面设计有凹槽式流道结构，石墨毡单元嵌入该流道内部，与石墨纸共同形成包覆式电解液路径，增加电功率。WO2018086482A1^[28]通过调控纤维取向比例与各层孔隙率分布，使压缩后的电极结构均匀化，从而降低接触电阻、改善电解液流动均匀性。在微观层面，通过电极表面造孔、增加活性（氮、氧）官能团和引入催化物质等方法增加电极表面反应活性位点，能够有效降低电极反应过电位。CN111785978A^[29]通过电纺技术与金属有机骨架（MOF）材料复合，构建高比表面积的多孔碳基电极，制备得到的多孔电极具有较大的比表面积，有助于降低电池的活化损失。CN108878900A^[30]以商业化碳毡为原料，利用化学气相沉积（CVD）的方法，制备氮掺杂石墨烯改性碳毡，具有产品成本低廉，易于产业化生产和环境友好等优点。Hu等^[31]开发出一种表面沉积铅纳米颗粒的碳毡电极，诱导锌有序沉积并抑制析氢，基于该改性电极的锌溴液流电池寿命大幅提升至2300 h以上，平均库仑效率超过97.4%。

3.4.3 双极板材料

双极板是相邻单体电池之间的电连接构件，也是隔离电池单元、构建电解液流道、承受机械装配压力的结构件，应具有高电导率、高机械强度、高化学稳定性、低液体渗透率等特性。当前主流的双极板材料主要包括3类：石墨双极板、金属双极板和碳塑复合双极板。由于石墨具有较高的导电性和耐酸性，早期研究多石墨作为双极板基体，在强酸性电解液环境下表现出良好的稳定性。然而，石墨材料脆性大，加工难度高，且在长期酸性电解液环境中易发生微腐蚀和孔隙堵塞。随着研究深入，双极板材料研究从传统石墨向复合材料方向转变，包括碳塑复合板、碳纤维增强树脂板以及表面金属涂层复合板。CN109841839A^[32]制备了一种由熔融指数为0.05~10的高密度聚乙烯、碳纳米管、导电炭黑以及润滑剂组成的碳塑复合板，保障电堆的焊接强度和密封性。CN110875483A^[33]以石墨烯薄膜作为双极板位于中间层，以等厚度的聚丙烯腈碳纤维作为电极位于双极板的两侧，解决接触电阻高、装配过程易破碎的问题。CN115411278B^[34]选择石墨板的一侧表明使用涂铋液进行涂铋，可提高石墨双极板的抗腐蚀性。

在结构设计层面，双极板从二维平面流道向多尺度分级结构拓展，其核心目标在于优化电解液分布、降低流动压降、增强传质效率从而提升电堆性能。早期阶段的双极板结构以平面蛇形流道为主，随后通过流道宽度、深度和弯折角度等几何优化来改善电解液分布与流体阻力。CN209104276U^[35]在双极板上设计适当朝向的导流四边形结构，以消除壁面低流速区，从而实现矩形电池内部电解液的均匀分布。随着计算流体力学模拟方法的引入，交叉流、网格型、径向流及喷射式流道等多种结构相继提出。CN209104271U^[36]在电极区域设置有2组长条状凹槽，相互交叉形成网格状，使电解液均匀流过。CN114824338B^[37]发明了具有二分叉指型结构的流道，利用逐级二分的方式将电解液从入口逐级均匀分配至流道各子单元的进液流道，同样以二分的方式将出液流道的电解液逐级收集至出口。双极板与电极一体化结构逐渐兴起，通过在板材表面直接负载碳毡、电极浆料或导电网格，实现导电、支撑与催化功能的复合，有效降低了界面接触电阻与热失配风险。CN217086629U^[38]采用焊接的方式将透明材质的电极框和导电复合双极板密封起来，大幅提高电堆组装效率、缩小电池体积，改进早期一体化电池结构组装的电堆无法测量单节电池电压的弊端。新一代双极板结构更加注重与密封垫、集流体及散热通道的协同设计。

3.4.4 电解液

液流电池电解液从物质形态上可将其分为全溶解型与沉积-溶解型2大类，其中前者依赖电解液中可逆氧化还原反应实现能量转化，而后者则通过活性物质在电极表面的可逆沉积与溶解实现储能。

全溶解型电解液又可细分为无机电解液体系与有机电解液体系。无机电解液典型体系包括铁-铬、锌-溴及全钒液流电池。其中，全钒液流电池以单一元素的多价态转化有效避免了离子交叉污染问题，是最成熟的液流电池体系。全钒体系电解液的改性研究主要通过引入混酸体系以及磺酸盐、醇胺、氟离子等配位添加剂，提升钒离子浓度、能量密度和循环稳定性。WO2002095855A1^[39]以硫酸溶液为反应介质，使三氧化二钒和五氧化二钒在酸性条件下溶解，通过调控粉末的比表面积与粒径分布形成目标比例的混合溶液。由于钒资源有限，全钒液流电池电解液成本较高，因此研究向低成本、高储量的铁基、硫基等无机电解液拓展。CN110416586A^[40]在铁基液流电池中引入pH缓冲体系与普鲁士蓝固态储能机制，其能量密度可达全钒液流电池的两倍以上，而活性物质成本仅为后者的约1/10，其环境友好和可持续性表明铁基液流电池符合未来储能技术的发展要求。

新型水系有机电解液体系的开发，主要聚焦于通过活性分子的结构设计来获得兼具高能量密度和稳定性的目标分子，设计方法主要有：（1）通过引入吸电子/给电子官能团、改变共轭结构等策略调控有机物的氧化还原电势，从而提高液流电池的整体电压；（2）通过引入亲水官能团、打破结构对称性以创造局部强溶剂化和增加分子极性来提高有机物溶解度；（3）设计多电子反应的有机物以提升有机电解液的比容量^[3]。CN113214235A^[41]在紫罗精分子添加“噻吩”和“硒吩”结构，通过电子给体基团修饰拓展分子共轭体系，增强电荷离域化与分子内电子转移速率，引入季铵盐基团提升溶解性与电导率，引入羟基取代基增强分子结构稳定性。CN110212203A^[42]通过在碱性介质中对不同官能团取代的羟基吩嗪进行中和，使其形成稳定阴离子结构并提高溶解性，作为负极电解液；以亚铁氰化钾为正极电解液，构建电化学对称型体系，有效降低负极衰减速度。

沉积-溶解型液流电池在充放电过程中伴随固相生成与溶解，其核心优势在于高能量密度与高体积利用率，但问题在于金属沉积的可控性与界面稳定性。锌溴液流电池因其成本低、安全性能高和能量密度高等优势，是最早商业化尝试的沉积-溶解型液流电池，但因其溴泄漏、枝晶穿膜短路及电极腐蚀等问题限制发展。针对锌基液流电池中的锌枝晶问题，在电解液中引入金属离子、有机分子或聚合物等添加剂，是有效且简便的解决措施。CN115966740B^[43]发明的碱性锌溴液流电池正极发生溴的氧化还原反应，负极发生金属锌的沉积溶解反应，电解液中络合剂能够将溴络合为固态络合物，抑制溴在电池中的歧化反应。

4 结论与建议

液流电池被认为当前最适用于长时储能的电化学储能技术之一，其技术发展水平影响能源安全和未来市场格局。本研究在识别领域高价值专利的基础上进行计量分析，揭示了液流电池技术发展与竞争格局，得出以下结论。

（1）高价值专利与全体专利在申请趋势与地域布局上差异明显。

液流电池自2009年起研发活动活跃，专利申请由早期探索逐步转向规模化扩张，专利价值随之分化，但并未同步转化为持续稳定的高质量创新产出。中国研发活动持续且活跃，吸引大量专利来华布局，但美国在核心创新和专利质量上保持核心地位，高价值专利技术布局更倾向于国际化布局与全球授权。

（2）高价值专利主要申请人形成了“中、美、日三国主导、产学研协同”的竞争格局。

液流电池领域高价值主要申请人集中于中国、美国和日本三国，其中日本住友电气工业株式会社专利数量居首，中国科学院大连化学物理研究所与美国洛克希德马丁尖端能量存储有限公司分列其后，共同构成全球技术创新的核心阵营。国外企业多采取垂直整合式的创新模式，覆盖从关键部件研发到系统集成的全链条；国内则以产学研协同模式为特征，科研机构主导基础研究，企业推动工程化与应用转化，最终形成较强的技术扩散与产业化能力。

（3）高价值专利集中于关键材料与系统优化方向。

液流电池高价值专利主要集中在关键材料、电池系统和电池结构3个核心方向。关键材料中，隔膜技术历经离子交换膜到多孔膜再到规整孔道膜的演进，研究聚焦于通过复合结构、孔径调控与材料填充实现高质子传导与低离子渗透的平衡；电极方向以碳毡、石墨毡等碳基电极的表面活化与催化改性为重点；双极板材料从传统石墨材料向碳塑复合与金属基材料拓展，结构从二维平面流道到多尺度分级结构拓展；电解液聚焦于高浓度、高活性与高稳定性溶液的制备与改性，同时注重副反应抑制、再平衡技术与资源循环利用。

基于以上研究结论，提出如下建议。（1）加快推进液流电池关键材料与电堆性能的创新突破，充分利用机器学习、量子化学计算等人工智能技术重塑材料研发范式，加快智能化系统与集成以提高电池系统的稳定性和效率，推动液流电池向低成本化、高能量密度化与智能化集成方向发展。（2）强化科研机构与企业的专利战略规划，削减低质量、同质化专利申请，构建以高价值专利为中心的“专利群”，形成完善的知识产权保护体系。（3）促进液流电池产业链的协同发展。液流电池产业链各龙头企业建立长期稳定的战略合作伙伴关系，鼓励产业链中各合作伙伴采用新技术、新模式和新方法，提升产品的市场竞争力，共同开发高性能离子交换膜、双极板、碳毡等核心物料。（4）激励中国机构更多主导、参与相关国际标准的制定，获悉前沿技术的最新动态，并在标准中引入自身创新技术，影响标准的内容和方向，进而提升中国液流电池技术领域的国际竞争力和产业话语权。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	陈海生, 李泓, 徐玉杰, 等. 2024年中国储能技术研究进展[J]. 储能科学与技术, 2025, 14(6): 2149-2192.

[2]	(Chen H S, Li H, Xu Y J, et al. Research progress on China’s energy storage technology in 2024[J]. Energy Storage Science and Technology, 2025, 14(6): 2149-2192.)

[3]	王朔, 周格, 禹习谦, 等. 储能技术领域发表文章和专利概览综述[J]. 储能科学与技术, 2017, 6(4): 810-838.

[4]	(Wang S, Zhou G, Yu X Q, et al. Overview of research papers and patents on energy storage technologies[J]. Energy Storage Science and Technology, 2017, 6(4): 810-838.)

[5]	丁静怡, 吴玉淋, 王一兴, 等. “双碳”目标下液流电池技术进展与展望[J]. 科学通报, 2026, 71(2): 339-354.

[6]	(Ding J Y, Wu Y L, Wang Y X, et al. Advances and prospects of flow batteries under the “Dual Carbon” goals[J]. Chinese Science Bulletin, 2026, 71(2): 339-354.)

[7]	吕璐成, 罗文馨, 许景龙, 等. 专利情报方法、工具、应用研究进展及新技术应用趋势[J]. 情报学进展, 2020(13): 235-278.

[8]	(Lü L C, Luo W X, Xu J L, et al. Research progress of patent intelligence methods, tools, applications and emerging technology trends[J]. Progress in Information Science, 2020(13): 235-278.)

[9]	瞿海妮, 马廷灿, 戴炜轶, 等. 液流电池技术国际专利态势分析[J]. 储能科学与技术, 2016, 5(6): 926-934.

[10]	(Qu H N, Ma T C, Dai W Y, et al. The analysis of international patents in flow cell technology[J]. Energy Storage Science and Technology, 2016, 5(6): 926-934.)

[11]	韩秀成, 雷怡. 培育高价值专利的理论与实践分析[J]. 中国发明与专利, 2017, 14(12): 8-14.

[12]	(Han X C, Lei Y. Theory and practice analysis of cultivating high value patents[J]. China Invention & Patent, 2017, 14(12): 8-14.)

[13]	刘勤, 杨玉明, 刘友华. 高价值专利评估建模与实证[J]. 情报理论与实践, 2021, 44(2): 122-127.

[14]	(Liu Q, Yang Y M, Liu Y H. High-value patent evaluation modeling and empirical research[J]. Information Studies: Theory & Application, 2021, 44(2): 122-127.)

[15]	支苏平. 高价值专利培育路径研究[M]. 北京: 知识产权出版社, 2018.

[16]	(Zhi S P. Research on the cultivation path of high-value patents[M]. Beijing: Intellectual Property Publishing House, 2018.)

[17]	马天旗, 马新明, 赵星, 等. 高价值专利培育与评估[M]. 北京: 知识产权出版社, 2018.

[18]	(Ma T Q, Ma X M, Zhao X, et al. High value patent cultivation and valuation[M]. Beijing: Intellectual Property Publishing House, 2018.)

[19]	李娟, 李保安, 方晗, 等. 基于AHP-熵权法的发明专利价值评估:以丰田开放专利为例[J]. 情报杂志, 2020, 39(5): 59-63.

[20]	(Li J, Li B A, Fang H, et al. Evaluation of invention patent value based on AHP-entropy weight method: taking Toyota’s open-source patent as an example[J]. Journal of Intelligence, 2020, 39(5): 59-63.)

[21]	宋凯, 冉从敬. 基于主题挖掘与专利评估的技术机会识别研究:以智慧农业为例[J]. 图书情报工作, 2023, 67(3): 61-71.

[22]	(Song K, Ran C J. Research on technology opportunity identification based on topic mining and patent evaluation: a case study of smart agriculture[J]. Library and Information Service, 2023, 67(3): 61-71.)

[23]	Hu Z W, Zhou X J, Lin A. Evaluation and identification of potential high-value patents in the field of integrated circuits using a multidimensional patent indicators pre-screening strategy and machine learning approaches[J]. Journal of Informetrics, 2023, 17(2): 101406.

[24]	刘妍. 专利价值评估研究综述与趋势展望[J]. 图书情报工作, 2022, 66(15): 127-139.

[25]	(Liu Y. Review and trend prospect of the research on patent value evaluation[J]. Library and Information Service, 2022, 66(15): 127-139.)

[26]	张建, 张晔, 徐熙林, 等. 整体化全钒氧化还原液流电池电堆的开发[J]. 电池, 2024, 54(2): 200-204.

[27]	(Zhang J, Zhang Y, Xu X L, et al. Development of integrated all-vanadium redox-flow battery stack[J]. Battery Bimonthly, 2024, 54(2): 200-204.)

[28]	李建林, 梅岩竹, 王茜, 等. 全钒液流电池建模研究现状及展望[J]. 储能科学与技术, 2025, 14(12): 4618-4631.

[29]	(Li J L, Mei Y Z, Wang Q, et al. Current status of vanadium redox flow battery modeling and research advances in data-driven approaches[J]. Energy Storage Science and Technology, 2025, 14(12): 4618-4631.)

[30]	崔海星, 马莉. 铁铬液流电池专利技术分析[J]. 电源技术, 2024, 48(5): 812-817.

[31]	(Cui H X, Ma L. Patent review in Fe/Cr flow battery technology[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2024, 48(5): 812-817.)

[32]	汤匀, 岳芳, 王莉晓, 等. 全球新型储能技术发展态势分析[J]. 全球能源互联网, 2024, 7(2): 228-240.

[33]	(Tang Y, Yue F, Wang L X, et al. International development trend analysis of new energy storage technologies[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2024, 7(2): 228-240.)

[34]	胡泽文, 周西姬, 任萍. 基于扎根理论的高价值专利评估与识别研究综述[J]. 情报科学, 2022, 40(2): 183-192.

[35]	(Hu Z W, Zhou X J, Ren P. Review on evaluation and identification of high-value patent based on grounded theory[J]. Information Science, 2022, 40(2): 183-192.)

[36]	Chieng S C, Kazacos M, Kazacos M. Permeation selective separators and processes for making such separators: WO9306626[P]. 1993-04-01.

[37]	张华民, 毕成, 张宇, 等. 电解质隔膜及其复合膜在酸性电解液液流储能电池中应用: CN101807678A[P]. 2010-08-18.

[38]	(Zhang H M, Bi C, Zhang Y, et al. Electrolyte membrane and composite membrane for acidic electrolyte flow energy storage batteries: CN101807678A[P]. 2010-08-18.)

[39]	刘建国, 贾传坤, 严川伟. 一种全氟磺酸复合质子交换膜的制备方法: CN102093584A[P]. 2011-06-15.

[40]	(Liu J G, Jia C K, Yan C W. Preparation method of perfluorosulfonic acid composite proton exchange membrane: CN102093584A[P]. 2011-06-15.)

[41]	王建辉, 李新宇, 李泓岠. 离子交换液态膜液流电池: CN116137339A[P]. 2023-05-19.

[42]	(Wang J H, Li X Y, Li H J. Ion-exchange liquid membrane flow battery: CN116137339A[P]. 2023-05-19.)

[43]	Jin C, Shin K, Lee B, et al. Separator structure for redox flow battery and redox flow battery including the same: KR1020090046087A[P/OL]. 2009-05-11[2025-11-04]. https://patents.google.com/KR1020090046087A.

[44]	张华民, 张洪章, 李先锋. 一种液流储能电池用无机物填充有孔复合膜及其应用: CN102569839A[P]. 2012-07-11.

[45]	(Zhang H M, Zhang H Z, Li X F. Inorganic-filled porous composite membrane for flow energy storage batteries and its application: CN102569839A[P]. 2012-07-11.)

[46]	钟家春, 杨建. 钒电池用复合膜及其连续化生产的方法和用途: CN105161738A[P]. 2015-12-16.

[47]	(Zhong J C, Yang J. Composite membrane for vanadium battery and continuous production method and application: CN105161738A[P].2015-12-16.)

[48]	邓颖姣, 常磊, 张泽天, 等.微孔膜用复合材料、微孔膜、复合离子交换膜及其应用: CN117164745A[P]. 2023-12-05.

[49]	(Deng Y J, Chang L, Zhang Z T, et al. Composite materials for microporous membranes and ion-exchange composite membranes and applications: CN117164745A[P]. 2023-12-05.)

[50]	Lin M H, Lin K Y. Electrode structure of vanadium redox flow battery: US20130022846A1[P/OL]. 2013-01-24[2025-11-04]. https://patents.google.com/US20130022846A1.

[51]	Li S L, Ji H D, Zhang H M, et al. Electrode structure of flow battery, flow battery stack, and sealing structure for flow battery stack: WO2018086482A1[P/OL]. 2018-05-17[2025-11-04]. https://patents.google.com/WO2018086482A1.

[52]	赵天寿, 孙静, 范新庄. 一种液流电池用多孔电极及其制备方法: CN111785978A[P]. 2020-10-16.

[53]	(Zhao T S, Sun J, Fan X Z. Porous electrode for flow battery and preparation method thereof: CN111785978A[P]. 2020-10-16.)

[54]	韩拯, 孙立东, 贾传坤, 等. 一种氮掺杂石墨烯改性碳毡的制备方法: CN108878900A[P]. 2018-11-23.

[55]	(Han Z, Sun L D, Jia C K, et al. Preparation method of nitrogen-doped graphene modified carbon felt: CN108878900A[P]. 2018-11-23.)

[56]	Hu Y C, Min Z W, Zhu G Y, et al. Predeposited lead nucleation sites enable a highly reversible zinc electrode for stable zinc-bromine flow batteries[J]. Nature Communications, 2025, 16: 3255.

[57]	刘涛, 李先锋, 张华民. 一种液流电池用双极板及其制备和应用: CN109841839A[P]. 2019-06-04.

[58]	(Liu T, Li X F, Zhang H M. Bipolar plate for flow battery and its preparation and application: CN109841839A[P]. 2019-06-04.)

[59]	马相坤, 张华民, 钱方方, 等. 一体化电极-双极板结构及制备方法: CN110875483A[P]. 2020-03-10.

[60]	(Ma X K, Zhang H M, Qian F F, et al. Integrated electrode-bipolar plate structure and preparation method: CN110875483A[P]. 2020-03-10.)

[61]	孟津红, 黄若云, 冯玉磊, 等. 一种提高石墨双极板抗腐蚀性的方法: CN115411278B[P]. 2024-09-20.

[62]	(Meng J H, Huang R Y, Feng Y L, et al. Method for improving corrosion resistance of graphite bipolar plate: CN115411278B[P]. 2024-09-20.)

[63]	郑琼, 李先锋, 岳孟, 等. 一种适用于矩形液流电池的双极板: CN209104276U[P]. 2019-07-12.

[64]	(Zheng Q, Li X F, Yue M, et al. Bipolar plate suitable for rectangular flow batteries: CN209104276U[P]. 2019-07-12.)

[65]	郑琼, 李先锋, 岳孟, 等. 一种适用于液流电池或电堆的双极板: CN209104271U[P]. 2019-07-12.

[66]	(Zheng Q, Li X F, Yue M, et al. Bipolar plate suitable for flow battery or battery stack: CN209104271U[P]. 2019-07-12.)

[67]	赵天寿, 郭子啸, 范新庄. 一种双极板上具有二分叉指型结构的液流电池流道: CN114824338B[P]. 2023-12-22.

[68]	(Zhao T S, Guo Z X, Fan X Z. Flow channel with bifurcated finger-type structure on bipolar plate of flow battery: CN114824338B[P]. 2023-12-22.)

[69]	孙佳伟, 李先锋, 史丁秦, 等. 一种全钒液流电池用一体化的电极框和双极板结构: CN217086629U[P]. 2022-07-29.

[70]	(Sun J W, Li X F, Shi D Q, et al. Integrated electrode frame and bipolar plate structure for vanadium redox flow battery: CN217086629U[P]. 2022-07-29.)

[71]	Maria S K. Vanadium redox battery electrolyte: WO2002095855A1[P]. 2002-11-28.

[72]	谢志鹏, 杨斌, 魏露露, 等. 铁基液流电池及其正负极电解液与制备方法: CN110416586A[P]. 2019-11-05.

[73]	(Xie Z P, Yang B, Wei L L, et al. Iron-based flow battery and positive/negative electrolyte and preparation method: CN110416586A[P]. 2019-11-05.)

[74]	何刚, 刘旭, 张旭日, 等.一类噻吩基、硒吩基紫罗精衍生物及其合成方法和应用: CN113214235A[P]. 2021-08-06.

[75]	(He G, Liu X, Zhang X R, et al. Thiophene-based and selenophene-based porphyrin derivatives, synthesis methods and applications: CN113214235A[P]. 2021-08-06.)

[76]	金钟, 王财兴, 余波. 一种碱性羟基吩嗪类有机液流电池及制备方法: CN110212203A[P]. 2019-09-06.

[77]	(Jin Z, Wang C X, Yu B. Alkaline hydroxyphenazine organic flow battery and preparation method: CN110212203A[P]. 2019-09-06.)

[78]	李先锋, 许鹏程, 袁治章. 一种碱性锌溴液流电池: CN115966740B[P]. 2025-09-05.

[79]	(Li X F, Xu P C, Yuan Z Z. Alkaline zinc-bromine flow battery: CN115966740B[P]. 2025-09-05.)

PDF (3670KB)

277

访问

被引

详细

导航

Published
2026-04-15
Online Date
2026-04-22

摘要