鋰離子動力電池安全性設(shè)計及壽命評估概述課件

鋰離子動力電池安全性設(shè)計及壽命評估北京鋰離子電池安全測評中心主要內(nèi)容動力鋰離子電池的發(fā)展現(xiàn)狀鋰離子動力電池的安全性分析鋰離子動力電池安全性設(shè)計鋰離子動力電池的使用壽命

鋰離子動力電池的現(xiàn)狀目前市場上的混合動力車Toyota

Highlander

Lexus

RX400hHonda

Insight

Lexus

GS450hToyota

Camry

Honda

Civic

Toyota

PriusHonda

AccordSaturn

VueChevy

SilveradoFord

Escapemore

and

more混合動力車ELECTRIC

ACCESSORIESPETROLEUM

ONLY

76hp

gasoline

engine,

67hp

electric

motor,

1.5kWh

battery

comADVANCED

ENGINEFuel

Flexibility插電式混合動力車

ELECTRIC

ACCESSORIESADVANCED

ENGINE

PETROLEUM

AND/OR

ELECTRICITY

BATTERY

RECHARGE76hp

gasoline

engine,

67hp

electric

motor,

9.0kWh

battery

(30mi)

Percentage

of

Vehicle

Fleet

In

Use

(%)Cumulative

Fuel

Consumed

(gallons)5101520250

010

515202530

03010050150200250300PHEV40?

8647

total

miles

driven?

共行駛8647英里58

mpg

&140

Wh/mi

PHEVs:>40%

reduction

in

operating

costs>$500

annual

savings37

mpg

76

mpg

&211

Wh/miAssumes

$2.41/gal

and

9￠/kWh$1.58$1.21$2.48$3.45$0.48$0.72------5.45.16.59.1PHEV20PHEV40HEVCV

混合動力車的實際節(jié)油效果

40

Conventional35

E-Transportation

is

the

most

significant

technological

revolution

after

the

cellular

and

the

internet.

電動交通是移動電話和互聯(lián)網(wǎng)后的最重要的技術(shù)革命

。

電動車對動力電池的需求在持續(xù)增長

?

MW

reserve

power

plants.

兆瓦級儲能電站。鈦酸鋰電池移動儲能電站Electrovaya,

International

Battery,

Ultralife,

Valance,

Saft.

BYD

磷酸鐵鋰電池固定儲能電站

規(guī)模儲能是動力電池的又一重要市場

?

Manage

fluctuations

in

electricity

demand.

平抑電網(wǎng)波動。

?

Manufacturers

to

take

a

part:

A123,

Altairnano,

Enerdel,different

cell

models.t

>120

different

cell

models

?

Ultra

High

power

超高功率(>20C)-

19

manufacturers,

Market

grow

of

15%

CAGR(復(fù)合年均增長率)

per

year

driven

by

the

EV

growing

market,

Cell

costs

are

decreasing

by

8%

per

year

(Source:

IIT).Institute

of

New

Energy

Technology,

INET,

Tsinghua

University

動力電池的現(xiàn)狀

?

High

power

高功率(>10C)-

84

manufacturers,

>

1500

中日韓在動力電池制造方面占支配

Far-East

manufacturers

dominate

the

market臺灣

Pouch

cells動力電池的包裝方式Prismatic

cells

?較好的傳熱安全性好使用壽命長Cylindrical

ells

CellSize[mm]Cap[Ah]CyclelifeTemprangeWeight[gr]Weightenergydensity[Wh/Kg]Volumeenergydensity[Wh/L]Weightconstantpowerdensity[W/Kg]Volumepowerdensity[W/L]A123-AHR18700M1ULTRAD=18L=700.71000to90%-10to10038601291085523169A123-AHR32157M1HDD=32L=157101000to80%-30to603041082611085526148Saft-VL12VD=47L=17312500to80%-30to6064067144843718000功率最高的磷酸鐵鋰電池

See

also

‐

Beijing

China

Powerel北京中潤恒動電池有限公司850

x560

x

71200500

to

80%?7000102211028213

Lionik深圳市龍鋰實業(yè)

有限公司255

x145

x

55100500

to

80%

-20to

60360010518610551868

單體電池容量最高的高功率動力電池

Cell

Size

Cap

Cycle

Temp

Weight

Weight

Volume

[mm]

[Ah]

life

range

[gr]

energy

energy

power

density

density

density

density

[Wh/Kg]

[Wh/L]

[W/Kg]

[W/L]t.CellVCap[Ah]Cyclelifeto80%Weight[gr]Weightenergydensity[Wh/Kg]Volumeenergydensity[Wh/L]

Weightpowerdensity[W/Kg]VolumePowerdensity[W/L]Advancedbatteryfactory12010073.31.2100043922395525m14372Q-LiteIndustrialICR18650HH3.71.35004012027530066885CENSEnergyTechCo18650P3.21.12000457821228447742AmericanLithiumIncNo-P.N3.21.5200034.314029027985806HenanBideliEnergyICR18650P3.71.45003813630627266129SamsungINR18650-15R3.61.55004512032620005443功率最高的18650電池High

competitive

market

with

almost

50

different

cell

models

CellVCap[Ah]Cyclelifeto80%Highoper.Temp.[c]Weightenergydensity[Wh/Kg]Volumeenergydensity[Wh/L]Weightpowerdensity[W/Kg]Volumeent.cpoweromdensity[W/L]SaftVL32600-1254.2420012512325961129AdvancedBatteryFactory3.2v/60ah3.660300090801276661060操作溫度最高的動力電池

EV

needs

batteries

with

up

to

80C

high

temperature

operating

range…

m

CellI.DWh/KgChargeRateCycleLifeGPLbattery,GE-32AH-02,32AH939.38C500GAIAUHE-341440,7.5AH8416C500ToshibaSCiB6511.9C6000StandardChargeQuickChargeFastCharge

UltraFastCharge<C/3C/3<,<2C>2C>10C快速充電動力電池?短問題的最經(jīng)濟的方法。road

charging

stations.Current

Market

Ultra

fast

charging

cell

Ultra‐fast

charge

Station

快速充電

(up

to

5

min,

>80%

capacity)

是解決電動車續(xù)駛里程Toshiba

Super

Charge

Lithium

Ion

Battery

-

SCiB?

Lithium

Manganese

oxide

Spinel

cathode

-

LMO?

Lithium

Titanate

Oxide

anode

–

LTO?

Recharge

to

90%

of

full

capacity

in

less

than

5

minutes.?

Excellent

safety

because

of

high

level

anode

stability.?

6000

cycles

of

full

D.O.D

to

90%

of

initial

capacity.?

Low

temperature

discharge

from

-30C.?

SCIB

is

currently

available

on

the

Schwinn

Tailwind

electric

bike.2.4Voc65

Wh/Kg131

wh/l650

W/Kg1316

W/l/ind/data/tag_files/SCiB_Brochure_5383.pdf

VW

&

Toshiba?

1st?Will

dominate

the

rechargeable

market

for

the

near

and

midfuture.?

2ndGeneration

Li-Ion

Chemistries?

Better

performance

-

Up

to

300

Wh/kg

with

fast

recharge.

-

Wider

operating

temperature

range.

-

Fast

Charging.?

Improved

safety.?

Reduced

cost.

鋰空氣電池？

下一代鋰離子電池動力電池20Generation

Li-Ion

Chemistries動力電池的安全性問題將影響其市場命運If

it

is

not

safe

it

will

not

survive…

動力電池的安全性問題

鋰離子動力電池的安全性分析鋰離子電池關(guān)鍵技術(shù)材料合成，機理診斷，電極/電池工程化，數(shù)學模型電池模型從納米尺度到微米尺度，再到毫米尺度性能

電極結(jié)構(gòu)

電池結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)

材料合成

材料修飾

表面/界

面化學

新工藝

新材料安全性長壽命電極制造電池制備

電極

模型

高性能

鋰電池

正極負極安全性問題引起的損失Safety

casesSafety

cases?

安全性的概念濫用安全性

abuse

thermal

runaway

–

Mechanical

機械的

?

crush,

nail

penetration

擠壓、針刺–

Electrical

電的

?

short

circuit,

overcharge

短路、過充–

Thermal

熱的

?

thermal

ramp,

simulated

fire

熱箱、火燒?現(xiàn)場安全性

field

failure

thermal

runaway

–

Manufacturing

defects

由制造瑕疵引起

?

Loose

connection,

separator

damage,

foreign

debris

連接問題、隔

膜損壞、粉塵

?

Can

develop

into

an

internal

short

circuit

隨機發(fā)生，引起內(nèi)短路

?

Can

lead

to

overheating

and

thermal

runaway

引起過熱與熱失控

Institute

of

New

Energy

Technology,

INET,

Tsinghua

University濫用安全性現(xiàn)場（隨機）安全性兩種安全性概念的差異現(xiàn)場安全性濫用安全性

Predictable

可預(yù)測的

Common

to

all

cells

對每

一個電池

Can/should

be

evaluated

at

the

cell

level

可以通過

測試進行評估

Time

constants

relatively

long

發(fā)生過程較長

Can

be

augmented

by

protection

devices

可以

通過保護措施進行改善

Not

predictable

不可預(yù)測的

One-in-a-million

(or

less)

隨

機小概率發(fā)生

Difficult

to

evaluate

at

the

cell

level,

or

through

QC

無

法通過測試進行評估，也不

能通過質(zhì)量管理來完全消除

can

occur

quickly

發(fā)生很突

然

PTC,

CID,

shutdown

separators,

electronic

controls

not

are

effective

目

前所有的安全性措施，均不

能完全消除鋰離子電池安全

隱患?

發(fā)生安全事故的鋰離子電池，之前均通過UL安全認證。

?

發(fā)生原因基本上是不可預(yù)測的內(nèi)短路所造成。而這種內(nèi)短

路似乎是不能完全消除。

?

引起安全事故的電池在制造時，均是合格品。?

目前濫用安全性標準的測試結(jié)果，與發(fā)或者不發(fā)生安全性

事故，之間沒有任何聯(lián)系。

鋰離子電池安全性

?

對于筆記本電腦電池，發(fā)生概率在幾百萬分之一。?

Major

effort

has

been

payed

to

improve

the

ways

weaddress

safety

in

lithium-ion

batteries,

however?

在人們?nèi)绱酥匾曚囯x子電池安全性的今天，嚴重的安全性問

題還時有發(fā)生。?

The

battery

community

does

not

have

adequate

tests

to

evaluate

safety

as

it

relates

to

the

safety

incidents

that

have

taken

place

or

could

take

place.?

人們還沒有找到合適的方法來預(yù)測和評測這類安全隱患問題?

我們在做工作，希望“十二五”結(jié)束時，這個問題得到一定程

度的解決。

鋰離子電池的安全性

serious

safety

incidents

can

always

occur.

Energy

Released

(J)熱失控的機理249.9378292.573.71

0.90300200100700600500400Anode/Binder

Anode/Solvent

SEIDecompnCathodeBreakdownSeparatorOxidn@CathodeSolvent

Oxdn

JouleHeating@Cathode鋰離子電池安全性900800

0.8

Ah

鈷酸鋰手機電池826.2負極材料的安全性改進正極材料Heat

releaseSafety

of

cathode

Materials隔膜

隔膜關(guān)閉的溫度范圍?

Strength

and

physical

integrity

抗壓機械強度?

Shrinkage

allowance

熱收縮率

影響電池安全性的重要指標?

Shutdown

performance??

電解質(zhì)Solvent，non-flamableSalts，high

decomposition

temperature??Additives，F(xiàn)lame-RetardantGel

electrolyte

P(VdF-HFP)凝膠電解質(zhì)在

凝膠電解質(zhì)?

凝膠電解質(zhì)的放熱量與放熱速率黃倩，廈門大學博士論文?

燃燒過程中的放熱總量非常

接近于純液態(tài)電解液體系。

并且隨著P(VdF-HFP)在凝

膠電解質(zhì)中濃度的增加，其

相應(yīng)的熱釋放速率逐漸降低

。采用P(VdF-HFP)凝膠電

解質(zhì)比液態(tài)電解液更為安全?

PMMA凝膠電解質(zhì)體系中，

情況卻是相反:其燃燒反應(yīng)的

放熱總量和熱釋放速率都隨PMMA的加入而顯著增大。鋰離子電池的安全性是一個復(fù)雜的系統(tǒng)問題?

動力電池安全性是一個系統(tǒng)問題。?

從單純的電池材料改性（正極、負極、電解質(zhì)、隔膜

…）是不能完全解決安全性問題，但可以大幅度地提

高。

鋰離子動力電池的安全性設(shè)計電池的設(shè)計，一方面要滿足電性能的要求，另一方面必須滿足安全性的要求，一個產(chǎn)品的安全性成為重中之重，那么電池的不安全因素主要的表現(xiàn)是什么？那就是電池的：爆炸起火！我們常常聽說哪兒的電池爆炸，傷人，電池召回，電視新聞報到的也很多。就電池的安全設(shè)計從以下幾個方面來考慮：一、電池爆炸的原理是什么？二、引起電池爆炸的因素有哪些？三、如何來保證電池的安全？安全性能設(shè)計一、電池爆炸的原理是什么？

電池在受到熱沖擊、過充、過放、短路、振動、擠壓等濫用狀態(tài)下，電池內(nèi)部的活性物質(zhì)及電解液等組分間將發(fā)生化學、電化學反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱量與氣體，引起電池的升溫，如果鋰離子電池內(nèi)部的熱生成速率大于熱散失速率,則體系內(nèi)的反應(yīng)溫度就會不斷上升，當熱量和內(nèi)壓累積到一定程度的時候，就會引起電池的燃燒或爆炸。簡單的說：就是電池內(nèi)部出現(xiàn)高溫高內(nèi)壓，超過電池殼體的儲壓極限，殼體爆裂，內(nèi)容物噴出，起火燃燒。引起爆炸燃燒的主要原因：短路高溫高電壓二、引起電池爆炸的因素有哪些？

電池的系統(tǒng)制作過程，及各材料的配比和電池的使用，都有可能引起電池爆炸隱患，可從：材料設(shè)計使用三方面來來進行分析。

1、材料：

A.正極材料：（1），從材料本身安全性來說，熱穩(wěn)定性LiNiO2＜LiNi0.8Co0.2O2＜LiCoO2＜LiMn2O4＜LiFePO4＜LiNi3/8Co1/4Mn3/8O2當溫度升高到一定值后，材料分解，產(chǎn)生大量的熱其二從正極標的理論容量與實際發(fā)揮的容量來看，沒有脫嵌的鋰離子越多，過充時，產(chǎn)生枝晶的可能性就越大，刺穿隔膜引起短路。理論值與實際值相差越小，安全性就越高，鈷酸鋰270-140＜錳酸鋰148-110＜磷酸鐵鋰170-130，且鐵鋰的電壓只有3.2V，安全性最高。熱分解溫度：鈷：錳：鐵鋰＝180：200：220正極材料包覆鈷酸鋰包覆磷酸鋁5-10nm

AlPO4過充電前過充電后自制安全性手機電池

過充電試驗未燃燒、未爆炸。市售品牌電過充電池電芯

Energy

燃燒高性能高安全性動力電池采用正極材料表面與界面控制技術(shù)、電解質(zhì)添加劑等技術(shù)，制備出高安全性動力電池。20V過充

150℃熱箱

5小時以上標稱容量12Ah，三元氧化物正極材料。電池比能量大于160wh/kg，比功率大于1200W/kg，

安全很好的倍率性能目前市售三元動力電池的過充電?

充電到5.2V時，發(fā)生劇烈燃燒目前市售三元動力電池?

充電到4.15V，加熱到120℃，發(fā)生劇烈燃燒B.隔膜：隔膜熱閉孔性對電池的安全有很大的影響，當溫度超過120-135度，如隔膜沒有閉孔，電池繼續(xù)升溫，內(nèi)壓升高到極限，電池就會爆炸。如溫度過高，隔膜會熔化，從而引起電池大面積的短路，這就要求隔膜要有很高的熔點。C.電解液：電解液在電池內(nèi)即起到導(dǎo)電作用，同時又要能起到保護作用，當充電電壓到一定值時，形成絡(luò)合物，在電池內(nèi)部形成大面積的斷路，使正負極通過電流減小，電池溫度降低。D.極耳（鋁鎳帶）：在設(shè)計時，可能大家都沒有太多的去考慮這一因素，其實極耳是連接電池內(nèi)外的橋梁，當短路時，會承受很大的電流，其通過的電流密度當超過極耳最大電流密度時，會產(chǎn)生大量的熱，致電池內(nèi)部溫度升高，內(nèi)壓增大。E.殼體:鋼殼鋁殼軟包，材料儲高壓能力比較：鋼殼＜鋁殼＜軟包，選用軟包鋁塑膜最為安全，這與它的封邊有一定的關(guān)系，當壓力超過最大內(nèi)壓值時，封口處破裂，氣體排出，電池一般不會爆炸。2、安全性設(shè)計

A.正負極容量比：電池在使用的過程中，在不同程度都會有所破壞，那就要求負極的嵌鋰空間至始至終都要比正極的脫嵌的鋰離子空間大。如在設(shè)計時，沒有考慮負極余量的大小，會造成析鋰，刺穿隔膜，造成短路。

B.尺寸：電池的隔膜收縮與極片的寬度，當隔膜收縮過大，極片會引起短路。

C.放電電流：在設(shè)計時根據(jù)產(chǎn)品的使用放電電流來設(shè)計極片的面密度壓實極耳類型等。當面密度過大，壓實過高，極耳截面較小時，大電流放電，會產(chǎn)生析鋰，產(chǎn)生大量的熱造成電池爆炸。

D.防爆結(jié)構(gòu)：當電池內(nèi)壓達到一定的壓力時，進行排氣減壓的功能防止電池殼體爆炸。目前采用的有刻痕防爆，排氣閥部件。E.保護系統(tǒng)：對電池進行保護過充過放過流短路3、使用

A.過充電：當電壓超過4.2V以上時，電解液分解，產(chǎn)生大量氣體，電池內(nèi)壓升高，過充負極表面析鋰，電池爆炸。

B.高溫環(huán)境：高溫環(huán)境使用電池脹氣，電解液分解。

C.保護系統(tǒng)失效外線路短路：用戶在使用時，外線路短路，造成電池爆炸。

D.機械性的：刺穿碰撞造成電池短路爆炸。三、

如何來保證電池的安全？材料和設(shè)計上兩個方面的考慮，電池出廠前進行嚴格的安全測試在使用上，出具完整的使用說明書，按說明書使用鋰離子動力電池的使用壽命

?

動力電池的使用壽命與成本?

如何評測動力電池的使用壽命?

現(xiàn)場檢測電池的壽命狀態(tài)（SOH）

鋰離子動力電池的使用壽命

?

PHEV

battery

likely

to

deep-cycle

each

day

driven:

15

yrs

equates

to

4000-5000

deep

cycles?

Also

need

to

consider

combination

of

high

and

low

frequency

cycling

and

calendarwlife

電池電池循環(huán)壽命70%50%

4000

Data

presented

by

Christian

Rosenkranz

(Johnson

Controls)

at

EVS

20,

2006

52%

EV$4,005$2,865$2,919$3,002$1,998$1,992$2,004$2,020$2,079$2,407$2,454$2,433$5,117$8,433$663$-$2,000$4,000$6,000$10,000

$8,000$14,000$12,000$18,000$16,000CVHEVPHEV20PHEV40transmissionengine25%

電池占電動車成本比例

Projected

Retail

Powertrain

Costs

-

Midsize

Sedans

1)

including

manufacturer

and

dealer

markups

2)

all

component

costs

assume

projected

statuscharger/plugbattery

40%motor/inverter60%$663動力電池的使用壽命?

電池的成本占整個電動車成本的25~60%。是一個非常重要的零部件。?

車的使用壽命：10-15年?

動力電池目前的使用壽命是3-7年，LG化學聲稱可

以有10-15年的壽命保證。?

因此大幅度地延長動力鋰離子電池的使用壽命，

使之達到與電動車的壽命相當，是目前動力鋰離

子電池發(fā)展的關(guān)鍵問題。?

需要動力電池使用壽命評測技術(shù)做支撐。

Ohmic

Resistance

[]Ohmic

Resistance

[]Ohmic

Resistance

[]large1.51.3

HighdeCycles50100

150

200

250

300

350

400

450

Cycles

1.21.1

11.11Effects

of

charging/discharging

depth

2.5

21.51

0050100

150

200

250

300

350

400

450

Cycles050100

150200250

300350

400

450ep?影響動力電池的使用壽命的因素

–

溫度

–

電流–

充放電深度

動力電池的使用壽命評測

Effects

of

charge

current

Effects

of

.

1.6

1.7

1.5