動力電池發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢.ppt

1、動力電池國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢,曹際娜,發(fā)展機遇與政府規(guī)劃,由于世界各地汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，石油資源已經(jīng)表現(xiàn)了供應(yīng)不足、價格高漲的現(xiàn)象，國際能源結(jié)構(gòu)也因此發(fā)生了重大變化，能源需求大幅度增加。,世界能源需求量不斷增大,減少對石油的依賴程度及環(huán)保要求,目前我國原油消費60用于交通，如何降低交通用油有重要意義。 2009年我國石油對外依存度提高2.5個百分點，已到達(dá)53%。發(fā)展鋰電池新能源應(yīng)用勢在必行。 燃油汽車污染嚴(yán)重，發(fā)展電動清潔汽車，是保護環(huán)境的必然要求,中國石油總需求供需缺口,污染,全球變暖,發(fā)展中國家,發(fā)達(dá)國家,交通發(fā)展戰(zhàn)略,動力電池,電池,電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置，充電時，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能貯

2、存起來，放電時，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。 一次電池，電池的反應(yīng)是不可逆的； 二次電池，電池的反應(yīng)可逆，可以多次重復(fù)充放電,水果電池,組成電池的三種主要成分：正極、負(fù)極、電解液（正負(fù)極不能直接接觸）,電池發(fā)展史,最早的電池-巴格達(dá)土瓶,約公元前250公元250年,高能量密度 - High energy density 高功率性能 - Hign power density 高安全性能 - Hign safety characteristics 低自放電率 - Low self-discharge rate 長循環(huán)壽命 - Good cycle performance 快速充電能力 - Quick cha

3、rge acceptance 較寬的高溫性能 - Good performance in the wide of temperature 環(huán)境友好 - Environment-friendly,電池的性能要求,水果電池不符合這些要求，所以不是真正的電池,電池分類 - 一次電池,又稱原電池，或干電池，反應(yīng)不可逆或者或者可逆反應(yīng)很難進行，電池放電后不能重復(fù)充電使用。,電池分類 - 二次電池,二次電池： 能夠充放電多次重復(fù)使用的電池,主流動力電池發(fā)展史,第一代,第二代,第三代,第一代 鉛酸電池,正極：二氧化鉛 負(fù)極：海綿鉛 電解液：硫酸,工作電壓：2V,優(yōu)點： 原料易得，價格相對低廉； 高倍率放電性

4、能良好； 溫度性能良好,可在-4060的環(huán)境下工作； 適合于浮充電使用,使用壽命長,無記憶效應(yīng)； 廢舊電池容易回收,有利于保護環(huán)境. 缺點： 比能量低,一般為3040Wh/kg； 使用壽命不及Cd/Ni電池； 制造過程容易污染環(huán)境,必須配備三廢處理設(shè)備.,鉛酸電池的主要優(yōu)缺點,鉛酸電池的結(jié)構(gòu),第二代 鎳氫電池,鎳氫電池以儲氫合金為負(fù)極材料，氫氧化鎳為正極材料，電解液是含氫氧化鋰（LiOH）的氫氧化鉀（KOH）水溶液。電池放電時，負(fù)極的金屬氫化物被氧化生成金屬合金，正極的羥基氧化鎳（NiOOH）被還原成氫氧化鎳，充電過程相反。,標(biāo)準(zhǔn)電壓：1.2V,鎳氫電池的結(jié)構(gòu),優(yōu)勢 與鉛酸電池比，能量密度有大

5、幅度高，重量能量密度65Wh/kg，體積能量密度都有所提高200Wh/L 功率密度高，可大電流充放電 低溫放電特性好 循環(huán)壽命（提高到1000次） 環(huán)保，無污染 技術(shù)比較鋰離子電池成熟 缺點 正常工作溫度范圍-1540C，高溫性能較差 工作電壓低，工作電壓范圍1.0V1.4V 價格比鉛酸電池、鎳鎘電池貴，但是性能比鋰離子電池差,鎳氫電池的主要優(yōu)缺點,目前市場上銷售的混合動力汽車，主要以鎳氫電池作為動力電源。在HEV所用的動力電池中，鎳氫動力電池的技術(shù)仍是最成熟，綜合性能最高的。 純電動方面，較小的比能量使得鎳氫電池續(xù)航能力較低，優(yōu)勢不比鋰離子電池。,鎳氫電池主要應(yīng)用,主要應(yīng)用領(lǐng)域混合動力汽車,

6、第三代 鋰離子電池,鋰離子電池在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌，產(chǎn)生了電流，該反應(yīng)具有高度的可逆性，被形象地稱為“搖椅電池”（Rocking Chair Batteries）。,目前最有潛力的電動汽車動力電池,宏觀-微觀,鋰離子電池的結(jié)構(gòu),鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu),鋰電池成本解析,正極材料 電動汽車躍動的心,正極部分,層狀結(jié)構(gòu)材料(LiCoO2,NCM,NCA等 ) 尖晶石結(jié)構(gòu)材料(LiMn2O4等) 橄欖石結(jié)構(gòu)材料(LiFePO4) 一些新材料（未來發(fā)展方向）,日韓等國家推崇三元和錳鋰材料 中國，美國推崇鐵鋰材料,磷酸鐵鋰材料,LiFePO4電池在充電時，正極中的鋰離子Li+通過

7、聚合物隔膜向負(fù)極遷移；在放電過程中，負(fù)極中的鋰離子Li+通過隔膜向正極遷移。,優(yōu)點,價格低廉，降價空間大 熱穩(wěn)定性高，安全性好 循環(huán)性能好 比容量高 環(huán)保，無污染,固有缺點 體積能量比低 電壓偏低3.2V，且電壓平臺太平,解決路徑-1.表面碳包覆，提高導(dǎo)電率 2.優(yōu)化摻雜 3.低溫添加劑，改善低溫性能,尖晶石錳酸鋰材料,優(yōu)點： 成本低 易合成 工作電壓高 安全性能好 對環(huán)境無污染,衰減的原因： Mn3+的溶解，2Mn3+Mn2+Mn4+ 結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定：Jahn-Teller反應(yīng)（立方相變成四方相）,LiPF6 + H2O POF3 + LiF 4H+ + 2 LiMn3+Mn4+O42- 3-M

8、nO2 + Mn2+ + 2H2O,性能改善措施： 元素?fù)诫s 表面修飾 納米化,高溫性能差 容量偏低 (約120mAh/g),三元材料LiCoNiMnO2（NCM）,Co，+3； Ni，+2； Mn，+4； Ni為材料容量的主要來源；+2+4 Co在較高電位時才能發(fā)生反應(yīng)，+3+4，因此起到了穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用； Mn保持+4價不變，但是Mn含量偏高時易出現(xiàn)價態(tài)變小的趨勢，出現(xiàn)+3價的Mn,負(fù)極部分,高功率硬碳材料（最早使用） 傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料（目前普遍） Li4Ti5O12負(fù)極（東芝力推） 未來高容量負(fù)極材料（Si系列，體積膨脹是致命問題，目前只巧妙的應(yīng)用于某些高容量電池，還未在動力電池領(lǐng)域有所

9、應(yīng)用）,各類負(fù)極材料市場占有率,傳統(tǒng)石墨負(fù)極,其中國內(nèi)行業(yè)前三甲是深圳貝特瑞，上海杉杉，長沙海容。 深圳貝特瑞是中國寶安集團控股的子公司，是國內(nèi)電池碳負(fù)極材料標(biāo)準(zhǔn)制定者，全球市場位居全球第四。,石墨負(fù)極成本低 技術(shù)成熟 國內(nèi)已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,全球負(fù)極廠家市場占有率,Li4Ti5O12,最初作為超導(dǎo)材料被和正極材料被研究； 1996年，加拿大K.Zaghib首次提出作為鋰電池負(fù)極材料應(yīng)用可能 理論容量175mAh/g,1.5V vs. Li/Li+ 零應(yīng)變材料，循環(huán)性能及倍率性能好,零應(yīng)變材料,隔膜,鋰離子電池隔膜特性要求,電子絕緣； 較小的離子阻抗； 一定的機械強度； 耐受電液，電極材料的腐蝕；

10、阻止兩電極間的雜質(zhì)的遷移； 具有電液浸潤性； 材料品質(zhì)的穩(wěn)定性,放電過程隔膜作用示意圖,隔膜的shutdown功能示意圖,不同材質(zhì)隔膜的DSC測試數(shù)據(jù),隔膜,PP,PE,PP/PE/PP,濕法,干法,全球隔膜生產(chǎn)分布,由于隔膜生產(chǎn)較高的技術(shù)門檻，全球鋰離子電池隔膜主要集中在日本和美國，其中日本旭化成（Asahi Kasei E Materials）、美國 Celgard 和日本東燃（Tonen）合計占據(jù)了 77市場份額。,我國生產(chǎn)電池隔膜的厚度和孔徑的均勻度和國外還存在較大差距，國內(nèi)所需的隔膜 80仍由進口滿足，現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備為低成本的單層聚烯烴拉伸隔膜生產(chǎn)線，主要供應(yīng)中、低端市場，,電解液,能

11、較好的溶解電解質(zhì)鹽，即有較高的介電常數(shù)； 應(yīng)有較好的流動性，即低黏度 對電池的其他組件應(yīng)該是惰性的，尤其是充電狀態(tài)下的正負(fù)極表面； 在很寬的溫度范圍內(nèi)保持液態(tài)，熔點要低，沸點要高 安全性要好，即閃電要高，無毒,鋰離子電池電解液特性要求,電解液組成示意圖,通常電解液溶劑為混合溶劑，碳酸乙烯酯（EC）憑借優(yōu)良的成膜作用，成為絕大多數(shù)電解液的主成分，目前鋰電池使用的主要溶劑為 EC 為基礎(chǔ)的二元或者三元混合溶劑，如EC+DMC, EC+DEC, EC+DMC+EMC,LiPF6作為電解質(zhì)，對純度要求特別高，對金屬（如 Na、K、Fe 等）、酸根、氫氟酸（HF）及 H2O 含量要求在 10-5（質(zhì)量分

12、數(shù)）以下所以合成難度大，目前LiPF6的合成技術(shù)主要掌握在日本企業(yè)中。,電解質(zhì),鋰電芯（cell）生產(chǎn)流程圖,cellpack生產(chǎn)流程簡圖,鋰電芯（cell）全自動生產(chǎn)線圖,常用鋰電池分類,層狀材料(LiCoO2,NCM,NCA等 ) 鈷鋰電池，三元電池等 尖晶石材料(LiMn2O4等) 錳鋰電池 橄欖石材料(LiFePO4等) 鐵鋰電池,按正負(fù)極疊加方式來分,卷繞電池 疊片電池,按外形來分,圓形電池 方形電池 其他形狀電池,按電解質(zhì)形態(tài)分,常用測試分析手段,充放電循環(huán),高低溫沖擊,高溫高濕試驗箱,機械沖擊測試,過充,短路,針刺,熱箱,擠壓,跌落試驗機,燃燒試驗機,鹽噴霧,重物沖擊測試,其他測

13、試： 電池旋轉(zhuǎn)測試 鹽水浸潤測試等,靜電測試,其他動力與儲能電池超級電容器,活性碳電極材料具有1200m2/g，電解液與多孔電極間的界面距離不到1nm，超級電容器電容值可以非常大。大多數(shù)超級電容器可以做到法拉級，一般其電容值范圍為15000F!,優(yōu)勢：,劣勢：,能量密度太低，僅1-10Wh/kg,功率密度高，充電時間短。,超級電容的主要優(yōu)缺點,大多作為輔助電源，主要作為快速啟動裝置和能量制動回收裝置,超級電容續(xù)航里程太短，不能作為電動汽車主流電源。,應(yīng)用領(lǐng)域,潛在動力與儲能電池燃料電池,燃料電池 （儲能實質(zhì)-發(fā)電廠） 將燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。,能量轉(zhuǎn)換效率高； 環(huán)保，污染低 燃

14、料使用范圍廣； 規(guī)模及安裝地點靈活 負(fù)荷響應(yīng)快，運行質(zhì)量高,潛在動力與儲能電池鈉硫電池,正極：液態(tài)硫和多硫化鈉熔鹽（液態(tài)） 負(fù)極：熔融金屬鈉（液態(tài)）-填充在導(dǎo)電的多孔碳或石墨氈里 電解質(zhì)兼隔膜：Al2O3陶瓷材料（固態(tài)）,鈉硫電池充放電機理,高比能量（理論760wh/kg；實際390wh/kg） 高功率（放電電流密度可達(dá)200300mA/cm2) 充電速度快（滿充30min） 長壽命（15年；或2500 4500次） 無污染，可回收（Na，S回收率近100%） 無自放電現(xiàn)象，能量轉(zhuǎn)化率高,優(yōu)勢：,不足：,工作溫度高，其工作溫度在300350度，電池工作時需要一定的加熱保溫；啟動慢 價格昂貴，萬

15、元/每度 安全性差（日本蓄電站9月21日-10月5日大火）,鈉硫電池的應(yīng)用,應(yīng)用范圍（主要作為儲能電池）,電站負(fù)荷調(diào)平(即起削峰平谷作用） UPS應(yīng)急電源 不間斷電源,儲能優(yōu)勢,電動汽車移動 電源優(yōu)勢,鈉硫電池有著高能量高功率的優(yōu)勢，在儲能電源方面有很大優(yōu)勢，但作為電動汽車用或其他移動電源，因沒有完全解決安全可靠性問題，不能顯示其優(yōu)越性。,潛在動力與儲能電池液流電池（釩電池）,液流電池一般稱為氧化還原液流電池，正負(fù)極全使用釩鹽溶液的稱為全釩液流電池,簡稱釩電池.,開路電壓：1.5V（荷電100%）,主要應(yīng)用在儲能領(lǐng)域,研發(fā)費用大 材料要求高 比能量低 工程周期長 運行竅門多,日本“新陽光計劃”

16、 美國“DOE項目計劃” 歐洲“能源框架計劃” 中國863計劃,潛在動力與儲能電池鋰空氣電池,負(fù)極：鋰 正極：空氣 電解液：LiOH溶液,開路電壓：2.91V 理論比能量為11140Wh/kg,4Li+2H2O+O2 4LiOH,負(fù)極采用金屬鋰條，負(fù)極的電解液采用含有鋰鹽的有機電解液。中間設(shè)有用于隔開正極和負(fù)極的鋰離子固體電解質(zhì)膜。正極電解液使用堿性水溶性凝膠，與由微細(xì)化碳和廉價氧化物催化劑形成的正極組合,致命缺陷 固體反應(yīng)生成物氧化鋰（Li2O）會在正極堆積，使電解液與空氣的接觸被阻斷，從而導(dǎo)致放電停止。,在負(fù)極（金屬鋰）一側(cè)使用有機電解液，在正極（空氣）一側(cè)使用水性電解液。在兩種電解液之間設(shè)置只有鋰離子穿過的固體電解質(zhì)膜，將兩者隔開。這樣便可防止電解液混合，并促進電池發(fā)生反應(yīng)。,科學(xué)家認(rèn)為，鋰空氣電池的性能是鋰離子電池的10倍，可以提供與汽油同等的能量。鋰空氣電池從空氣中吸收氧氣充電，因此這種電池可以更小、更輕。全球不少實驗室都在研究這種技術(shù)，但如果沒有重大突破，要想實現(xiàn)商用可能還需要10年,鋰硫電池電池是一類極具發(fā)展前景的高容量儲能體系。以硫或含硫化合物為正極，鋰或儲鋰材料為負(fù)極，以硫硫鍵的斷裂/生成來實