動力鋰離子電池現(xiàn)狀安全性及壽命評測

1、杰 1 汽動力鋰離子電池現(xiàn)狀、安全性及壽命評測20會 車動ww 力電ge 池研p- 討會en2011汽車動力電池國際研討會INET, Tsinghua U2011年2月23-24日，上海何向明清華大學核研院新型能源與材料化學研究室Institute of New Energy Technology1騰務內容杰 1 汽20會 車動ww 力電ge 池研p- 討會en動力電池現(xiàn)狀鋰離子動力電池的安全性鋰離子動力電池的使用壽命Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University1騰清華大學核研院鋰離子電池實驗室介紹務杰 1 汽20會

2、 車動ww 力電ge 池研p- 討會enThe Great WallMingInstitute of Nuclear and New Energy TechnologyTsinghua UniversityLess than 50 minutes drive45 kmThe InstituteTsinghuaBeijingInstitute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University1騰務TLithium ion騰會 車動杰 11汽ww 力電ge 池研p- 討會enInstitute of New Energy Technology,

3、 INET, Tsinghua University2R&D0battery務Fuel Cell 杰 1 汽20會 車動ww 力電ge 池研p- 討會enInstitute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University燃料電池實驗室1騰務杰 1 汽學術帶頭人：姜長印、萬春榮會 車動學術骨干（博士）：何向明、蒲薇華、應皆榮、李建軍、劉靖 ww、 電郭建偉、w 力.g 池研op 討會ve研究骨干（碩士）：武玉玲、馮麗娟、張麗春、孫文婷、陳敏.c實驗室技師：陳克勤、常彩霞、李智敏、康建峰、楊兆衛(wèi)、史波鋰離子電池實驗室201騰務王 莉、

4、任建國、李建剛、高 劍 et-ent博士生、碩士生：10-15名Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua Universityom鋰離子電池研究概況杰 1 汽20會 車動ww 力電ge 池研材料合成，機理診斷，電極/電池工程化，數(shù)學模型p- 討會ent.電池模型Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University從納米尺度到微米尺度，再到毫米尺度性能電極結構電池結構結構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電極模型

5、1騰務負極 正極w.toevcom杰 1 汽20會 車動ww 力電ge 池研p- 討會en動力鋰離子電池的現(xiàn)狀Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University1騰務目前市場上的混合動力車杰 1 汽20會 車動ww 力電ge 池研p- 討會enInstitute of New Energy Technology, INET, Tsinghua UniversityToyota HighlanderLexus RX400hHonda InsightLexus GS450hToyota CamryHonda CivicToyo

6、ta PriusHonda AccordSaturn VueChevy SilveradoFord Escapemore and more1騰務杰 1 汽20會 車動ww 力電ge 池研p- 討會en混合動力車ELECTRIC ACCESSORIESPETROLEUM ONLY76hp gasoline engine, 67hp electric motor, 1.5kWh batteryInstitute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University1騰務w.ADVANCED ENGINE杰 1 汽20會 車動ww 力電ge 池研Fu

7、el Flexibilityp- 討會en插電式混合動力車ELECTRIC ACCESSORIESADVANCED ENGINEPETROLEUMAND/ORELECTRICITYBATTERY RECHARGE76hp gasoline engine, 67hp electric motor, 9.0kWh battery (30mi)Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University1騰務Percentage of Vehicle Fleet In Use (%)Cumulative Fuel Consumed (ga

8、llons)5101520250010515202530Time of Day (hr)Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University03010050150200250300PHEV40 8647 total miles driven 共行駛8647英里58 mpg &140 Wh/miPHEVs:40% reduction inoperating costs$500 annual savings37 mpg76 mpg &211 Wh/miAssumes $2.41/gal and 9/kWh$1.5

9、8$1.21$2.48$3.45$0.48$0.72-9.1PHEV20PHEV40HEVCV混合動力車的實際節(jié)油效果1會w.40 400Conventional35 350會 車動ww 力電ge 池研p- 討會enE-Transportation is the most significant technological revolutionafter the cellular and the internet.電動交通是移動電話和互聯(lián)網(wǎng)后的最重要的技術革命 。Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua Univer

10、sity電動車對動力電池的需求在持續(xù)增長騰務w.to20 杰 1 汽 會 車動ww 力電ge 池研p- 討會 MW reserve power plants. 兆瓦級儲能電站。 evt.Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University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騰務 Manage fluctuations in electricity dema

11、nd. 平抑電網(wǎng)波動。 w.to Manufacturers to take a part: A123, Altairnano, Enerdel,20 杰 1 汽 1encom會 車動ww 力電ge 池研different cell models.t e討會120 different cell models n o Ultra High power 超高功率(20C)- 19 manufacturers,.Market grow of 15% CAGR(復合年均增長率) peryear driven by the EV growing market, Cell costsare decreas

12、ing by 8% per year (Source: IIT).Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University動力電池的現(xiàn)狀 杰 2011汽 High power 高功率(10C)- 84 manufacturers, 1500 op-騰務w.vet.cm中日韓在動力電池制造方面占支配 騰 務 車 力地動 位杰 1 汽20w. 電池to 研討ev 會t.Far-East manufacturers dominate the market臺灣Institute of New Energy Technology, INE

13、T, Tsinghua University1會wwgep-encom杰 1 汽20會 車動ww 力電ge 池研p- 討會enPouch. mcoInstitute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University動力電池的包裝方式Prismaticcells較好的傳熱安全性好使用壽命長1騰務w.toevtcellsCylindricalcellsCellSizemmCapAhCyclelifeTemprangeWeightgrWeightenergydensityWh/KgVolumeenergydensityWh/Lp-Weightco

14、nstantpowerdensityW/Kg會VdensityW/LA123-AHR18700M1ULTRAD=18L=700.71000to90%-10to10038601291085523169A123-AHR32157M1HDD=32L=157101000to80%-30to603041082611085526148Saft-VL12VD=47L=17312500to80%-30to6064067144843718000杰 1 汽20會 車動ww 力電ge 池研功率最高的磷酸鐵鋰電池SInstitute of New Energy Technology, INET, Tsinghua U

15、niversity1討騰務w.toInstitute of New Energy Technology, INET, Tsinghua UniversityBeijing ChinaPowerel北京中潤恒動電池有限公司850 x560 x71200500 to80%?7000102211028213Lionik深圳市龍鋰實業(yè)有限公司255 x145 x55100500 to80%-20to 60360010518610551868單體電池容量最高的高功率動力電池騰務w.Cell Size Cap Cycle Temp Weight Weight Volume tmm Ah life rang

16、e gr energy energy powerdensity density density densityWh/Kg Wh/L W/Kg W/L杰 2011汽t.CellVCapAhCyclelifeto80%WeightgrWeightenergydensityWh/KgVolumeenergydensityWh/L務Weight力wwpowerw.getdensityW/KgVolumepowerop-density研討會evW/LenAdvancedbatteryfactory12010073.31.2100043922395525m14372Q-LiteIndustrialICR1

17、8650HH3.71.35004012027530066885CENSEnergyTechCo18650P3.21.12000457821228447742AmericanLithiumIncNo-P.N3.21.5200034.314029027985806HenanBideliEnergyICR18650P3.71.45003813630627266129SamsungINR18650-15R3.61.55004512032620005443杰 1 汽20會 車動功率最高的18650電池Highcompetitivemarketwithalmost50differentcellmodels

18、Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University1騰CellVCapAhCyclelifeto80%Highoper.Temp.cWeightenergydensityWh/KgVolumeenergydensityWh/LWeightpowerdensityW/KgVolumeent.cpoweromdensityW/LSaftVL32600-1254.2420012512325961129AdvancedBatteryFactory3.2v/60ah3.660300090801276661060杰 1 汽20會 車動

19、ww 力電ge 池研p- 討會操作溫度最高的動力電池EV needs batteries with up to 80C hightemperature operating rangemInstitute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University1騰務w.toevCellI.DWh/KgChargeRateCycleLifeGPLbattery,GE-32AH-02,32AH939.38C500GAIAUHE-341440,7.5AH8416C500ToshibaSCiB6511.9C6000StandardChargeQuickCh

20、argeFastCharge務力UltraFastChargewww.C/3C/3,2C10C杰 1 汽20會 車動to 研討ev 會t.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 cellUltrafastchargeStationInstitute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University1騰電池p-enco快速充電 (up to 5 min, 80% capacity) 是解決電動車續(xù)駛里程m杰 1 汽20車會務 動力

21、w. 電池to 研討ev 會t.Toshiba Super Charge Lithium IonBattery - 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 ca

22、pacity. Low temperature discharge from -30C. SCIB is currently available on the Schwinn Tailwind electric bike.2.4Voc65 Wh/Kg131 wh/l650 W/Kg1316 W/lhttp:/ of New Energy Technology, INET, Tsinghua UniversityVW&Toshiba1騰wwgep-encom杰 11汽會 車動ww 力電ge 池研p- 討會en 1stWill dominate the rechargeable marke

23、t 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？Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University下一代鋰離子電池動力電池20騰務w.toevGeneration

24、 Li-Ion Chemistries 杰 11汽會 車動ww 力電ge 池研動力電池的安全性問題將影響其市場命運p- 討會encoIf it is not safe it will not surviveInstitute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University動力電池的安全性問題 20騰務w.toevt.m杰 1 汽20會 車動ww 力電ge 池研p- 討會en鋰離子電池的安全性Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University1騰務杰 1 汽20會 車動

25、ww 力電ge 池研p- 討會enInstitute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University1騰務杰 1 汽20會 車動ww 力電ge 池研p- 討會enInstitute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University安全性問題引起的損失1騰務杰 1 汽20會 車動ww 力電ge 池研p- 討會enInstitute of New Energy Technology, INET, Tsinghua UniversitySafety cases1騰務杰 1 汽20會 車動ww

26、 力電ge 池研p- 討會enInstitute of New Energy Technology, INET, Tsinghua UniversitySafety cases1騰務杰 1 汽20會 車動ww 力電ge 池研p- 討會en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

27、 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，引起內短路 Can lead to overheating and thermal runaway 引起過熱與熱失控Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University1騰務杰 1 汽20會 車動

28、ww 力電ge 池研p- 討會enInstitute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University濫用安全性1騰務杰 1 汽20會 車動ww 力電ge 池研p- 討會enInstitute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University現(xiàn)場（隨機）安全性1騰務兩種安全性概念的差異杰 1 汽20會 車動ww 力電ge 池研p- 討會現(xiàn)場安全性濫用安全性enInstitute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University Pre

29、dictable 可預測的 Common to all cells 對每一個電池 Can/should be evaluatedat the cell level 可以通過測試進行評估 Time constants relativelylong 發(fā)生過程較長 Can be augmented byprotection devices 可以通過保護措施進行改善 Not predictable 不可預測的 One-in-a-million (or less) 隨機小概率發(fā)生 Difficult to evaluate at thecell level, or through QC 無法通過測試進行

30、評估，也不能通過質量管理來完全消除 can occur quickly 發(fā)生很突然 PTC, CID, shutdownseparators, electroniccontrols 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1騰務杰 1 汽20會 車動ww 力電ge 池研p- 討會 發(fā)生安全事故的鋰離子電池，之前均通過UL安全認證。en 發(fā)生原因基本上是不可預測的內短路所造成。而這種內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果，與發(fā)或者不發(fā)生安全性事故，之間沒有任何聯(lián)系。Institute o

31、f New Energy Technology, INET, Tsinghua University鋰離子電池安全性1騰務w. 對于筆記本電腦電池，發(fā)生概率在幾百萬分之一。杰 1 汽20會 車動 Major effort has been payed to improve the ways weww 力電ge 池研address safety in lithium-ion batteries, howeverp- 討會en 在人們如此重視鋰離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 teststo

32、 evaluate safety as it relates to the safety incidentsthat have taken place or could take place. 人們還沒有找到合適的方法來預測和評測這類安全隱患問題 我們在做工作，希望“十二五”結束時，這個問題得到一定程度的解決。Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University1鋰離子電池的安全性騰serious safety incidents can always occur. t.務w.toevcomEnergy Released (

33、J)熱失控的機 騰會 1 車杰 理務 動力w. 電池to 研討ev 會t.Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University249.9378292.573.716400.90300200100700600500400Anode/Binder Anode/Solvent SEIDecompnCathodeBreakdownSeparatorOxidnCathodeSolvent Oxdn JouleHeatingCathode鋰離子電池安全性9008000.8 Ah 鈷酸鋰手機電池201汽wwge826.2 p-encom杰

34、 1 汽20會 車動ww 力電ge 池研p- 討會enInstitute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University負極材料的安全性改進1騰務杰 1 汽20會 車動ww 力電ge 池研p- 討會enInstitute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University正極材料1騰務杰 1 汽20會 車動ww 力電ge 池研p- 討會enInstitute of New Energy Technology, INET, Tsinghua UniversityHeat release1騰

35、務Safety of cathode Materials 杰 會 1 動20騰 汽車ww 力電ge 池研p- 討會enInstitute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University1務杰 1 汽20會 車動ww 力電ge 池研p- 討會en隔膜隔膜關閉的溫度范圍 Strength and physical integrity抗壓機械強度 Shrinkage allowance熱收縮率Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University影響電池安全性的重要指標 Shu

36、tdown performance1騰務杰 1 汽20會 車動ww 力電ge 池研p- 討會en電解質Solvent，non-flamableSalts，high decomposition temperatureAdditives，F(xiàn)lame-RetardantGel electrolyteInstitute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University1騰務杰 1 汽20會 車動ww 力電ge 池研p- 討會enP(VdF-HFP)凝膠電解質在 . m o cInstitute of New Energy Technology, I

37、NET, Tsinghua University凝膠電解質 凝膠電解質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)在凝膠電解質中濃度的增加，其相應的熱釋放速率逐漸降低。采用P(VdF-HFP)凝膠電解質比液態(tài)電解液更為安全 PMMA凝膠電解質體系中，情況卻是相反:其燃燒反應的放熱總量和熱釋放速率都隨PMMA的加入而顯著增大。1騰務w.toevt杰 1 汽20會 車動ww 力電ge 池研p- 討會鋰離子電池的安全性是一個復雜的系統(tǒng)問題en 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、隔膜）是不能

38、完全解決安全性問題，但可以大幅度地提高。Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University1騰務杰 1 汽20會 車動ww 力電ge 池研p- 討會enInstitute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University正極材料包覆1騰務杰 1 汽20會 車動ww 力電ge 池研p- 討會en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Institute of New劇烈燃Technology

39、, INET, Tsinghua UniversityEnergy 燒1騰務高性能高安全性動力電池杰 1 汽20會 車動ww 力電采用正極材料表面與界面控制技術、電解質添ge 池研p- 討會en加劑等技術，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，Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University安全很好的倍率性能1騰務目前市售三元動力電池的過充電杰 1 汽20會 車動ww 力電ge 池研 充電到5.2V時，發(fā)生劇

40、烈燃燒p- 討會enInstitute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University1騰務目前市售三元動力電池杰 1 汽20會 車動ww 力電ge 池研 充電到4.15V，加熱到120，發(fā)生劇烈燃燒p- 討會enInstitute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University1騰務會 車動ww 力電ge 池研p- 討會en 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）Institute of New Energy Technology,

41、INET, Tsinghua University鋰離子動力電池的使用壽命務w.20 杰 1 汽 1 騰杰 1 汽20會 車動 PHEV battery likely to deep-cycle each day driven: 15 yrs equates to 4000-5000 deep cyclesw 力 Also need to consider combination of high and low frequency cycling and calendarwlife 電池to 研討ev 會t.電池循環(huán)壽命70%50%4000Data presented by Christian

42、 Rosenkranz (Johnson Controls) at EVS 20, 2006Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University1騰務gep-encom杰 1 汽會 車動ww 力電52% . p o t e g 池 討 EV-e 會ntomInstitute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University$4,005$2,865$2,919$3,002$1,998$1,992$2,004$2,020$2,079$2,407$2,454$2,433$5,1

43、17$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 Sedans1) including manufacturer and dealer markups2) all component costs assume projected statuscharger/plugbattery 40%motor/inverter1騰務w研ve20 60%$663 .c動力電池的使用壽命杰 1 汽20會 車動ww 力電 電池的成本占整個電動車成本的2560%。是一個ge 池研p- 討會非常重要的零部件。en 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)展的關鍵問題。 需要動力