化學(xué)電源前沿技術(shù)概述

1、化學(xué)電源技術(shù)新進(jìn)展劉興江10月10日化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第1頁(yè)提 綱一、化學(xué)電源概述二、鋰系列電池高比特征化三、電化學(xué)電容器研究進(jìn)展四、燃料電池技術(shù)介紹五、固態(tài)鋰電池與新型化學(xué)電源六、結(jié)束語(yǔ)化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第2頁(yè)概 述-概念與內(nèi)涵電能源： 電能源是各種能量直接轉(zhuǎn)換為電能裝置。包含化學(xué)電源、物理電源及控制系統(tǒng)等。化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第3頁(yè)概述電能源產(chǎn)業(yè)鏈Materials6.03 Billon $Cell13.6 Billon $Pack & System19.6 Billon $ApplicationsYear 化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第4頁(yè)概述消費(fèi)電子需求100W10WWmW化學(xué)電源前沿技術(shù)

2、概述第5頁(yè)概述動(dòng)力市場(chǎng)需求數(shù)據(jù)起源：呂學(xué)隆博士化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第6頁(yè)智能電網(wǎng)“發(fā)電、輸電、配電和用戶”各步驟對(duì)儲(chǔ)能規(guī)模經(jīng)典要求 概述儲(chǔ)能應(yīng)用需求WkWMWGW備份電源，UPS可再生能源智能電網(wǎng)照明化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第7頁(yè)2030年前二次電池技術(shù)-DOE化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第8頁(yè)日本“第53屆電池研討會(huì)”2035年前二次電池技術(shù)-日本化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第9頁(yè)Gen1Gen 2Gen3200Wh/kg 或以下（HEV/PHEV/EV)300Wh/kg (PHEV/EV)500Wh/kg(EV)Separator：PP、PE及其復(fù)合膜、改性隔膜、PI等；Electrolyte：高電壓電解液、

3、高安全性電解液等。注：以電池單體計(jì)硫空氣金屬（鋰金屬等）鎳鈷錳、鎳鈷鋁富鋰層狀錳基等固溶體材料錫基/硅基等合金類復(fù)合材料碳材料錳酸鋰磷酸鐵鋰錳酸鋰/鎳鈷錳錳酸鋰/鎳鈷鋁炭材料鈦酸鋰高電壓錳酸鋰超級(jí)電容器快充中國(guó)動(dòng)力電池發(fā)展規(guī)劃3元/Wh2元/Wh1元/Wh化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第10頁(yè)二、鋰系列電池高比特征化化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第11頁(yè)等能量曲線E = C x VLNMO or LMP / Si-C高電壓化高容量化化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第12頁(yè)鋰原電池比能量比較化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第13頁(yè)鋰氟化碳系列電池與其它鋰原電池比較化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第14頁(yè)Fluorinated Carbon Nanos

4、pheres (LiCFx)nElectrolyteTheoretical Capacity(mAh/g)Fluorinated CNSCapacity at 2.0V (mAh/g)Fluorinated CNSCapacity at 1.5V (mAh/g)1M LiBF4 PC:DME (1:1)8507278040.5M LiBF4 PC:DME (2:8)850760832Spheres maintain surface morphology after fluorinationx = 0.96 (gravimetric) x = 1.04 by NMRThermally stabl

5、e to 400C by TGA analysisElectrochemical performanceSteve LipkaUK-ANL Center高性能球型鋰氟化碳化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第15頁(yè)氟化碳表面修飾效果化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第16頁(yè)17Ah15Ah, 3A放電化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第17頁(yè)1Ah-45Ah, 650Wh/kg2X Runtime Coin, Pouch, Wound Cell Capability85 Ah to 90 mAh Cell CapacityContour Energy Systems, Inc化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第18頁(yè)高功率Li/SVO-CFx三明治結(jié)

6、構(gòu)電池化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第19頁(yè)Cathode MaterialSpecific Capacity (mAh/g)Potential（V. Li/Li+）Ddiff.（cm2/s）Specific Energy of Cell with Carbon（Wh/kg）CostSafetyLCO140-1603.7-3.9*2.6x10-8160-220HighBadNCA170-2003.610-8-10-9180-240HighBadLiMn2O4110-1203.810-980-100LowExcellentLFP130-1503.410-1290-120LowExcellentLMP130

7、-1454.110-16120-150LowExcellentLiNi0.5Mn1.5O4140-1504.78.2510-9200-220LowBetterLi(NiCoMn)O2150-2203.6-3.9*10-12160-200HighBetterLi2MnO3-LNMC260-3203.5-3.7*Sn-Co SiO Li2.6Co0.4N Li Table Comparison of specific capacity for various negative active materials.鋰離子電池負(fù)極材料化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第21頁(yè)Si插層石墨烯負(fù)極技術(shù)化學(xué)電源前沿技術(shù)概述

8、第22頁(yè)400Wh/kg鋰離子電池技術(shù)化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第23頁(yè)東芝SCiB動(dòng)力電池技術(shù)安全性 負(fù)極酸採(cǎi)用熱強(qiáng)安全金屬析出長(zhǎng)壽命 壽命：，回急速充電 充電時(shí)間分低溫特征 使用可容量： 化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第24頁(yè)快充及低溫充電用硬碳化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第25頁(yè)高功率化學(xué)電源研發(fā)水平化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第26頁(yè)各種正極材料倍率特征 10C-rateMaterialVoltageCapacity 1CCapacity retention 10CMax. CapacityLNCA3.719790%177（10C）LMO3.812098%112（20C）S-LMNO4.814098%78 (167C

9、)L-LMNO4.314079%111（10C）IE-LMNO4.222077%150(15C)LMFP3.314071%100（10C）LMP4.515070%110（10C）10C rateLNCA 650Wh/kgS-LMNO 650Wh/kgVoltage 10C4V，160mAh/g4.3V，150mAh/g4.6V，140mAh/g化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第27頁(yè)SAFTVL-VFe高功率鋰離子電池 化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第28頁(yè) 比能量E = CV2/2m式中E，C，V，m分別為混合電容器比能量、容量、電壓和質(zhì)量。計(jì)算混合電容器容量時(shí)，C最大值靠近于理想極化電極容量，而傳統(tǒng)電容器容量約

10、為其電極容量1/2（1/C=1/Cp+1/Cn, CpCn），所以電化學(xué)混合電容器最大容量靠近等重量傳統(tǒng)雙電層電容器容量2倍；而且電化學(xué)混合電容器電壓基本上由理想極化電極決定，則其平均電壓也約為雙電層電容器2倍，電化學(xué)混合電容器比能量可靠近雙電層電容器2x22=8倍。假如選擇適當(dāng)電化學(xué)混合電容器活性材料，使電容器電壓更高，則其比能量可到達(dá)雙電層電容器8倍以上，即20-50 Wh/kg?；旌蟽?chǔ)能裝置例一側(cè)采取活性炭AC；另一側(cè)采取鋰離子電池材料化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第29頁(yè)LIC與超級(jí)電池/10/10化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第30頁(yè)比能量： 400Wh/kg （Envia）比功率：10kW/kg （S

11、AFT）壽命：6000-8000次（100%DOD,Toshiba, Altaino ）低溫性能：-60oC （NASA）高溫性能：100oC （SAFT）安全性：3C10V過(guò)充等測(cè)試經(jīng)過(guò)故障率：ppb級(jí)（SONY）國(guó)際上鋰離子電池技術(shù)水平化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第31頁(yè)Li-S, Li-Air電池，新型離子電池Na, Zn, Mg, F離子電池，美國(guó)PolyPlus企業(yè)推出800Wh/kg水系Li-Air、及1300Wh/kg鋰水電池，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究部門鋰-空氣電池在空氣中以0.1A/g放電率能夠連續(xù)放電20天高比能水系鋰電池展示鋰水電池鋰空電池高比能水系鋰電池展示Li-S電池2Li+S8(s

12、olid)=Li2S8(solution)2Li+Li2S8(solution)=2Li2S4(solution)2Li+Li2S4(solution)=2Li2S2(solid)2Li+Li2S2(solution)=2Li2S (solid)化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第32頁(yè)Li-S二次電池化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第33頁(yè)Li-S二次電池化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第34頁(yè)Li-S二次電池化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第35頁(yè)Li-S二次電池化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第36頁(yè)Electrochemical performance of sulfurTiO2 yolkshell nanostructures. (a) Cha

13、rge/discharge capacity and Coulombic efficiency over 1,000 cycles at 0.5 C. (b) Capacity retention of sulfurTiO2 yolkshell nanostructures cycled at 0.5 C, in comparison with bare sulfur and sulfurTiO2 coreshell nanoparticles.Li-S二次電池化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第37頁(yè)The Li-S cell with Nafion coating starts with a highe

14、r storage capacity and this capacity is retained to a large extent over many cycles.Li-S二次電池化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第38頁(yè)水溶液體系可充鋰電池0.5 mol l-1 Li2SO4 比能量：446 Wh kg-1安全性：良好循環(huán)壽命：1000次快速充電：數(shù)分鐘Nature, Scientific Reports化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第39頁(yè)Japans RIKENOCV: 3.8 V versus Li+/Li E.D.: 0.33kWhkg1水溶液Li-I2二次電池 化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第40頁(yè)金屬燃料電池

15、技術(shù) 輕金屬輕金屬燃料電池，負(fù)極可用鋰、鎂、鋁或合金；正極選擇范圍比較寬，能夠是空氣、氧氣、H2O2等活性材料，體系電壓伴隨正極材料不一樣而改變，最高電壓可達(dá)3V以上，實(shí)效電池比能量可到達(dá)500-800Wh/kg。 美國(guó)PolyPlus企業(yè)報(bào)道了鋰海水電池比能量可達(dá)1300Wh/kg。其在鋰(鎂)/海水、鋰(鎂)/H2O2電池研究正得到美國(guó)海軍支持，計(jì)劃用于水下推進(jìn)器動(dòng)力(UUV)。 化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第41頁(yè)三、鋰離子電池安全性化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第42頁(yè)波音-787鋰離子電池安全問(wèn)題化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第43頁(yè)鋰離子電池不安全原因材料原因單體原因系統(tǒng)原因應(yīng)用原因材料熱穩(wěn)定性及放熱量；材料

16、中金屬雜質(zhì)；負(fù)極表面析鋰（大電流、低溫充電，負(fù)極衰降）機(jī)械：震動(dòng)、跌落、碰撞電氣：接線、結(jié)露、腐蝕等一致性：BMS失效；單體隔離，散熱；N/P比設(shè)計(jì)，電解液量及分布；安全閥（包含開(kāi)口位置）；極板體積改變隔膜表面導(dǎo)電粉末；正負(fù)極錯(cuò)位，正負(fù)極毛刺；注液干區(qū)；工藝原因化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第44頁(yè)日本催化劑，使用LiFSILIB1.0MLiPF60.2MLiFSI添加場(chǎng)合、維持率80超.分子量187g/mol、伝導(dǎo)度9.8mS/cm、熱分解溫度308、最大半徑0.35nm。現(xiàn)在、電解質(zhì)用LiPF6、分子量152g/mol、伝導(dǎo)度8.0mS/cm、熱分解溫度154、最大半徑0.27nm?；瘜W(xué)電源前沿技術(shù)

17、概述第45頁(yè)阻燃及滅火添加劑化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第46頁(yè)Continuous ceramic coating(alumina, zirconia, silica)Non-woven support(Polyethylene terephthalate)SEPARIONFlexible ceramicbattery separator陶瓷修飾隔膜SEPARIONplus化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第47頁(yè)*納米纖維紙隔膜特點(diǎn)組成：PET+纖維素特點(diǎn)：耐高溫200oC吸液快而多低阻抗成本低化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第48頁(yè)180oC耐溫測(cè)試化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第49頁(yè)性能指標(biāo)名稱聚酰亞胺隔膜PPPEPP三層隔膜

18、介電常數(shù)3.42.2介電損耗10-310-2透氣性140ml/in2140ml/in2 熱收縮MD03500.0885熱收縮TD03500.0885孔隙率90%42%熔解溫度 500175穿刺強(qiáng)度2.5N2.5N江西先材PI納米纖維隔膜與傳統(tǒng)PPPEPP三層隔膜對(duì)比PI納米纖維隔膜化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第50頁(yè)Conventional PTC: adhered on battery case, slow to response the inner temperature change.TSE : Directly sensing the inner temperature of the LIBs

19、 and adjusting its resistance to shutdown the current flow reversibly.PTC material: Epoxy +CLiCoO2PTClayerAl foilThe dependence between electric resistance and temperature of epoxy-based PTC, epoxy: 30%, solidifying: 30%, carbon black: 40%.A cross-section image of the PTC electrode含PTC層電極結(jié)構(gòu)化學(xué)電源前沿技術(shù)概

20、述第51頁(yè)Toyota Prius Alfa電池組成本=USD$1.322/Wh52化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第52頁(yè)四、固態(tài)化鋰電池及新型化學(xué)電源化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第53頁(yè)SE(LiPON, LiPS,LATP,LLZO)Thin film or Micro CellLi-S secondary CellLi-LMO Secondary CellAqueousLi Battery固體電解質(zhì)在鋰電池中應(yīng)用化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第54頁(yè)采取超離子導(dǎo)體全固態(tài)LIB化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第55頁(yè)Toyota未來(lái) EV用全固態(tài)LIBVoltage: 3.6V414.4VLiCoO2/Thiolithicon/

21、Gr. 化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第56頁(yè)固態(tài)薄膜電池技術(shù) 化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第57頁(yè)美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局 （National Aeronautics and Space Administration ）NASA s Jet Propusion Laboratory, pasadena, californiaRechargeable Microbatteries With Li Anodes Formed In Situ ：These batteries would offer advantages with respect to safety and manufacturability. 將

22、全固態(tài)薄膜鋰離子電池與太陽(yáng)能電池相結(jié)合，利用微機(jī)械系統(tǒng)，研制在微型衛(wèi)星上需要高度集成化柔軟集成電源模塊。 一體化電源技術(shù)化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第58頁(yè)微電池應(yīng)用 化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第59頁(yè)全固體二次電池、半導(dǎo)體製造応用気相製造可能。電源用途向正極酸、負(fù)極金屬、固體電解質(zhì)硫化物系用。電池製造、気相行半導(dǎo)體製造応用。展示電池5mm角、電力容量數(shù)百Wh。固態(tài)微電池化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第60頁(yè)采取MEMS技術(shù)三維固態(tài)鋰電池 實(shí)現(xiàn)SOC一體化集成化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第61頁(yè) Harvard University3D打印技術(shù)用于制備微電池 2.7 mW cm 2The electrodes are pri

23、nted 60m wide with 50m between each interlocked electrode化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第62頁(yè)全固態(tài)鋰空氣電池 其關(guān)鍵技術(shù)其一是采取LAGP玻璃陶瓷固體電解質(zhì)，其二是采取該電解質(zhì)與碳納米管燒結(jié)而成空氣電極。該電池放電電壓約為2.5 V左右、空氣電極放電比容量約為1 700 mAh/g，實(shí)效樣品電池比能量可比鋰離子電池提升3-5倍。日本AIST, Energy & Environmental Science化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第63頁(yè)Capacity: 2.11AhOCV: 3.3VEnergy density: 1665.5Wh/kg。水溶液鋰電池技術(shù)18所化學(xué)電源前沿