動力電池發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢課件

1、動力電池國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢曹際娜動力電池國內(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)了供應不足、價格高漲的現(xiàn)象，國際能源結構也因此發(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)了供應不足、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53%。發(fā)展鋰電池新能源應用勢在必行。燃油汽車污染嚴重，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減少對石油的依

2、賴程度及環(huán)保要求目前我國原油消費60用于交通發(fā)展中國家發(fā)達國家 發(fā)展中國家發(fā)達國家 動力電池發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢課件動力電池發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢課件動力電池發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢課件動力電池發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢課件動力電池發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢課件動力電池發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢課件動力電池發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢課件交通發(fā)展戰(zhàn)略交通發(fā)展戰(zhàn)略動力電池發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢課件動力電池發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢課件動力電池發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢課件動力電池發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢課件動力電池發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢課件動力電池發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢課件動力電池發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢課件動力電池發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢課件動力電池發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢課件動力電池發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢課件動力電池動力電池電池電池是一種能量轉化裝置，充電時

3、，電能轉化為化學能貯存起來，放電時，化學能轉化為電能。一次電池，電池的反應是不可逆的；二次電池，電池的反應可逆，可以多次重復充放電電池電池是一種能量轉化裝置，充電時，電能轉化為化學能貯存起來水果電池組成電池的三種主要成分：正極、負極、電解液（正負極不能直接接觸）水果電池組成電池的三種主要成分：正極、負極、電解液（正負極不電池發(fā)展史電池發(fā)展史最早的電池-巴格達土瓶約公元前250公元250年最早的電池-巴格達土瓶約公元前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 charact

4、eristics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 charge 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高能量密度 - High energy density 電池分類 - 一次電池又稱原電池，或干電池，反應不可逆或者或者可逆反應很難進行，電池放電后不能重復充電使用。電池分類 - 一次

5、電池又稱原電池，或干電池，反應不可逆或電池分類 - 二次電池二次電池：能夠充放電多次重復使用的電池電池分類 - 二次電池二次電池：主流動力電池發(fā)展史第一代第二代第三代主流動力電池發(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 負極：海綿鉛 電解液：硫酸工作電壓：2V第一代 鉛酸電池 正極：二氧化鉛工作電壓：2V優(yōu)點：原料易得，價格相對低廉；高倍率放電性能良好；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；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

6、備.鉛酸電池的主要優(yōu)缺點優(yōu)點：鉛酸電池的主要優(yōu)缺點鉛酸電池的結構鉛酸電池的結構第二代 鎳氫電池鎳氫電池以儲氫合金為負極材料，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。標準電壓：1.2V第二代 鎳氫電池鎳氫電池以儲氫合金為負極材料，氫氧化鎳為鎳氫電池的結構鎳氫電池的結構優(yōu)勢與鉛酸電池比，能量密度有大幅度高，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

7、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)缺點優(yōu)勢鎳氫電池的主要優(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。鎳氫電池主要應用主要應用領域混合動力汽車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。在第三代 鋰離子電池比能量高電壓平臺高循環(huán)性能好無記憶效應環(huán)保，無污染鋰電池優(yōu)點鋰離子電池在充放電過程中

8、，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌，產(chǎn)生了電流，該反應具有高度的可逆性，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第三代 鋰離子電池比能量高電壓平臺高循環(huán)性能好無記憶效應宏觀-微觀鋰離子電池的結構宏觀-微觀鋰離子電池的結構動力電池發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢課件鋰離子電池內(nèi)部結構鋰離子電池內(nèi)部結構鋰電池成本解析正極材料電動汽車躍動的心鋰電池成本解析正極材料正極部分層狀結構材料(LiCoO2,NCM,NCA等 )尖晶石結構材料(LiMn2O4等)橄欖石結構材料(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

9、鐵鋰材料正極部分層狀結構材料(LiCoO2,NCM,NCA等 )日韓磷酸鐵鋰材料LiFePO4電池在充電時，正極中的鋰離子Li+通過聚合物隔膜向負極遷移；在放電過程中，負極中的鋰離子Li+通過隔膜向正極遷移。 磷酸鐵鋰材料LiFePO4電池在充電時，正極中的鋰離子Li+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，無污染電導率低倍率性能差 低溫性能差材料制備技術難度高困難！固有缺點體積能量比低電壓偏低3.2V，且電壓平臺太平優(yōu)點價格低廉，降價空間大電導率低倍率性能差困難！固有缺點解決路徑-1.表面碳包覆，提高導電率 2.優(yōu)化摻雜 3.低溫添加劑，改善低溫性能0102030

10、40506070120130140150160Capacity (mAh/g)Cycle Number0.1C0.5C1C2C5C10C復合碳源成膜催化劑優(yōu)化摻雜020406080100110120140150160130未摻雜F 摻雜Nb 摻雜Nb+F 摻雜碳包覆磷酸鐵鋰，2C 充放電循環(huán)解決路徑-1.表面碳包覆，提高導電率01020304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)境無污染尖晶石錳酸鋰材料優(yōu)點：衰減的原因：Mn3+的溶解，2Mn3+Mn2+Mn4+結構不穩(wěn)定：Jahn-Teller反應（立方相變成四方相）LiPF6 + H2O POF3 + LiF 4H+ +

11、 2 LiMn3+Mn4+O42- 3-MnO2 + Mn2+ + 2H2O 性能改善措施：元素摻雜 表面修飾 納米化高溫性能差容量偏低 (約120mAh/g)衰減的原因：LiPF6 + H2O POF3 + LiF三元材料LiCoNiMnO2（NCM）Co，+3； Ni，+2； Mn，+4；Ni為材料容量的主要來源；+2+4Co在較高電位時才能發(fā)生反應，+3+4，因此起到了穩(wěn)定結構的作用；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三元材料LiCoNiMnO2（NCM）Co，+3； Ni，+負極部分高功率硬碳材料（最早使用）傳統(tǒng)石墨負極材料（目前普遍）Li4T

12、i5O12負極（東芝力推）未來高容量負極材料（Si系列，體積膨脹是致命問題，目前只巧妙的應用于某些高容量電池，還未在動力電池領域有所應用）各類負極材料市場占有率負極部分高功率硬碳材料（最早使用）各類負極材料市場占有率傳統(tǒng)石墨負極傳統(tǒng)石墨負極其中國內(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)電池碳負極材料標準制定者，全球市場位居全球第四。石墨負極成本低技術成熟國內(nèi)已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化全球負極廠家市場占有率其中國內(nèi)行業(yè)前三甲是深圳貝特瑞，上海杉杉，長沙海容。石墨負極Li4Ti5O12最初作為超導材料被和正極材料被研究；1996年，加拿大K.Zaghib首次提出

13、作為鋰電池負極材料應用可能理論容量175mAh/g,1.5V vs. Li/Li+零應變材料，循環(huán)性能及倍率性能好零應變材料Li4Ti5O12最初作為超導材料被和正極材料被研究；零應變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；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)定性隔膜鋰離子電池隔膜特性要求電子絕緣；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PPPEPP/PE/PP放電過程隔膜作用示意圖隔膜的shutdown功能示意圖不同材濕法干法濕法干法全球隔膜生產(chǎn)分布由于隔膜生產(chǎn)較高的技術門檻

14、，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)設備為低成本的單層聚烯烴拉伸隔膜生產(chǎn)線，主要供應中、低端市場，全球隔膜生產(chǎn)分布由于隔膜生產(chǎn)較高的技術門檻，全球鋰離子電池隔電解液能較好的溶解電解質(zhì)鹽，即有較高的介電常數(shù)；應有較好的流動性，即低黏度對電池的其他組件應該是惰性的，尤其是充電狀態(tài)下的正負極表面；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

15、要高，無毒鋰離子電池電解液特性要求電解液能較好的溶解電解質(zhì)鹽，即有較高的介電常數(shù)；鋰離子電池電電解液組成示意圖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 為基礎的二元或者三元混合溶劑，如EC+DMC, EC+DEC, EC+DMC+EMC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)量分數(shù)）以下所以合成難度大，目前LiPF6的合成技術主要掌握在日本企業(yè)中。

16、電解質(zhì)LiPF6作為電解質(zhì)，對純度要求特別高，對金屬（如 Na、K抽真空封裝后成為單體電池卷好的負正負極片電解液正極片隔膜負極片正極材料鋁箔負極材料銅箔涂覆涂覆卷繞注入電池外外殼里放入電池外外殼里鋰電芯（cell）生產(chǎn)流程圖電芯預化成化成老化分容配組串并聯(lián)接modulepackcellpack生產(chǎn)流程簡圖抽真空卷好的負電解液正極片隔膜負極片正極材料鋁箔負極材料銅箔鋰電芯（cell）全自動生產(chǎn)線圖鋰電芯（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 按正負極

17、疊加方式來分卷繞電池疊片電池 常用鋰電池分類層狀材料(LiCoO2,NCM,NCA等 ) 按外形來分圓形電池方形電池其他形狀電池按外形來分圓形電池按電解質(zhì)形態(tài)分按電解質(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過充短路針刺熱箱擠壓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試：電池旋轉測試鹽水浸潤測試等靜電測試跌落試驗機燃燒試驗機鹽噴霧重物沖擊測試其他測試：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

18、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!其他動力與儲能電池超級電容器活性碳電極材料具有1200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。應用領域優(yōu)勢：劣勢：能量密度太低，僅1-10Wh/kg功率密度高，充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能直接轉化為電能。1堿性燃料電池（AFC）2磷酸型燃料電池（PAFC）3熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）4固體氧化物燃料電池（SOFC）

19、5質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）燃料電池分類（按電解質(zhì)不同）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） 能量轉換效率高； 環(huán)保，污染低燃料使用范圍廣； 規(guī)模及安裝地點靈活負荷響應快，運行質(zhì)量高 能量轉換效率高； 環(huán)保，污染低動力電池發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢課件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)） 負極：熔融金屬鈉（液態(tài)）-填充在導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)）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（鈉硫電池充放電機理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20

20、0300mA/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，萬元/每度安全性差（日本蓄電站9月21日-10月5日大火）高比能量（理論760wh/kg；實際390wh/kg）優(yōu)勢：鈉硫電池的應用應用范圍（主要作為儲能電池）電站負荷調(diào)平(即起削峰平谷作用）UPS應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

21、全解決安全可靠性問題，不能顯示其優(yōu)越性。鈉硫電池的應用應用范圍（主要作為儲能電池）電站負荷調(diào)平(即起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%）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主要應用在儲能領域主要應用在儲能領域研發(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”美國“DOE項目計劃”歐洲“能源框架計劃”中國863計劃研發(fā)費用大日本“新陽光計劃”潛在動力與儲能電池鋰空氣電池負極：鋰正極：空氣電解液：LiOH溶液開路電壓：2.91V理論比能量為11140Wh/kg4Li+2H2O+O2 4LiOH負極采用金屬鋰條，負極的電解液采用含有鋰鹽的有機電解液。中間設有用于隔開正極和負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，與由微細化碳和廉價氧化物催化劑形成的正極組合潛在動力與儲能電池鋰空氣電池負極：鋰