2015(第十屆)北京動力鋰電池技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展國際論壇

12015(第十屆)北京動力鋰電池技術(shù)及產(chǎn)業(yè)開展國際論壇2動力鋰離子電池開展方向；三元材料/富鋰錳基材料；全固態(tài)電池；鋰硫/鋰空；電池制作等。主要內(nèi)容3鋰離子電池開展方向國家戰(zhàn)略需求EV鋰離子動力電池階段目標(biāo)4儲能電池要求---來小康能量密度:高于鉛酸電池能量轉(zhuǎn)換效率:大于80%循環(huán)壽命:高于5000次本錢：壽命5000次，小于1500元/kwh；10000次,小于3000元/kwh十三五智能電網(wǎng)領(lǐng)域--儲能技術(shù)規(guī)劃：大規(guī)模儲能系統(tǒng)應(yīng)用〔并跑〕先進(jìn)儲能技術(shù)研發(fā)〔跟跑〕新型儲能技術(shù)研發(fā)〔跟跑〕5先進(jìn)電池材料開展方向：6三元材料/富鋰錳基材料等充電電壓大于4.2VLiCoO2、高電壓三元正極材料NCM、NCA富鋰錳基材料1、NCM-811正極材料的制備工藝，材料容量到達(dá)195mAh/g，4.3V循環(huán)200周后容量保持率為90%---寧波材料所王德宇2、NCA-北京大學(xué)夏定國主要材料現(xiàn)在研究現(xiàn)狀：73、富鋰-NMC--WildcatDiscoveryTechnologies

存在問題：電壓下降；不可逆容量；析氣(O2)；

容量的損失；倍率性能？A、概況8B、Highthroughput-高通量計算研究內(nèi)容：制備方法、組成成分、包覆、摻雜、活化劑等內(nèi)容工作：>2000種材料,>6000電池進(jìn)展：--容量，倍率，循環(huán)性能的整體改善；--最小化電壓降；--減小不可逆容量和析氣的問題

9C、具體研究內(nèi)容篩選方案：合成條件的優(yōu)化；組成成分優(yōu)化；摻雜優(yōu)化；包覆優(yōu)化；電解液/添加劑優(yōu)化；電壓窗口優(yōu)化；10舉例：組成優(yōu)化114、富鋰金屬氧化物的電壓衰退研究進(jìn)展A、機理研究尖晶石相產(chǎn)生；金屬離子遷移--Ni會在外表富集，，Ni元素外表偏析的樣品電壓衰退非常明顯。--夏定國12B、摻雜改性磷酸根摻雜J.Mater.Chem.A,2014,2,7454–7460|7457鉀離子摻雜，材料的電壓衰退情況有所改善，尖晶石相變得到抑制。Adv.EnergyMater.2015,1500274外表摻雜包覆一體化--LiMgPO4，LiFePO4135、濃度梯度材料CenterNi-RichComposition:highcapacityFullGradientCompositionGradual

Nidecrease,Coincrease,andMnremainconstantSurfaceMn–RichComposition:highthermalstabilityFCGLi[Ni0.60Co0.15Mn0.25]O2

FCGLi[Ni0.75Co0.1Mn0.14]O2

Naturematerial11,942(2012)CenterNi-RichComposition:highcapacityFullGradientCompositionFromNi-RichComposition,ToMn–RichCompositionSurfaceMn–RichComposition:highthermalstability--amine14SEMofNi0.6Co0.2Mn0.2(OH)2粒度分布-Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2SEMofLiNi0.6Co0.2Mn0.2O2振實密度=2.7g/cc15NiCoMn2μmNiCoMn2μmBulk:Li[Ni0.65Co0.15Mn0.25]O2abOxideCenter:Li[Ni0.7Co0.05Mn0.25]O2Surface:Li[Ni0.58Co0.17Mn0.25]O2PrecursorCenter:Li[Ni0.75Mn0.25]O2Surface:Li[Ni0.55Co0.2Mn0.25]O216FCG/MCMBInitialcyclingat30oCand55oCLowtemperatureperformanceofFCG17全固態(tài)鋰電池為什么？Li/S電池反響中間產(chǎn)物L(fēng)i2Sx溶于電解液中，由于穿梭效應(yīng)，到達(dá)金屬鋰負(fù)極使之失去活性。Li/Air電池是開放體系，而金屬鋰易與環(huán)境中H2O和CO2反響，失去活性。Li/S和Li/Air電池的鋰負(fù)極在充放電循環(huán)中都容易出現(xiàn)鋰枝晶。解決方案是采用固體電解質(zhì)。18優(yōu)勢與關(guān)鍵：鋰離子來自金屬鋰負(fù)極(金屬鋰≈4000mAh/gvs石墨372mAh/g)，正極可以不含鋰，選擇性增加。關(guān)鍵問題：鋰枝晶--平安事故；新的正極材料具體局部的問題：正極材料：可不含鋰，但能儲存大量鋰；難點在脫嵌鋰后零應(yīng)變；負(fù)極材料：金屬鋰；難點在金屬鋰外表保護(hù)、防止鋰枝晶生長固體電解質(zhì)：聚合物和無機離子導(dǎo)體及其復(fù)合材料；難點在納米材料合成和復(fù)合材料制備界面問題：19σ=4.3×10-4Scm-1at25℃℃中科院青能所崔光磊二元系硫化物固體電解質(zhì)材料：75Li2S-(25-x)P2S5-xP2O5(mol%)：Li3+3xP1-xZnxS4-xOx20鋰空/鋰硫Erev=2.96VvsLi/Li+Li/S的理論能量密度為2654Wh/kg，Li/O2的理論能量密度為5217Wh/kg。兩個體系的實際能量密度有望≧500Wh/kg。鋰空1、概況212、鋰-空(O2)的主要問題負(fù)極：鋰枝晶；循環(huán)效率；固液界面；平安問題；電解液：穩(wěn)定性；導(dǎo)電性；揮發(fā)問題；析O2問題；正極：材料的選擇制備：O2通過，CO2、H2O不能通過；chargeoverpotential效率〔過電壓〕；容量；循環(huán)；223、研究現(xiàn)狀：Al2O3包覆；Pd催化；

23Si負(fù)極難點:體積膨脹—結(jié)構(gòu)坍塌；低電導(dǎo)率，倍率性能差；

ParticlepulverizationA、目前進(jìn)展24體積膨脹導(dǎo)致暴漏的活性外表一直形成新的SEI；多空Si/C復(fù)合材料251st放電：2404mAh/g；1st充電：1541mAh/g；1stCE:64.1%;200周容量保持率：67%；26中國鋰電池制造的現(xiàn)狀電池制造等年份汽車產(chǎn)能（萬輛）電池產(chǎn)能（GWh)生產(chǎn)線投入（億元）20147.34.82820152013552016402494201760361012018905415120191358122720202001203311、中國動力電池、裝備的投入27迫切需要提高產(chǎn)能來攤銷：研發(fā)、設(shè)備、廠房等固定費用，降低采購本錢；處于大規(guī)模應(yīng)用的突破口：誰將在3-5年抓住機遇突破制造將贏得20-30%的利潤空間。2、可大規(guī)模制造的電池圓柱電池，代表型號：18650電池容量：2200mAh～3300mAh方形卷繞硬殼，代表型號：20100140，27100148電池容量：20Ah～25Ah疊片軟包、硬殼，代表型號：18100150電池容量：20Ah～25Ah28沒有電池規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)；產(chǎn)業(yè)根底不夠，沒有評價標(biāo)準(zhǔn)；沒有制造的理念：結(jié)構(gòu)、工藝、裝備；使用目標(biāo)不清楚，客戶〔汽車廠〕的要求不清楚；客戶的差異化需求；10家企業(yè)，36個型號！29動力電池大規(guī)模制造標(biāo)準(zhǔn)根底研究：缺乏深入的機理深究，從電化學(xué)、物理、電工、機械、結(jié)構(gòu)、散熱等，找出相互關(guān)系并推出相關(guān)數(shù)學(xué)模型等。戰(zhàn)略定位：缺少戰(zhàn)略規(guī)劃，缺失產(chǎn)業(yè)開展路線的細(xì)致規(guī)劃、有效引導(dǎo)和資源聚積。大多停留在“紅海戰(zhàn)略”擴展理念中，各家保密，互不交流，封閉國內(nèi)自己，利好國外；策略行動：缺少“全制造過程”的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和管理。設(shè)計、制造、原料、檢驗、運輸、運維和回收處理等要素的凝練總結(jié)、平臺驗證、標(biāo)準(zhǔn)制度、指導(dǎo)監(jiān)督等；結(jié)果現(xiàn)狀：過剩低端產(chǎn)能，核心競爭力缺乏，產(chǎn)業(yè)集中度不夠。低價競爭成為行業(yè)擴張主線；提出：中國鋰電制造產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀從物理機理的角度研究鋰離子電池，什么結(jié)構(gòu)保證最正確性能和可制造性？如：鋰離子在電池中的運動力學(xué)、電子運動與電池結(jié)構(gòu)，離子分布規(guī)律，極片結(jié)構(gòu)與電池結(jié)構(gòu)，熱對離子、電子的運動影響等等！1、動力電池大規(guī)模制造規(guī)問題30動力電池制造指標(biāo)的現(xiàn)狀以及未來電池制造合格率現(xiàn)在：85-90%；未來：90%-95%-98%；材料利用率現(xiàn)在：85-90%；未來：90%-95%-97%；人工本錢率目前：3-10%；設(shè)備運轉(zhuǎn)率：目前：40-60%；未來：80%-90%；WH制造本錢，電力、折舊、人工目前制造本錢比例：15-20%；成熟制造業(yè)：6-15%；WH設(shè)備投入：半自動、單元自動化、數(shù)字化工廠31鋰動力電池動態(tài)一致性及平安性應(yīng)用技術(shù)研究A、動力鋰電池正常應(yīng)用環(huán)境下可能發(fā)生的情況1、內(nèi)部溫度丌勻引起的局部發(fā)熱〔平安性〕2、充放電倍率引起的高溫〔平安性〕3、散熱系統(tǒng)的故障引起的高溫〔平安性〕4、長期運行產(chǎn)生的模塊動態(tài)內(nèi)阻RD丌一致〔一致性〕5、長期運行產(chǎn)生的模塊荷電態(tài)SOC丌一致〔一致性〕6、長期運行產(chǎn)生的模塊健康度SOH丌一致〔一致性〕7、BMS工作故障，溫度電壓測丌準(zhǔn)〔平安性一致性)8、強電磁干擾通訊中斷或丌穩(wěn)定〔平安性一致性〕9、各種原因引起的短路或局部短路〔平安性〕32B、動力鋰電池非正常應(yīng)用環(huán)境下可能發(fā)生的情況1.充電裝置失控產(chǎn)生高電壓過充電2.模塊以外電路造成動力電池系統(tǒng)短路3.電池單體發(fā)生內(nèi)短路，產(chǎn)生單體泄露、燃燒或爆炸4.電池模塊泄露產(chǎn)生毒氣造成危害5.電池倉內(nèi)各種原因的超過60℃的高溫6.電池模塊之外的原因產(chǎn)生的火災(zāi)7.外環(huán)境原因產(chǎn)生的劇烈震動8.車體結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的強力擠壓變形9.車體結(jié)構(gòu)損壞產(chǎn)生的金屬鋒利物刺傷10.惡劣天氣或被水浸泡環(huán)境33目前的國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都以“不燃燒、不爆炸”作為電池平安性評價標(biāo)準(zhǔn)的描述是不全面的，評價標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以對人或環(huán)境的損傷作為標(biāo)準(zhǔn)那么更為合理。本質(zhì)平安性定義〔Definition〕：1、最小能量單元的能量限制為假設(shè)萬一發(fā)生燃燒爆炸缺乏以產(chǎn)生損傷性后果。屬可接受風(fēng)險。2、成組后、一個能量單元假設(shè)發(fā)生燃燒爆炸，其能量不會引起其他單元連鎖燃燒爆炸。屬孤立可接受事件。同時具備以上兩條件的能量載體稱其具有本質(zhì)平安性。34C、18650軟連接組合技術(shù)1.具有本質(zhì)平安性?？蓱?yīng)用亍平安性要求較高的場合。2.以相同散熱效果角度，比能量比功率都優(yōu)亍其他形狀電池。3.極板面積相對小，極板電流均勻，有利亍使用壽命。4.電池散熱面積大，溫度均勻，有利亍使用壽命。5.圓形結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，外殼丌易變形，壽命長。6.容易實現(xiàn)多極耳，實現(xiàn)高倍率充放電。7.小圓電池內(nèi)部獨有的CID斷電功能，使單體電池更平安。8.生產(chǎn)自動化技術(shù)成熟，有全自動生產(chǎn)線，高成品率。9.鋰離子電池自平衡特性，并聯(lián)電池電流均恒。10.單體各種性能正態(tài)分布，組合后動態(tài)一致性非常好。11.軟連接結(jié)構(gòu)牢固穩(wěn)定，適合振動及高速秱動場合應(yīng)用12.便亍回收重新分選組合，可實現(xiàn)電芯級梯次利用。35D、電池系統(tǒng)一致性重要因素：電池管理系統(tǒng)1、電池性能變化是慢過程，是BMS設(shè)計根底。2、電池組重要參數(shù)：電壓、電流，溫度、動態(tài)內(nèi)阻。四大參數(shù)缺一丌可。3、四大參數(shù)變化率更重要，變?yōu)榘舜髤?shù)。及八大參數(shù)之間的關(guān)系，更能代表電池的本質(zhì)性能。4、靜態(tài)不動態(tài)綜合分析控制策略。充放電過程是辨識電池動態(tài)性能的最正確時機。非充放電過程是辨識電池靜態(tài)性能的最正確時機。5、根據(jù)動態(tài)和靜態(tài)性能綜合分析可得出的每只電池綜合性能的正確結(jié)