安全生产_动力锂离子电池现状、安全性及寿命评测

杰1汽 动力锂离子电池现状 安全性及寿命评测 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 en 2011汽车动力电池国际研讨会 INET TsinghuaUniversity hexm 2011年2月23 24日 上海何向明清华大学核研院新型能源与材料化学研究室InstituteofNewEnergyTechnology 1 腾 务 w to ev t co m 内容 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 en 动力电池现状锂离子动力电池的安全性锂离子动力电池的使用寿命InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 1 腾清华大学核研院锂离子电池实验室介绍 务 w to ev t co m 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 en TheGreatWall Ming InstituteofNuclearandNewEnergyTechnology TsinghuaUniversity Lessthan50minutesdrive45km TheInstitute TsinghuaBeijingInstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 1腾务Tombs w to ev t co m Lithiumion腾会车动 杰11汽 ww力电 ge池研 p 讨会 en InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 2 R D0battery务FuelCellw to ev t co m 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 en InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 燃料电池实验室 1 腾 务 w to ev t co m 杰1汽 学术带头人 姜长印 万春荣 会车动 学术骨干 博士 何向明 蒲薇华 应皆荣 李建军 刘靖ww 电郭建伟 w力 g池研 op讨会 ve 研究骨干 硕士 武玉玲 冯丽娟 张丽春 孙文婷 陈敏 c 实验室技师 陈克勤 常彩霞 李智敏 康建峰 杨兆卫 史波 锂离子电池实验室 201腾务王莉 任建国 李建刚 高剑et ent博士生 硕士生 10 15名InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity om 锂离子电池研究概况 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 材料合成 机理诊断 电极 电池工程化 数学模型 p 讨会 en t 电池 模型 InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 从纳米尺度到微米尺度 再到毫米尺度 性能 电极结构 电池结构 结构材料合成材料修饰表面 界面化学 新工艺新材料安全性长寿命 电极制造电池制备电极模型 高性能锂电池电极模型 1腾务负极正极 w to ev co m 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 en 动力锂离子电池的现状InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 1 腾 务 w to ev t co m 目前市场上的混合动力车 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 en InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity ToyotaHighlanderLexusRX400h HondaInsightLexusGS450h ToyotaCamryHondaCivic ToyotaPriusHondaAccord SaturnVue ChevySilverado FordEscape moreandmore 1 腾 务 w to ev t co m 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 en 混合动力车 ELECTRICACCESSORIES PETROLEUMONLY76hpgasolineengine 67hpelectricmotor 1 5kWhbatteryInstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 1腾务w ADVANCEDENGINE to ev t co m 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 FuelFlexibility p 讨会 en 插电式混合动力车ELECTRICACCESSORIES ADVANCEDENGINE PETROLEUMAND ORELECTRICITYBATTERYRECHARGE76hpgasolineengine 67hpelectricmotor 9 0kWhbattery 30mi InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 1 腾 务 w to ev t co m PercentageofVehicleFleetInUse CumulativeFuelConsumed gallons 5 10 15 20 25 00 105 15 20 25 30 TimeofDay hr InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 030 10050 150 200 250 300 PHEV40 8647totalmilesdriven 共行驶8647英里 58mpg 140Wh mi PHEVs 40 reductioninoperatingcosts 500annualsavings 37mpg 76mpg 211Wh mi Assumes 2 41 galand9 kWh 1 58 1 21 2 48 3 45 0 48 0 72 5 45 1 6 5 9 1 PHEV20PHEV40 HEV CV 混合动力车的实际节油效果1会w 40400Conventional35350 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 en E Transportationisthemostsignificanttechnologicalrevolutionafterthecellularandtheinternet 电动交通是移动电话和互联网后的最重要的技术革命 InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 电动车对动力电池的需求在持续增长腾务w to 20杰1汽1 ev t co m 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 MWreservepowerplants 兆瓦级储能电站 ev t InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 钛酸锂电池移动储能电站 Electrovaya InternationalBattery Ultralife Valance Saft BYD磷酸铁锂电池固定储能电站 规模储能是动力电池的又一重要市场腾务 Managefluctuationsinelectricitydemand 平抑电网波动 w to Manufacturerstotakeapart A123 Altairnano Enerdel 20杰1汽1 en co m 会车动 ww力电 ge池研 differentcellmodels te讨会 120differentcellmodelsno UltraHighpower超高功率 20C 19manufacturers Marketgrowof15 CAGR 复合年均增长率 peryeardrivenbytheEVgrowingmarket Cellcostsaredecreasingby8 peryear Source IIT InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 动力电池的现状杰2011汽 Highpower高功率 10C 84manufacturers 1500op 腾 务 w ve t c m 中日韩在动力电池制造方面占支配腾务车力 地动位 杰1汽 20 w 电池 to研讨 ev会 t Far Eastmanufacturersdominatethemarket 台湾InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 1会 ww ge p en co m 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 en Pouch m co InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 动力电池的包装方式 Prismaticcells 较好的传热 安全性好 使用寿命长 1 腾 务 w toevtcellsCylindricalcells 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 功率最高的磷酸铁锂电池 Seealso InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 1 讨 腾 务 w to InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity BeijingChinaPowerel北京中润恒动电 池有限公司 850 x560 x71 200 500to80 7000 102 21 1028 213 Lionik深圳市龙锂实业有限公司 255x145x55 100 500to80 20to60 3600 105 186 1055 1868 单体电池容量最高的高功率动力电池腾务w CellSizeCapCycleTempWeightWeightVolumet mm Ah liferange gr energyenergypowerdensitydensitydensitydensity Wh Kg Wh L W Kg W L 杰2011汽 t 杰1汽 20 会车动 功率最高的18650电池 Highcompetitivemarketwithalmost50differentcellmodelsInstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 1 腾 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 操作温度最高的动力电池 EVneedsbatterieswithupto80 Chightemperatureoperatingrange mInstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 1 腾 务 w to ev 杰1汽 20 会车动 to研讨 ev会 t 快速充电动力电池 短问题的最经济的方法 roadchargingstations CurrentMarketUltrafastchargingcellUltra fastchargeStationInstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 1 腾 电池p enco快速充电 upto5min 80 capacity 是解决电动车续驶里程 m 杰1汽 20 车 会 务动力 w 电池 to研讨 ev会 t ToshibaSuperChargeLithiumIon Battery SCiB LithiumManganeseoxideSpinelcathode LMO LithiumTitanateOxideanode LTO Rechargeto90 offullcapacityinlessthan5minutes Excellentsafetybecauseofhighlevelanodestability 6000cyclesoffullD O Dto90 ofinitialcapacity Lowtemperaturedischargefrom 30C SCIBiscurrentlyavailableontheSchwinnTailwindelectricbike 2 4Voc 65Wh Kg 131wh l 650W Kg 1316W l InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity VW Toshiba 1 腾 ww ge p en co m 杰11汽 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 en 1st Willdominatetherechargeablemarketforthenearandmid future 2nd GenerationLi IonChemistries Betterperformance Upto300Wh kgwithfastrecharge Wideroperatingtemperaturerange FastCharging Improvedsafety Reducedcost 锂空气电池 InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 下一代锂离子电池动力电池20 腾 务 w to ev GenerationLi IonChemistriest co m 杰11汽 会车动 ww力电 ge池研 动力电池的安全性问题将影响其市场命运 p 讨会 en co Ifitisnotsafeitwillnotsurvive InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 动力电池的安全性问题20 腾 务 w to ev t m 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 en 锂离子电池的安全性InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 1 腾 务 w to ev t co m 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 en InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 1 腾 务 w to ev t co m 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 en InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 安全性问题引起的损失 1 腾 务 w to ev t co m 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 en InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity Safetycases 1 腾 务 w to ev t co m 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 en InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity Safetycases 1 腾 务 w to ev t co m 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 en 安全性的概念滥用安全性abusethermalrunaway Mechanical机械的 crush nailpenetration挤压 针刺 Electrical电的 shortcircuit overcharge短路 过充 Thermal热的 thermalramp simulatedfire热箱 火烧 现场安全性fieldfailurethermalrunaway Manufacturingdefects由制造瑕疵引起 Looseconnection separatordamage foreigndebris连接问题 隔膜损坏 粉尘 Candevelopintoaninternalshortcircuit随机发生 引起内短路 Canleadtooverheatingandthermalrunaway引起过热与热失控InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 1 腾 务 w to ev t co m 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 en InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 滥用安全性 1 腾 务 w to ev t co m 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 en InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 现场 随机 安全性 1 腾 务 w to ev t co m 两种安全性概念的差异 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 现场安全性 滥用安全性 en InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity Predictable可预测的 Commontoallcells对每一个电池 Can shouldbeevaluatedatthecelllevel可以通过测试进行评估 Timeconstantsrelativelylong发生过程较长 Canbeaugmentedbyprotectiondevices可以通过保护措施进行改善 Notpredictable不可预测的 One in a million orless 随机小概率发生 Difficulttoevaluateatthecelllevel orthroughQC无法通过测试进行评估 也不能通过质量管理来完全消除 canoccurquickly发生很突然 PTC CID shutdownseparators electroniccontrolsnotareeffective目前所有的安全性措施 均不能完全消除锂离子电池安全隐患 1 腾 务 w to ev t co m 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 发生安全事故的锂离子电池 之前均通过UL安全认证 en 发生原因基本上是不可预测的内短路所造成 而这种内短路似乎是不能完全消除 引起安全事故的电池在制造时 均是合格品 目前滥用安全性标准的测试结果 与发或者不发生安全性事故 之间没有任何联系 InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 锂离子电池安全性1腾务w 对于笔记本电脑电池 发生概率在几百万分之一 to ev t co m 杰1汽 20 会车动 Majorefforthasbeenpayedtoimprovethewayswe ww力电 ge池研 addresssafetyinlithium ionbatteries however p 讨会 en 在人们如此重视锂离子电池安全性的今天 严重的安全性问题还时有发生 Thebatterycommunitydoesnothaveadequateteststoevaluatesafetyasitrelatestothesafetyincidentsthathavetakenplaceorcouldtakeplace 人们还没有找到合适的方法来预测和评测这类安全隐患问题 我们在做工作 希望 十二五 结束时 这个问题得到一定程度的解决 InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 1 锂离子电池的安全性腾serioussafetyincidentscanalwaysoccur t 务 w to ev co m EnergyReleased J 热失控的机腾会1车 杰理 务动力 w 电池 to研讨 ev会 t InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 249 9 378 292 5 73 71 640 0 90 300200100 700600500400 Anode BinderAnode SolventSEIDecompn Cathode Breakdown Separator Oxidn Cathode SolventOxdnJouleHeating Cathode 锂离子电池安全性9008000 8Ah钴酸锂手机电池 20 1汽 ww ge 826 2p en co m 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 en InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 负极材料的安全性改进 1 腾 务 w to ev t co m 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 en InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 正极材料 1 腾 务 w to ev t co m 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 en InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity Heatrelease 1 腾 务 w to ev t co m SafetyofcathodeMaterials杰会1动 20 腾汽车 ww力电 ge池研 p 讨会 en InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 1 务 w to ev t co m 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 en 隔膜 隔膜关闭的温度范围 Strengthandphysicalintegrity抗压机械强度 Shrinkageallowance热收缩率InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 影响电池安全性的重要指标 Shutdownperformance 1 腾 务 w to ev t co m 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 en 电解质Solvent non flamableSalts highdecompositiontemperature Additives Flame RetardantGelelectrolyteInstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 1 腾 务 w to ev t co m 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 en P VdF HFP 凝胶电解质在 moc InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 凝胶电解质 凝胶电解质的放热量与放热速率 黄倩 厦门大学博士论文 燃烧过程中的放热总量非常接近于纯液态电解液体系 并且随着P VdF HFP 在凝胶电解质中浓度的增加 其相应的热释放速率逐渐降低 采用P VdF HFP 凝胶电解质比液态电解液更为安全 PMMA凝胶电解质体系中 情况却是相反 其燃烧反应的放热总量和热释放速率都随 PMMA的加入而显著增大 1 腾 务 w to ev t 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 锂离子电池的安全性是一个复杂的系统问题 en 动力电池安全性是一个系统问题 从单纯的电池材料改性 正极 负极 电解质 隔膜 是不能完全解决安全性问题 但可以大幅度地提高 InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 1 腾 务 w to ev t co m 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 en InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 正极材料包覆 1 腾 务 w to ev t co m 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 en 钴酸锂包覆磷酸铝 5 10nmAlPO4 过充电前 过充电后 自制安全性手机电池 过充电试验未燃烧 未爆炸 市售品牌电 过充电 池电芯InstituteofNew剧烈燃Technology INET TsinghuaUniversity Energy烧 1 腾 务 w to ev t co m 高性能高安全性动力电池 杰1汽 20 会车动 ww力电 采用正极材料表面与界面控制技术 电解质添 ge池研 p 讨会 en 加剂等技术 制备出高安全性动力电池 20V过充 150 热箱5小时以上标称容量12Ah 三元氧化物正极材料 电池比能量大于160wh kg 比功率大于 1200W kg InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 安全 很好的倍率性能 1 腾 务 w to ev t co m 目前市售三元动力电池的过充电 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 充电到5 2V时 发生剧烈燃烧 p 讨会 en InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 1 腾 务 w to ev t co m 目前市售三元动力电池 杰1汽 20 会车动 ww力电 ge池研 充电到4 15V 加热到120 发生剧烈燃烧 p 讨会 en InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 1 腾 务 w to ev t co m 会车动 ww力电 ge池研 p 讨会 en 动力电池的使用寿命与成本 如何评测动力电池的使用寿命 现场检测电池的寿命状态 SOH InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 锂离子动力电池的使用寿命务w 20杰1汽1腾 to ev t co m 杰1汽 20 会车动 PHEVbatterylikelytodeep cycleeachdaydriven 15yrsequatesto4000 5000deepcycles w力 Alsoneedtoconsidercombinationofhighandlowfrequencycyclingandcalendarwlife电池 to研讨 ev会 t 电池循环寿命 70 50 4000DatapresentedbyChristianRosenkranz JohnsonControls atEVS20 2006InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 1 腾 务 ge p en co m 杰1汽 会车动 ww力电 52 poteg池讨EV e会 nt om InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 4 005 2 865 2 919 3 002 1 998 1 992 2 004 2 020 2 079 2 407 2 454 2 433 5 117 8 433 663 2 000 4 000 6 000 10 000 8 000 14 000 12 000 18 000 16 000 CV HEV PHEV20 PHEV40 transmissionengine 25 电池占电动车成本比例ProjectedRetailPowertrainCosts MidsizeSedans1 includingmanufactureranddealermarkups2 allcomponentcostsassumeprojectedstatuscharger plugbattery40 motor inverter 1 腾 务 w 研ve 2060 663 c 动力电池的使用寿命 杰1汽 20 会车动 ww力电 电池的成本占整个电动车成本的25 60 是一个 ge池研 p 讨会 非常重要的零部件 en 车的使用寿命 10 15年 动力电池目前的使用寿命是3 7年 LG化学声称可以有10 15年的寿命保证 因此大幅度地延长动力锂离子电池的使用寿命 使之达到与电动车的寿命相当 是目前动力锂离子电池发展的关键问题 需要动力电池使用寿命评测技术做支撑 InstituteofNewEnergyTechnology INET TsinghuaUniversity 1 腾 务 w to ev t co m OhmicRes