2015(第十届)北京动力锂电池技术及产业发展国际论坛

1,2015(第十届)北京动力锂电池技术及产业发展国际论坛,2,动力锂离子电池发展方向；三元材料/富锂锰基材料；全固态电池；锂硫/锂空；电池制作等。,主要内容,3,锂离子电池发展方向,国家战略需求EV锂离子动力电池阶段目标,4,储能电池要求-来小康能量密度:高于铅酸电池能量转换效率:大于80%循环寿命:高于5000次成本：寿命5000次，小于1500元/kwh；10000次,小于3000元/kwh,十三五智能电网领域-储能技术规划：大规模储能系统应用（并跑）先进储能技术研发（跟跑）新型储能技术研发（跟跑）,5,先进电池材料发展方向：,6,三元材料/富锂锰基材料等,充电电压大于4.2VLiCoO2、高电压LiNi0.5Mn1.5O4三元正极材料NCM、NCA富锂锰基材料,1、NCM-811正极材料的制备工艺，材料容量达到195mAh/g，4.3V循环200周后容量保持率为90%-宁波材料所王德宇2、NCA-北京大学夏定国,主要材料,现在研究现状：,7,3、富锂-NMC-WildcatDiscoveryTechnologies,存在问题：电压下降；不可逆容量；析气(O2)；容量的损失；倍率性能？,A、概况,8,B、Highthroughput-高通量计算研究内容：制备方法、组成成分、包覆、掺杂、活化剂等内容工作：2000种材料,6000电池进展：-容量，倍率，循环性能的整体改善；-最小化电压降；-减小不可逆容量和析气的问题,9,C、具体研究内容,筛选方案：合成条件的优化；组成成分优化；掺杂优化；包覆优化；电解液/添加剂优化；电压窗口优化；,10,举例：组成优化,11,4、富锂金属氧化物的电压衰退研究进展,A、机理研究尖晶石相产生；金属离子迁移-Ni会在表面富集，Ni元素表面偏析的样品电压衰退非常明显。,-夏定国,12,B、掺杂改性,磷酸根掺杂,J.Mater.Chem.A,2014,2,74547460|7457,钾离子掺杂，材料的电压衰退情况有所改善，尖晶石相变得到抑制。,Adv.EnergyMater.2015,1500274,表面掺杂包覆一体化-LiMgPO4，LiFePO4,13,5、浓度梯度材料,FCGLiNi0.75Co0.1Mn0.14O2,Naturematerial11,942(2012),-amine,14,SEMofNi0.6Co0.2Mn0.2(OH)2,粒度分布-Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2,SEMofLiNi0.6Co0.2Mn0.2O2,振实密度=2.7g/cc,15,Bulk:LiNi0.65Co0.15Mn0.25O2,a,b,16,FCG/MCMB,Initialcyclingat30oCand55oC,LowtemperatureperformanceofFCG,17,全固态锂电池,为什么？Li/S电池反应中间产物Li2Sx溶于电解液中，由于穿梭效应，到达金属锂负极使之失去活性。Li/Air电池是开放体系，而金属锂易与环境中H2O和CO2反应，失去活性。Li/S和Li/Air电池的锂负极在充放电循环中都容易出现锂枝晶。解决方案是采用固体电解质。,18,优势与关键：锂离子来自金属锂负极(金属锂4000mAh/gvs石墨372mAh/g)，正极可以不含锂，选择性增加。关键问题：锂枝晶-安全事故；新的正极材料,具体部分的问题：正极材料：可不含锂，但能储存大量锂；难点在脱嵌锂后零应变；负极材料：金属锂；难点在金属锂表面保护、防止锂枝晶生长固体电解质：聚合物和无机离子导体及其复合材料；难点在纳米材料合成和复合材料制备界面问题：,19,=4.310-4Scm-1at25,LiFe0.2Mn0.8PO4/polymerelectrolyte/Licellat25,中科院青能所崔光磊,二元系硫化物固体电解质材料：75Li2S-(25-x)P2S5-xP2O5(mol%)：Li3+3xP1-xZnxS4-xOx,20,锂空/锂硫,Erev=2.96VvsLi/Li+,Li/S的理论能量密度为2654Wh/kg，Li/O2的理论能量密度为5217Wh/kg。两个体系的实际能量密度有望500Wh/kg。,锂空,1、概况,21,2、锂-空(O2)的主要问题,负极：锂枝晶；循环效率；固液界面；安全问题；,电解液：稳定性；导电性；挥发问题；析O2问题；,正极：材料的选择制备：O2通过，CO2、H2O不能通过；,chargeoverpotential,效率（过电压）；容量；循环；,22,3、研究现状：,Al2O3包覆；Pd催化；,23,Si负极,难点:体积膨胀结构坍塌；低电导率，倍率性能差；,Particlepulverization,A、目前进展,24,体积膨胀导致暴漏的活性表面一直形成新的SEI；,多空Si/C复合材料,25,1st放电：2404mAh/g；1st充电：1541mAh/g；1stCE:64.1%;200周容量保持率：67%；,26,中国锂电池制造的现状,电池制造等,1、中国动力电池、装备的投入,27,迫切需要提高产能来摊销：研发、设备、厂房等固定费用，降低采购成本；处于大规模应用的突破口：谁将在3-5年抓住机遇突破制造将赢得20-30%的利润空间。,2、可大规模制造的电池,圆柱电池，代表型号：18650电池容量：2200mAh3300mAh方形卷绕硬壳，代表型号：20100140，27100148电池容量：20Ah25Ah叠片软包、硬壳，代表型号：18100150电池容量：20Ah25Ah,28,没有电池规格标准；产业基础不够，没有评价标准；没有制造的理念：结构、工艺、装备；使用目标不清楚，客户（汽车厂）的要求不清楚；客户的差异化需求；,10家企业，36个型号！,29,动力电池大规模制造规范,基础研究：缺乏深入的机理深究，从电化学、物理、电工、机械、结构、散热等，找出相互关系并推出相关数学模型等。战略定位：缺少战略规划，缺失产业发展路线的细致规划、有效引导和资源聚积。大多停留在“红海战略”扩展理念中，各家保密，互不交流，封闭国内自己，利好国外；策略行动：缺少“全制造过程”的行业规范和管理。设计、制造、原料、检验、运输、运维和回收处理等要素的凝练总结、平台验证、标准制度、指导监督等；结果现状：过剩低端产能，核心竞争力缺乏，产业集中度不够。低价竞争成为行业扩张主线；提出：中国锂电制造产业的现状从物理机理的角度研究锂离子电池，什么结构保证最佳性能和可制造性？如：锂离子在电池中的运动力学、电子运动与电池结构，离子分布规律，极片结构与电池结构，热对离子、电子的运动影响等等！,1、动力电池大规模制造规问题,30,动力电池制造指标的现状以及未来电池制造合格率现在：85-90%；未来：90%-95%-98%；材料利用率现在：85-90%；未来：90%-95%-97%；人工成本率目前：3-10%；设备运转率：目前：40-60%；未来：80%-90%；WH制造成本，电力、折旧、人工目前制造成本比例：15-20%；成熟制造业：6-15%；WH设备投入：半自动、单元自动化、数字化工厂,31,锂动力电池动态一致性及安全性应用技术研究,A、动力锂电池正常应用环境下可能发生的情况1、内部温度丌匀引起的局部发热（安全性）2、充放电倍率引起的高温（安全性）3、散热系统的故障引起的高温（安全性）4、长期运行产生的模块动态内阻RD丌一致（一致性）5、长期运行产生的模块荷电态SOC丌一致（一致性）6、长期运行产生的模块健康度SOH丌一致（一致性）7、BMS工作故障，温度电压测丌准（安全性一致性)8、强电磁干扰通讯中断或丌稳定（安全性一致性）9、各种原因引起的短路或局部短路（安全性）,32,B、动力锂电池非正常应用环境下可能发生的情况1.充电装置失控产生高电压过充电2.模块以外电路造成动力电池系统短路3.电池单体发生内短路，产生单体泄露、燃烧或爆炸4.电池模块泄露产生毒气造成危害5.电池仓内各种原因的超过60的高温6.电池模块之外的原因产生的火灾7.外环境原因产生的剧烈震动8.车体结构变形产生的强力挤压变形9.车体结构损坏产生的金属尖锐物刺伤10.恶劣天气或被水浸泡环境,33,目前的国际标准、国家标准、行业标准都以“不燃烧、不爆炸”作为电池安全性评价标准的描述是不全面的，评价标准应以对人或环境的损伤作为标准则更为合理。本质安全性定义（Definition）：1、最小能量单元的能量限制为若万一发生燃烧爆炸不足以产生损伤性后果。属可接受风险。2、成组后、一个能量单元若发生燃烧爆炸，其能量不会引起其他单元连锁燃烧爆炸。属孤立可接受事件。同时具备以上两条件的能量载体称其具有本质安全性。,34,C、18650软连接组合技术,1.具有本质安全性。可应用亍安全性要求较高的场合。2.以相同散热效果角度，比能量比功率都优亍其他形状电池。3.极板面积相对小，极板电流均匀，有利亍使用寿命。4.电池散热面积大，温度均匀，有利亍使用寿命。5.圆形结构稳定，外壳丌易变形，寿命长。6.容易实现多极耳，实现高倍率充放电。7.小圆电池内部独有的CID断电功能，使单体电池更安全。8.生产自动化技术成熟，有全自动生产线，高成品率。9.锂离子电池自平衡特性，并联电池电流均恒。10.单体各种性能正态分布，组合后动态一致性非常好。11.软连接结构牢固稳定，适合振动及高速秱动场合应用12.便亍回收重新分选组合，可实现电芯级梯次利用。,35,D、电池系统一致性重要因素：电池管理系统,1、电池性能变化是慢过程，是BMS设计基础。2、电池组重要参数：电压、电流，温度、动态内阻。四大参数缺一丌可。3、四大参数变化率更重要，变为八大参数。及八大参数之间的关系，更能代表电池的本质性能。4、静态不动态综合分析控制策略。充放电过程是辨识电池动态性能的最佳时机。非充放电过程是辨识电池静态性能的最佳时机。5、根据动态和静态性能综合分析可得出的每只电池综合性能的正确结果，剔除假象，给出最优均衡策略,36,锂离子动力电池回收技术