动力电池发展现状与趋势.ppt

1、动力电池国内外发展现状与趋势,曹际娜,发展机遇与政府规划,由于世界各地汽车产业的蓬勃发展，石油资源已经表现了供应不足、价格高涨的现象，国际能源结构也因此发生了重大变化，能源需求大幅度增加。,世界能源需求量不断增大,减少对石油的依赖程度及环保要求,目前我国原油消费60用于交通，如何降低交通用油有重要意义。 2009年我国石油对外依存度提高2.5个百分点，已到达53%。发展锂电池新能源应用势在必行。 燃油汽车污染严重，发展电动清洁汽车，是保护环境的必然要求,中国石油总需求供需缺口,污染,全球变暖,发展中国家,发达国家,交通发展战略,动力电池,电池,电池是一种能量转化装置，充电时，电能转化为化学能贮

2、存起来，放电时，化学能转化为电能。 一次电池，电池的反应是不可逆的； 二次电池，电池的反应可逆，可以多次重复充放电,水果电池,组成电池的三种主要成分：正极、负极、电解液（正负极不能直接接触）,电池发展史,最早的电池-巴格达土瓶,约公元前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 characteristics 低自放电率 - Low self-discharge rate 长循环寿命 - Good cycle performance 快速充电能力 - Quick cha

3、rge acceptance 较宽的高温性能 - Good performance in the wide of temperature 环境友好 - Environment-friendly,电池的性能要求,水果电池不符合这些要求，所以不是真正的电池,电池分类 - 一次电池,又称原电池，或干电池，反应不可逆或者或者可逆反应很难进行，电池放电后不能重复充电使用。,电池分类 - 二次电池,二次电池： 能够充放电多次重复使用的电池,主流动力电池发展史,第一代,第二代,第三代,第一代 铅酸电池,正极：二氧化铅 负极：海绵铅 电解液：硫酸,工作电压：2V,优点： 原料易得，价格相对低廉； 高倍率放电性

4、能良好； 温度性能良好,可在-4060的环境下工作； 适合于浮充电使用,使用寿命长,无记忆效应； 废旧电池容易回收,有利于保护环境. 缺点： 比能量低,一般为3040Wh/kg； 使用寿命不及Cd/Ni电池； 制造过程容易污染环境,必须配备三废处理设备.,铅酸电池的主要优缺点,铅酸电池的结构,第二代 镍氢电池,镍氢电池以储氢合金为负极材料，氢氧化镍为正极材料，电解液是含氢氧化锂（LiOH）的氢氧化钾（KOH）水溶液。电池放电时，负极的金属氢化物被氧化生成金属合金，正极的羟基氧化镍（NiOOH）被还原成氢氧化镍，充电过程相反。,标准电压：1.2V,镍氢电池的结构,优势 与铅酸电池比，能量密度有大

5、幅度高，重量能量密度65Wh/kg，体积能量密度都有所提高200Wh/L 功率密度高，可大电流充放电 低温放电特性好 循环寿命（提高到1000次） 环保，无污染 技术比较锂离子电池成熟 缺点 正常工作温度范围-1540C，高温性能较差 工作电压低，工作电压范围1.0V1.4V 价格比铅酸电池、镍镉电池贵，但是性能比锂离子电池差,镍氢电池的主要优缺点,目前市场上销售的混合动力汽车，主要以镍氢电池作为动力电源。在HEV所用的动力电池中，镍氢动力电池的技术仍是最成熟，综合性能最高的。 纯电动方面，较小的比能量使得镍氢电池续航能力较低，优势不比锂离子电池。,镍氢电池主要应用,主要应用领域混合动力汽车,

6、第三代 锂离子电池,锂离子电池在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，产生了电流，该反应具有高度的可逆性，被形象地称为“摇椅电池”（Rocking Chair Batteries）。,目前最有潜力的电动汽车动力电池,宏观-微观,锂离子电池的结构,锂离子电池内部结构,锂电池成本解析,正极材料 电动汽车跃动的心,正极部分,层状结构材料(LiCoO2,NCM,NCA等 ) 尖晶石结构材料(LiMn2O4等) 橄榄石结构材料(LiFePO4) 一些新材料（未来发展方向）,日韩等国家推崇三元和锰锂材料 中国，美国推崇铁锂材料,磷酸铁锂材料,LiFePO4电池在充电时，正极中的锂离子Li+通过

7、聚合物隔膜向负极迁移；在放电过程中，负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。,优点,价格低廉，降价空间大 热稳定性高，安全性好 循环性能好 比容量高 环保，无污染,固有缺点 体积能量比低 电压偏低3.2V，且电压平台太平,解决路径-1.表面碳包覆，提高导电率 2.优化掺杂 3.低温添加剂，改善低温性能,尖晶石锰酸锂材料,优点： 成本低 易合成 工作电压高 安全性能好 对环境无污染,衰减的原因： Mn3+的溶解，2Mn3+Mn2+Mn4+ 结构不稳定：Jahn-Teller反应（立方相变成四方相）,LiPF6 + H2O POF3 + LiF 4H+ + 2 LiMn3+Mn4+O42- 3-M

8、nO2 + Mn2+ + 2H2O,性能改善措施： 元素掺杂 表面修饰 纳米化,高温性能差 容量偏低 (约120mAh/g),三元材料LiCoNiMnO2（NCM）,Co，+3； Ni，+2； Mn，+4； Ni为材料容量的主要来源；+2+4 Co在较高电位时才能发生反应，+3+4，因此起到了稳定结构的作用； Mn保持+4价不变，但是Mn含量偏高时易出现价态变小的趋势，出现+3价的Mn,负极部分,高功率硬碳材料（最早使用） 传统石墨负极材料（目前普遍） Li4Ti5O12负极（东芝力推） 未来高容量负极材料（Si系列，体积膨胀是致命问题，目前只巧妙的应用于某些高容量电池，还未在动力电池领域有所

9、应用）,各类负极材料市场占有率,传统石墨负极,其中国内行业前三甲是深圳贝特瑞，上海杉杉，长沙海容。 深圳贝特瑞是中国宝安集团控股的子公司，是国内电池碳负极材料标准制定者，全球市场位居全球第四。,石墨负极成本低 技术成熟 国内已实现产业化,全球负极厂家市场占有率,Li4Ti5O12,最初作为超导材料被和正极材料被研究； 1996年，加拿大K.Zaghib首次提出作为锂电池负极材料应用可能 理论容量175mAh/g,1.5V vs. Li/Li+ 零应变材料，循环性能及倍率性能好,零应变材料,隔膜,锂离子电池隔膜特性要求,电子绝缘； 较小的离子阻抗； 一定的机械强度； 耐受电液，电极材料的腐蚀；

10、阻止两电极间的杂质的迁移； 具有电液浸润性； 材料品质的稳定性,放电过程隔膜作用示意图,隔膜的shutdown功能示意图,不同材质隔膜的DSC测试数据,隔膜,PP,PE,PP/PE/PP,湿法,干法,全球隔膜生产分布,由于隔膜生产较高的技术门槛，全球锂离子电池隔膜主要集中在日本和美国，其中日本旭化成（Asahi Kasei E Materials）、美国 Celgard 和日本东燃（Tonen）合计占据了 77市场份额。,我国生产电池隔膜的厚度和孔径的均匀度和国外还存在较大差距，国内所需的隔膜 80仍由进口满足，现有生产设备为低成本的单层聚烯烃拉伸隔膜生产线，主要供应中、低端市场，,电解液,能

11、较好的溶解电解质盐，即有较高的介电常数； 应有较好的流动性，即低黏度 对电池的其他组件应该是惰性的，尤其是充电状态下的正负极表面； 在很宽的温度范围内保持液态，熔点要低，沸点要高 安全性要好，即闪电要高，无毒,锂离子电池电解液特性要求,电解液组成示意图,通常电解液溶剂为混合溶剂，碳酸乙烯酯（EC）凭借优良的成膜作用，成为绝大多数电解液的主成分，目前锂电池使用的主要溶剂为 EC 为基础的二元或者三元混合溶剂，如EC+DMC, EC+DEC, EC+DMC+EMC,LiPF6作为电解质，对纯度要求特别高，对金属（如 Na、K、Fe 等）、酸根、氢氟酸（HF）及 H2O 含量要求在 10-5（质量分

12、数）以下所以合成难度大，目前LiPF6的合成技术主要掌握在日本企业中。,电解质,锂电芯（cell）生产流程图,cellpack生产流程简图,锂电芯（cell）全自动生产线图,常用锂电池分类,层状材料(LiCoO2,NCM,NCA等 ) 钴锂电池，三元电池等 尖晶石材料(LiMn2O4等) 锰锂电池 橄榄石材料(LiFePO4等) 铁锂电池,按正负极叠加方式来分,卷绕电池 叠片电池,按外形来分,圆形电池 方形电池 其他形状电池,按电解质形态分,常用测试分析手段,充放电循环,高低温冲击,高温高湿试验箱,机械冲击测试,过充,短路,针刺,热箱,挤压,跌落试验机,燃烧试验机,盐喷雾,重物冲击测试,其他测

13、试： 电池旋转测试 盐水浸润测试等,静电测试,其他动力与储能电池超级电容器,活性碳电极材料具有1200m2/g，电解液与多孔电极间的界面距离不到1nm，超级电容器电容值可以非常大。大多数超级电容器可以做到法拉级，一般其电容值范围为15000F!,优势：,劣势：,能量密度太低，仅1-10Wh/kg,功率密度高，充电时间短。,超级电容的主要优缺点,大多作为辅助电源，主要作为快速启动装置和能量制动回收装置,超级电容续航里程太短，不能作为电动汽车主流电源。,应用领域,潜在动力与储能电池燃料电池,燃料电池 （储能实质-发电厂） 将燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能。,能量转换效率高； 环保，污染低 燃

14、料使用范围广； 规模及安装地点灵活 负荷响应快，运行质量高,潜在动力与储能电池钠硫电池,正极：液态硫和多硫化钠熔盐（液态） 负极：熔融金属钠（液态）-填充在导电的多孔碳或石墨毡里 电解质兼隔膜：Al2O3陶瓷材料（固态）,钠硫电池充放电机理,高比能量（理论760wh/kg；实际390wh/kg） 高功率（放电电流密度可达200300mA/cm2) 充电速度快（满充30min） 长寿命（15年；或2500 4500次） 无污染，可回收（Na，S回收率近100%） 无自放电现象，能量转化率高,优势：,不足：,工作温度高，其工作温度在300350度，电池工作时需要一定的加热保温；启动慢 价格昂贵，万

15、元/每度 安全性差（日本蓄电站9月21日-10月5日大火）,钠硫电池的应用,应用范围（主要作为储能电池）,电站负荷调平(即起削峰平谷作用） UPS应急电源 不间断电源,储能优势,电动汽车移动 电源优势,钠硫电池有着高能量高功率的优势，在储能电源方面有很大优势，但作为电动汽车用或其他移动电源，因没有完全解决安全可靠性问题，不能显示其优越性。,潜在动力与储能电池液流电池（钒电池）,液流电池一般称为氧化还原液流电池，正负极全使用钒盐溶液的称为全钒液流电池,简称钒电池.,开路电压：1.5V（荷电100%）,主要应用在储能领域,研发费用大 材料要求高 比能量低 工程周期长 运行窍门多,日本“新阳光计划”

16、 美国“DOE项目计划” 欧洲“能源框架计划” 中国863计划,潜在动力与储能电池锂空气电池,负极：锂 正极：空气 电解液：LiOH溶液,开路电压：2.91V 理论比能量为11140Wh/kg,4Li+2H2O+O2 4LiOH,负极采用金属锂条，负极的电解液采用含有锂盐的有机电解液。中间设有用于隔开正极和负极的锂离子固体电解质膜。正极电解液使用碱性水溶性凝胶，与由微细化碳和廉价氧化物催化剂形成的正极组合,致命缺陷 固体反应生成物氧化锂（Li2O）会在正极堆积，使电解液与空气的接触被阻断，从而导致放电停止。,在负极（金属锂）一侧使用有机电解液，在正极（空气）一侧使用水性电解液。在两种电解液之间设置只有锂离子穿过的固体电解质膜，将两者隔开。这样便可防止电解液混合，并促进电池发生反应。,科学家认为，锂空气电池的性能是锂离子电池的10倍，可以提供与汽油同等的能量。锂空气电池从空气中吸收氧气充电，因此这种电池可以更小、更轻。全球不少实验室都在研究这种技术，但如果没有重大突破，要想实现商用可能还需要10年,锂硫电池电池是一类极具发展前景的高容量储能体系。以硫或含硫化合物为正极，锂或储锂材料为负极，以硫硫键的断裂/生成来实