新能源动力电池课件.ppt

新能源新能源动力力电池池一、、课题的背景及意义l 国际大环境—能源危机、温室效应￿￿如今欧美发达国家，日、韩，中国都把技术创新的焦点集中于新能源产业大力发展新能源汽车是我国节能减排、降低原油进口依赖的战略选择中国原油对外依存度高达48%，原油消费中60%是交通用油同时我国又是世界第二大CO2排放国，占全球排放总量的18.8%，而汽车尾气排放占CO2排放总量的15.9%奥巴马新能源政策的实施，哥本哈根谈判的结束，都使中国面临更大的碳减排压力推广使用新能源汽车，是我国在碳减排压力下经济转型的必然选择￿李克强副总理在2009年4月曾经说过：“新能源产业正孕育着新的经济增长点，也是新一轮国际竞争的战略制高点”所以，在这样的国际形势下推广新能源产业是势在必行的l￿汽车清洁能源动力行业背景￿￿让我们先来看一下国内汽车产业的发展路线，从用低碳燃料代替传统的燃料到混合动力汽车再到纯动力汽车和燃料电池汽车持续发展燃料电池清洁能源汽车发展路线199019952000200520082010E2015E2020E2025E2030E环境、、能源可持续性的担忧CVCC发动机LEV发动机ULEV发动机PZEV发动机环境污染（（挥发性有机物，，氮氧化合物、、一氧化碳气候暖化（（二氧化碳、、温室气体））目前时间点混合动力清洁柴油CNG天然气灵活燃料纯电动能源可持续性（（二氧化碳、、温室气体）） 轻度混合 中度混合 深度混合l￿新能源汽车的发展￿￿混合动力汽车（Hybrid￿Electric￿Vehicle，HEV）、纯电动汽车（Electric￿Vehicle，EV）和燃料电池汽车（Fuel￿Cell￿Electric￿Vehicle，FCEV）被称之为新能源汽车（指采用汽油、柴油之外的动力作为动力源的汽车的总称）。

新能源汽车按照电池种类不同又可以分为镍氢动力电池汽车、锂动力电池汽车和燃料电池动力汽车中国新能源汽车工业发展前景Micro EVE- busE-bikeBEV SubwayE- busE-bikeE-RailwayAirlineWaterway050200kml￿新能源汽车产业的现状及瓶颈简述￿￿新能源汽车在目前以及将来逐渐会替代传统汽油车已成为各国发展汽车产业的共识，动力电池是新能源汽车发展的关键：混合动力汽车是目前最佳的过渡产品，但纯动力电池汽车是未来发展方向，核心技术在电池技术上的突破当前许多知名的汽车制造商都致力于开发动力电池的电动汽车，如美国福特、克莱斯勒，日本丰田、三菱、日产、韩国现代、法国Courreges、Ventury等而国内汽车制造商比亚迪、吉利、奇瑞、力帆、中兴等车企也纷纷在自己的混合动力和纯电动汽车中搭载动力锂电池￿动力电池作为新能源汽车的核心部件，这里我们应该看到其发展尚需突破的技术难题还有很多，如：动力电池芯性能的提高（能量密度、循环寿命、安全性、一致性、价格等）；国内动力电池的成组技术不够成熟，就国内而言几乎没有几家厂商能够真正掌握动力电池的成组技术（热管理、均衡、空间利用率等）这就导致成组的电池一致性很差，循环寿命甚至达不到单体电芯的一半；再就是电池管理系统不够完善和国外相比仍有很大差距，如：系统数据采集的可靠性、SOC的估算精度、热管理、均衡、安全管理、系统健康状态评估等方面。

二、、新能源汽车产业之核心部件 — 动力电池l￿动力电池种类及现状￿￿目前国内外动力电池的研究集中分为以下几类：铅酸蓄电池（VRLA），镍氢动力电池，锂动力系列中的三原材料（NCM）、锰酸锂（LMO）系列、磷酸锂铁（LFP）系列、钒酸锂系列以及负极材料为Si、钛酸锂系列的锂动力电池，超容量电容在新能源方面的应用、太阳能蓄电池和热门的燃料电池（燃料电池被人们称之为‘终极电池’）再就是应用在高端领域的飞轮电池就近5~10年内锂动力电池将成为汽车动力的主流产品也是目前研究的主要对象锂动力电池参数比较优缺点比较优缺点比较应用范围应用范围代表厂商代表厂商（国内）（国内）能量密能量密度度(Wh/Kg)(Wh/Kg)循环寿循环寿命命(Cycle (Cycle Life)Life)成本成本(Cost)(Cost)安全性安全性(Safety)(Safety)环境污染环境污染适用温度适用温度\ \\ \LiNiCoMnOLiNiCoMnO2 2三元材料电三元材料电池池(NCM)(NCM)160160800800中等中等可可含含NiNi、、CoCo-20~55℃-20~55℃ 3C3C电子产品、电子产品、矿灯、部分矿灯、部分电动汽车等电动汽车等比克国际比克国际LiMnLiMn2 2O O4 4锂锰电池锂锰电池(LMO)(LMO)10510510001000中等中等良好良好无污染无污染-20~55 ℃-20~55 ℃（高温不稳（高温不稳定）定）3C3C电子产品、电子产品、便携式电池、便携式电池、电动汽车、电动汽车、航空航天等航空航天等中信国安中信国安盟固利、盟固利、咸阳威力咸阳威力克克LiFePOLiFePO4 4 磷酸铁锂电磷酸铁锂电池池(LFP)(LFP)11511515001500较高较高非常好非常好无污染无污染-20~75℃-20~75℃（可达（可达300 300 ℃ ℃ ，，-20 ℃ -20 ℃ 以下无法工以下无法工作）作）混合动力汽混合动力汽车、纯电动车、纯电动汽车、发电汽车、发电储能装置、储能装置、电动工具等电动工具等比亚迪、比亚迪、比克、天比克、天津力神、津力神、ATLATL、万、万向向锂动力电池现状概述￿￿中国的新能源汽车电池产业起步虽晚于欧美日，但发展非常快，在锂电池的研发上也投入了大量财力、物力。

国家863计划设立了电动汽车重大专项，中科院物理研究所、北京有色金属研究院、中国电子科技集团公司第十八研究所等单位参加了该项目，分别开发了EV和HEV用两类动力电池，其中一些单位已采用了安全的锰体系正极活性材料十一五”、“十二五”、863电动汽车重大专项又对HEV、PHEV(外接充电式混合动力汽车)、FCEV(燃料电池车)用动力锂离子电池关键材料和电池的研发给予大力支持目前汽车锂动力电池市场上，虽然有很多新产品出现，但是还没有具有能够大规模量产并替代燃油动力的突破性技术锂动力电池现状概述Ø锂动力电池￿—￿正极材料磷酸铁锂锰酸锂钴酸锂镍酸锂镍钴锰三元材料材料主成分LiFePO4LiMn2O4LiMnO2LiCoO2LiNiO2LiNiCoMn2理论能量密度(mAh/g）170148286274274278实际能量密度(mAh/g)130~140100~120200135~140190~210155~165电压（V）3.2~3.73.8~3.93.4~4.33.62.5~4.13.0~4.5循环性能（次）＞2000＞500差＞300差＞800过渡金属非常丰富丰富丰富贫乏丰富贫乏环保性无毒无毒无毒钴有放射性镍有毒含镍、钴安全性能好良好良好差差尚好适用温度范围-20~75℃（-20℃以下无法工作）50℃以上快速衰减高温不稳定-20~55℃（范围之外衰退严重）N/A-20~55℃各种锂离子电池正极材料性能比较锂动力电池现状概述锰酸锂市场现状（国内）￿￿安全廉价的锰酸锂电池具有镍酸锂和钴酸锂电池无法比拟的优越性能，4V锰酸锂在充电状态下的热分解温度比钴酸锂高约200℃（充电状态下的分解温度约为430℃），热稳定性较好，被认为是电动汽车最实用的电极材料。

目前，中信国安盟固利电源技术有限公司生产的锰酸锂材料已经陆续进入国外市场，一些国内锂离子二次电池生产厂商开始批量实用该公司生产的锰酸锂产品，产生了较好的经济效益国内众多用户及韩国、法国、美国的公司正在正式试用该公司生产的锰酸锂产品 云南玉溪汇龙科技有限公司开发的“新型低成本锂离子电池正极材料（锰酸锂）产品中试产及产业化”项目，属于国家重点支持的新能源、新材料产业锂动力电池现状概述锰酸锂市场现状（国外） 国外锰酸锂的市场情况，我们看一下以下表单做个了解：锂动力电池现状概述锰酸锂材料特性（暂以国内某厂商产品水平为例）•质量比容量￿(Vs.￿Li/Li+)￿≥115mAh/g•电压平台￿￿3.9V•循环寿命￿￿≥1000•振实密度￿≥2.1g/cm3•粒度(D50)￿6~15μm￿粒子外貌锂动力电池现状概述磷酸铁锂市场现状 磷酸铁锂在中国掀起过一阵动力电池热，它具有较高的能量密度、低廉的价格、优异的安全性使其特别适合动力电池 磷酸铁锂材料在理论上来讲价格是最便宜的（制备的原材料非常丰富），但是由于其制备的成本和高温固相法制备的成品率比较低所以在实际上并没有价格方面的优势。

全球的磷酸铁锂正极材料的主要生产厂商来自于美国的Valence、A123和天津斯特兰两家美国公司的产能在1000吨左右，生产基地都在中国，但是不对中国客户提供材料国内的磷酸铁锂电池厂商很多如：BYD、BAK、Lishen等，这里就不不做一一说明了国外而言，LFP电池得到应用的有美国，日本、韩国 这里我们再来谈一下磷酸铁锂的专利问题， 磷酸铁锂（LiFePO4）橄榄石结构诞生于德州大学，德州大学于1997￿年对磷酸铁锂的晶体结构与化学分子式申请了专利，后将专利授予加拿大自来水公司Hydro-Quebec￿及其下属公司Phostech￿使用德州大学和H-Q￿声称，凡是使用LiFePO4正极材料的电池都侵犯了他们的晶体结构和化学分子式专利锂动力电池现状概述￿￿目前￿LFP￿最上游的化合物制造专利被三家专业材料公司所掌握，分别是美国A123￿的￿Li1-xMFePO4、加拿大Phostech￿的￿LiMPO4￿以及台湾立凯电能(Aleees)￿的￿LiFePO4･MO专利权之争影响全球电动车行业发展￿ 专利权之争短期内对中国国内销售无影响德州大学目前只申请了美、日、德、英、法、意、加七国的专利保护，按20￿年专利保护期计算，到2017￿年专利才会到期。

目前中国企业在国内研发、生产和销售磷酸铁锂电池都是合法的，中国短期内不会受到影响由于德州大学在欧洲的专利拥有权被推翻，因此中国出口到欧洲也是安全的，但出口到美国有风险￿但是从长期来看，专利权是一个隐患目前我国只有清华大学核能与新能源技术研究所拥有几项磷酸铁锂技术专利，国内大部分生产厂商只掌握磷酸铁锂技术和加工工艺，没有国际专利￿三元材料市场现状锂动力电池现状概述￿￿￿它融合了钴酸锂和锰酸锂的优点，在小型低功率电池和大功率动力电池上都有应用但该种电池的材料之一——钴是一种贵金属，价格波动大，对钴酸锂的价格影响较大钴处于价格高位时，三元材料价格较钴酸锂低，具有较强的市场竞争力；但钴处于价格低位时，三元材料相较于钴酸锂的优势就大大减小随着性能更加优异的磷酸铁锂的技术发，三元材料大多被认为是磷酸铁锂未大规模生产前的过渡材料目前三元材料的应用主要集中在欧洲，当然国内也有部分少数的三元材料厂商锂动力电池现状概述三元材料特性•质量比容量￿￿(Vs.￿Li/Li+)≥155mAh/g•电压平台3.6V•循环寿命≥1000•振实密度￿￿￿≥2.1g/cm3•粒度(D50)6~15μm￿粒子外貌锂动力电池现状概述Ø锂动力电池 — 隔膜隔膜的技术特性分析￿￿隔膜的重要功能是隔离正负极并阻止电子穿过，同时能够允许离子的通过，从而完成在充放电过程中锂离子在正负极之间的快速传输。

隔膜性能的优劣直接影响着电池内阻、放电容量、循环使用寿命以用安全性能隔膜越薄，孔隙率越高，电池内阻越小，高倍率放电性能越好，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用锂动力电池隔膜的要求包括：（1）具有电子绝缘性，保证正负极的机械隔离；（2）有一定的孔径和孔隙率，保证低的电阻和高的离子电导率，对锂离子有很好的透过性；（3）耐电解液腐蚀，电化学稳定性好；（4）对电解液的浸润性好并具有足够的吸液保湿能力；（5）具有足够的力学性能，包括穿刺强度、拉伸强度等，但厚度尽可能小；（6）空间稳定性和平整性好；（7）￿热稳定性和自动关断保护性能好锂动力电池现状概述锂离子电池隔膜市场需求年份20072008200920102011市场需求（亿m2）2.242.512.813.153.53出厂价金额（亿美元）5.886.928.139.5711.26锂动力电池现状概述全球隔膜市场发展现状（国外）￿￿全球市场主要被日本旭化成工业、东燃化学，及美国Celgard￿把持隔膜具有典型的“高技术、高资本”特点，而且项目周期很长，投资风险较大，国内企业的投资热情并不高预计全球对聚乙烯、聚丙烯和芳烃等主要石化产品的需求将以高于全球GDP2-3％的速度增长，而亚洲增速最快。

为此，世界领先的石油和石化企业埃克森美孚化工正在积极投资以满足这一不断增长的需求通过正在中国福建建设的合资企业和在新加坡建设新的石化装置，使其世界级石化装置的产能增加一倍以上同时，还在推动沙特和卡塔尔的大型投资项目，并在韩国建设一家新的锂电池隔膜厂全球隔膜市场发展现状（国内）锂动力电池现状概述￿￿目前，国内能生产隔膜的企业仅有星源科技、金辉高科两家技术相对成熟，市场供应量严重不足，大部分依赖进口深圳市星源材质科技有限公司是一家专业从事微孔隔膜研发、生产、销售的新材料新能源类高新技术企业，其干法和湿法制备锂电池隔膜技术具有自主知识产权，填补了我国锂电池隔膜产业化关键技术的空白，完善了我国锂电池产业链，被评为国家火炬计划重点企业锂电池隔膜光明新区制造基地预计投资人民币8亿元，新建12条干法生产线和两条湿法生产线，预计在2013年全部建成光明新区制造基地项目完成后，将达到年产锂电池隔膜1.2亿平方米的产业规模，年产值超10亿元，年税收超2亿元，成为全国最大的锂电池隔膜制造基地锂动力电池现状概述Ø锂动力电池 — 电解液电解液的技术情况分析￿￿电解液的研究尚未定型，仍在不断完善之中传统的电解液使用碳酸酯作为溶剂，因为闪点较低，在较低的温度下即会闪燃，安全性较差。

而氟代溶剂（包括氟代酯和氟代醚）具有较高的闪点甚至无闪点，有利于抑制电解液的燃烧，是解决电解液易燃问题最有希望的途径之一氟代剂对电池性能损害较小，抑制电解液燃烧的效果明显，但是氟化物的使用将会大大增加锂离子电池的生产成本，产业化上面临成本压力；相对廉价的烷基磷酸酯虽具有一定的阻燃效果，但是严重恶化电池性能；而含氮化合物对电池性能影响不大，但是阻燃效率不高，而且毒性较大化学界仍在不断探索成本低廉、安全性好、高温下不易分解、电化学性能稳定的电解液目前商用锂离子电池以EC￿￿￿DMC￿为溶剂，以LiPF6￿为锂盐，具有较高的离子导电率与较好的电化学稳定性锂动力电池现状概述Ø锂离子电池成本构成燃料电池现状概述￿￿燃料电池（fuel￿cell）是一种化学电池，它是将物质发生化学反应时释出的能量直接转变为电能的一类电池燃料电池的概念1839G.R.Grove￿提出的，至今已有大约160￿年的历史燃料电池十分复杂，涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论燃料电池的优点主要有下面几个：（1）反应产物为水，可实现零污染，是真正的绿色无污染能源2）能量转换效率高，目前汽轮机或柴油机的效率最大值为40～50%，当用热机带动发电机时，其效率仅为35～40%，而燃料电池的有效能效可达60～70%，其理论能量转换效率可达90%。

其他物理电池，如温差电池效率为10%，太阳能电池效率为20%，均无法与燃料电池相比3）高度可靠性、无火花、低噪音和免冲电4）比能量或比功率高5）适用能力强由于上述优点，燃料电池已经成为二次电池发展的长期目标Ø燃料电池概述燃料电池种类及工作原理燃料电池现状概述燃料电池正、负极之间是携带有充电电荷的固态或液态电解质，在电极上的催化剂如白金用来加速电化学反应按照电解质及电极材料的不同，燃料电池可分为碱性、磷酸、熔融碳酸盐、固体氧化物及质子交换膜燃料电池燃料电池类型及其性能燃料电池工作原理燃料电池现状概述燃料电池工作原理示意图燃料电池现状概述Ø燃料电池存在的问题￿￿燃料电池能量密度极高，接近于汽油和柴油的能量密度，几乎是零污染，号称“终极电池”，代表着电动车未来的发展方向，也是各国重点研发的领域之一目前国内一辆轿车所用燃料电池的成本约在100￿万人民币左右，北京市引进的三辆“零排放”燃料电池公交车，每辆成本更是高达千万由于成本太高，燃料电池目前离产业化还有较长的距离要走，预计在2025￿年才会大规模商业化Ø燃料电池成本构成超级电容现状概述￿￿超级电容器的原理并非新技术，常见的超级电容器大多是双电层结构，同电解电容器相比，这种超级电容器能量密度和功率密度都非常高。

同传统的电容器和二次电池相比，超级电容器储存电荷的能力比普通电容器高，并具有充放电速度快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点除了可以快速充电和放电，超级电容器的另一个主要特点是低阻抗所以，当一个超级电容器被全部放电时，它将表现出小电阻特性，如果没有限制，它会拽取可能的源电流因此，必须采用恒流或恒压充电器１０年前，超级电容器每年只能卖出去很少的数量，而且价格很贵，大约１～２美元／法拉，现在，超级电容器已经作为标准产品大批量供应市场，价格也大大降低，平均0.01～0.02美元／法拉在最近几年中，超级电容器已经开始进入很多应用领域，如消费电子、工业和交通运输业等领域Ø超级电容概述超级电容优缺点超级电容现状概述优点：①在很小的体积下达到法拉级的电容量；￿②无须特别的充电电路和控制放电电路；￿③和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响；￿④从环保的角度考虑，它是一种绿色能源；￿⑤超级电容器可焊接，因而不存在像电池接触不牢固等问题￿缺点￿：①如果使用不当会造成电解质泄漏等现象；￿②和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于交流电路③能量密度很低（仅为蓄电池的5%）几种新型锂动力电池电极材料Ø新型负极材料硅、钛酸锂Ø新型正极材料磷酸钒锂谢谢。