电动车用锰系锂离子动力电池申报材料.doc

编号：_2015年桂林电子科技大学第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛校内重点项目立项申报材料项目名称：电动车用锰系锂离子动力电池 申报学院：材料科学与工程学院项目申报成员： 曾焯军、廖永意、桂西挺、谢晓宇周博文、骆宗艳、黄家宇二一四年十一月桂林电子科技大学第十四届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛重点项目申报书、申报者认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。、申报者必须填写申报者情况表和作品情况表。、申报者在填写申报作品情况时只须根据作品类别（自然科学类学术论文、社会科学类社会调查报告和学术论文、科技发明制作）分别填写。、表内项目一律用钢笔（或签字笔）填写或打印，字迹要端正、清楚，此申报书可复制。、序号、编码由“创新杯”大学生课外学术作品竞赛审查组填写。、学术论文、社会调查报告及所附的有关材料必须是中文，请以4号楷体打印在A4纸上，附于申报书后。、作品申报书须按要求由各参赛者认真填写。、有关参赛事宜请向承办单位咨询。、该申请书打印稿交与组委会，另需向承办单位指定邮箱发送一份电子档。A、申报者情况申 报 者 情 况姓名 曾焯军性别男出生年月1991.10现学历 A A大学本科 B硕士研究生申报单位材料科学与工程学院专业材料成型及控制工程学号1201020227学制4 年作品全称电动车用锰系锂离子动力电池合 作 者 情 况姓名性别学号电话所在单位备注 骆宗艳 女 1101010104料科学与工程学院有无合作者请在此说明： 有 无周博文男120104022913471252754材料科学与工程学院黄家宇男120102020915578351908材料科学与工程学院桂西挺男120102020715577496501材料科学与工程学院廖永意男130102021818278377725材料科学与工程学院谢晓宇男130102031515296805826材料科学与工程学院说明：1、必须有申报者本人按要求填写，申报者情况栏内必须填写个人作品的第一作者（承担申报作品60%以上的工作者）或集体作品填写一文学历最高的代表。2、本部分中的各学院签章视为对申报者情况的确认。B、科技发明制作 申报作品情况作品全称电动车用锰系锂离子动力电池 作品分类（在选项上画）A. 信息技术(包括计算机.电信.通信.电子等)B. 机械与控制(包括机械、仪器仪表、自动化控制、工程、交通、建筑等)C.数理(包括数学、物理、地球与空间科学等)D生命科学(包括生物、食品等)E.能源化工(包括能源、材料、生态、环保等)F.外观设计(包括电脑艺术设计、机械CAD等)作品设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标 1作品发明目的 在高速发展的现代社会中，特别是在石油、煤、天然气等传统能源日益枯竭的今天，社会急需能缓解对传统能源依赖甚至逐步替代传统能源的新型能源。 本项目团队从节约资源、保护环境的角度出发发明出了比容量高、充电速率快、循环性能好、安全性好的新型价廉正极材料的电动车用锰系锂离子动力电池，用于解决我国电动自行车所用铅酸蓄电池本身存在着的储能不高、充电时间长、寿命不长、安全性不高、污染严重的缺陷问题。 2基本思路本项目的系列快充型锰系锂离子电池由正极、隔离膜、负极三层组成，其正极由多孔状锰酸锂制成，负极由多孔状钛酸锂制成，隔离膜采用只允许锂离子通过的聚烯多孔膜。锰酸锂具有尖晶石结构，热稳定性好，耐过充电，大电流充放电性能优越，资源丰富且对环境的不良影响也小。 3技术创新点传统的双电层超级电容器相对与锂离子电池，它循环寿命长（100000次）、功率大、环境友好，但其能量密度低，成本高。项目产品是以高质量的多孔状锰酸锂和钛酸锂为电极材料，综合了锂离子电池和传统超级电容器的优点，实现了两种储能方式性能互补，获得高能量密度、高功率密度、循环寿命长、可安全快速充电等性能。 4、技术关键（1）提高了电池的能量密度以及充电速率（2）延长了电池的使用寿命（3）提高了电池的安全系数（4）原材料对环境无污染 5产品的技术指标（1）20AH 2.4V软包锂电池的技术指标由左图可知，本项目电池单体具备电池容量高，放电电压稳定，充电时间短，寿命长的特点。（2）20AH 48V锂电池组的功能数据如下由图表可知，项目产品具有轻便、体积小、容量大、充电时间快的特点，且续航里程达60KM，是普通蓄电池的两倍。作品的科学性先进性(必须说明与现有技术相比.该作品是否有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性说明和参考文献资料)快充型锰系锂离子电池是以高质量多孔状锰酸锂和钛酸锂为电极材料，综合了锂离子电池和传统超级电容器的优点，实现了两种储能方式性能互补，获得高能量密度、高功率密度、循环寿命长、可安全快速充电等性能。它实现了30分钟可充满，行程可达60公里，循环充电次数高达1000次，而且仍保持90%的电量的目标。 产品用正极为钛酸锂，负极为锰酸锂，及隔离膜所组成。与传统的铅酸电池相比，不释放任何有害物质，所以项目产品是环保无污染的清洁能源。锰系锂离子电池较铅酸蓄电池具有高能量密度，寿命长、安全性能高、循环性好，极短的充电时间，无污染，安全环保等诸多优点，若铅酸电池被环保无污染的锂电池所代替的话，能有效的达到节约能源的效果并且可以实现有利的保护环境的目标。2012年，我国有1.8亿辆电动自行车，其中有87.61%是用铅酸电池，锂电池占11.20%，其余的1.19%为其他电池，即有1.577亿的铅酸电池的电动自行车。 三类电动自行车用蓄电池市场占比在2009-2012年在逐渐变化：其中铅酸蓄电池比重从95%以上下降到87.6%；锂电池比重从6.2%上升到超过10%，并继续呈扩大趋势；镍氢电池比重从4.3%下降到1%左右，预计将淡出电动自行车领域。在国家政策大力支持新型产业以及倡导节能减排的趋势下，根据专家预测：我国未来5年电动自行车达到2.5亿辆，锂电池市场占有将达到30%，即会有7.5千万辆锂电池电动自行车。作品所处阶段A实验阶段 B 中试阶段 C 生产阶段 D_(自填) 作品所展示的形式实物 产品 模型图纸 磁盘现场 演示图片 样品 录像 使用说明及该作品的技术特点和优势,提供该产品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测 我国电动自行车用蓄电池目前市场使用最为广泛的是铅酸蓄电池。但是铅酸蓄电池本身存在着巨大的缺陷：储能不高、寿命不长、安全性不高、污染严重，所以业内也一直在寻找代替铅酸电池的新的电动自行车的电池的新材料。在安全性好、循环性能好、比容量高的新型价廉正极材料的发展的推动下，电动自行车车用的锂离子蓄电池已接近实用。关于新的电动自行车电源的发展及改进问题，锂离子蓄电池是被看好的为来代替铅酸电池的新型电源。专利申报情况 提出专利申报申报号_ 申报日期： 年 月 日 已获专利权批准批准号_批准日期： 年 月 日 未提出专利申请说明: 1、必须由申报者本人填写；2、本表可以附有研究报告,并提供图表、曲线、实验数据、原理结构图、外观图(照片),也可以附鉴定证书和应用证书；3、作品分类请按照作品发明或创新点所在类别填表。2015年桂林电子科技大学第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛校内重点项目立项作品说明书设计者：曾焯军，周博文，骆宗艳，黄家宇，桂西挺，廖永意，谢晓宇 指导老师：徐华蕊、朱归胜作品内容介绍本项目的系列快充型锰系锂离子电池由正极、隔离膜、负极三层组成，其正极由多孔状锰酸锂制成，负极由多孔状钛酸锂制成，隔离膜采用只允许锂离子通过的聚烯多孔膜。由于锰酸锂具有尖晶石结构，热稳定性好，耐过充电，大电流充放电性能优越，资源丰富且对环境的不良影响也小，是极具潜力改善环境的动力电池。本项目是国家鼓励发展的新能源类和节能减排类项目，项目产品锂离子电池是一种高新技术产品，从本质上讲是一种电池，但它综合了具有快速充电性能的传统超级电容器和具有稳定放电平台的锂离子电池的优点，是一种环保型高容量长寿命强实用的电源，其由高导电率纳米锰酸锂多孔材料构成正极板，由纳米导电钛酸锂多孔材料构成负极板，由正负极板、电解质组成的一种新型高容量长寿命强实用的锂离子电池，这种技术摒弃了传统电池的工艺，规避了国外专利，是具有自主知识的创新技术。本项目技术解决了传统电动自行车电池的这些问题：提高锰系锂离子电池的能量密度、充电速率以及安全系数，延长锰锂的使用寿命。根据本项目产品与传统自行车电池的对比，相信锰锂电池的市场前景是十分广阔的。本项目的系列快充型锰系锂离子电池应用市场主要在电动自行车以及电子产品电池等领域，用于解决目前锂电充电时间长，不能快速充电，以及由快速充电容易缩短电池寿命的缺陷。1.研究背景及意义在高速发展的现代社会中，特别是在石油、煤、天然气等传统能源日益枯竭的今天，新型能源开发的研究及节能减排技术的发展是解决这一问题的关键。新一代电池作为一种对环境友好的新型能源而受到人们的重视。专家、学者指出，锂离子电池、金属氢化物镍电池、无汞碱性锌锰电池、燃料电池、太阳电池等将是21世纪最理想的绿色环保电源，电池工业将成为最有发展前途的十大支柱产业中排名第二的能源产业。从技术水平上看，日本的生产设备和技术最为先进，其生产设备全是自动化，中国和韩国均是从日本引进技术和设备，或是在初期引进部分设备和技术，然后消化吸收，再进行不断的改进和创新，使产品的性能不断完善和提高。如LG化学、三星等就是从日本引进技术后，在此基础上不断发展和创新，以致在世界锂离子电池市场占据了一席之地。从我国现阶段来看，锂离子电池的生产仍以手工、半机械化为主，并未达到自动化生产的局面，且集中在深圳、天津等地。从制作的材料看，目前锂离子电池的负极一般都用碳材料，但正极材料主要有4种，分别是钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料。钴酸锂和碳材料搭配的锂离子主要用在手机上，锰酸锂和三元材料加上碳材料做成的锂离子电池用在电动工具上，只有磷酸铁锂和碳材料组合而成的锂离子电池才用在汽车上，也称为锂铁电池或铁电池。然而磷酸铁锂价格昂贵，加上技术和制造的难度，动力锂离子电池的价格较高，导致了目前电动汽车价格居高不下。美国曾经启动过“新一代汽车伙伴（PNGV）计划”,集中研究电池驱动的纯电动车，但是由于未能在蓄电池关键技术上取得实质性的突破，成本过高难以将研究产品推向市场商业化，所以放弃研究而转向本国低价格的燃料驱动。我国电动自行车用蓄电池目前市场使用最为广泛的是铅酸蓄电池。但是铅酸蓄电池本身也存在着巨大的缺陷：储能不高、寿命不长、安全性不高、污染严重，所以业内也一直在寻找代替铅酸电池的新的电动自行车的电池的新材料。在安全性好、循环性能好、比容量高的新型价廉正极材料的发展的推动下，电动自行车车用的锂离子蓄电池已接近实用。目前石油等传统能源日益紧缺，电动车的电池的改进会节约大量的能源，也会使城市的大气污染得到明显的改善，不仅可以明显减少全球二氧化碳的排放量，也可明显缓和能源进展的问题。2.设计方案2.1技术介绍本项目的系列快充型锰系锂离子电池由正极、隔离膜、负极三层组成，其正极由多孔状锰酸锂制成，负极由多孔状钛酸锂制成，隔离膜采用只允许锂离子通过的聚烯多孔膜。锰酸锂具有尖晶石结构，热稳定性好，耐过充电，大电流充放电性能优越，资源丰富且对环境的不良影响也小。现今专供电动车的锂电池还存在正负极全靠嵌脱锂储能，受Li+迁移的限制等问题，在安全性，稳定性，生产成本等方面还需要进一步的完善。传统的双电层超级电容器循环寿命长（100000次）、功率大、环境友好，但其能量密度低，成本高。综合各因素考虑，快充型锰系锂离子电池摒弃传统制作工艺，采取新材料，新工艺，而是采用正极为钛酸锂，负极为锰酸锂，及隔离膜所组成。综合了锂离子电池和传统超级电容器的优点，实现了两种储能方式性能互补，获得高能量密度、高功率密度、循环寿命长、可安全快速充电等性能。2.2技术亮点1、高能量密度：是镍氢电池或镍镉电池的1.5-2.5倍，远高于传统超级电容器，具有现有锂离子电池轻便的优势；2、寿命长：不仅大大高于镍镉、镍氢电池，而且高于现有锂离子电池，与传统超级电容器寿命一致；3、高倍率性能：具有高倍率充放电能力，而且安全性能高，而且高低温性能优异，在零下30度仍保持良好性能；4、极短的充电时间：有效的解决了传统锂电快速充电中遇到的难题，得以实现极短的充电时间，这将对电动车及消费类电子产品尤为重要；5、安全环保：与传统的铅酸电池相比，不释放任何有害物质，符合国家清洁能源的标准。2.3.技术水平本产品主要应用于电动车上，包括电动自行车、电动摩托车及观光车等，续航能力持久，循环使用寿命高，最重要的是安全、快充。原材料钛酸锂/锰酸锂石墨/磷酸铁锂铅酸电池电压平台1.5V/3.9V100mV/3.3V2V克容量(mAh/g)140/110300/160-材料成本（Kg)160/5080/150-过渡金属丰富丰富-安全性十分安全安全安全环保性环保环保铅有毒适用领域动力电池动力电池小型动力电池2.4生产流程图 3.产品性能分析目前，钛酸锂材料较当前的磷酸铁锂材料具有稳定性好，安全性高，高倍率充放电性好，容量衰减慢，循环次数高等特点，是行业看好的发展材料之一。锰系锂离子电池较铅酸蓄电池具有安全性好、循环性能好、比容量高的锂离子动力电池在电动自行市场具有的巨大潜力。锂离子动力电池不仅克服了当前动力电池行业中污染问题突出，充电时间长，寿命短，行程短的问题，实现了30分钟可充满，行程可达60公里，循环充电次数高达1000次仍保持原有的90%电量。若本电池成功推广至现有的电动车行业，则可使每KWh摊销的购置成本降低至1.9元。3.1钛酸锂材料优势性能比较序号钛酸锂负极材料碳负极材料1零应变，循环性能好过充电时易析出锂枝晶，造成电池短路，影响电池的安全性2放电电压平稳、电解液不致发生分解，有效提高电池安全性易形成SEI膜而导致首次充放电效率较低，不可逆容量较大3与碳负极材料相比，具有高的锂离子扩散系数（210-8cm2/s,倍率性能好碳材料的平台电压较低(接近于金属锂)，并且容易引起电解液的分解,从而带来安全隐患4电势比纯金属锂高，不易产生锂晶枝，安全性能好在锂离子嵌入、脱出过程中体积变化较大，循环稳定性差5钛酸锂+锰酸锂，工作电压为2.4V，钛酸锂负极锂电池可以过充到5V，过放到0V不能过充过放 3.2电池组性能指标对比本项目磷酸铁锂电池铅酸电池单电池电压2.4V3.3V2V48V 20A组成20串1516串（26）4快充时间45min50min4小时最大充电电流15A10A100000次）、功率大、环境友好，但其能量密度低，成本高。综合能量密度、功率密度、低温表现、生命周期和成本等因素考虑，本项目采用的快充型锰系锂离子电池会在纯电动车有较好的机会。快充型锰系锂离子电池是以高质量的具有自主知识产权的多孔状锰酸锂和钛酸锂为电极材料，综合了锂离子电池和传统超级电容器的优点，实现了两种储能方式性能互补，获得高能量密度、高功率密度、循环寿命长、可安全快速充电等性能。我国电动自行车用蓄电池目前市场使用最为广泛的是铅酸蓄电池。但是铅酸蓄电池本身存在着巨大的缺陷：储能不高、寿命不长、安全性不高、污染严重，所以业内也一直在寻找代替铅酸电池的新的电动自行车的电池的新材料。在安全性好、循环性能好、比容量高的新型价廉正极材料的发展的推动下，电动自行车用的锂离子蓄电池已接近实用。在国家政策的支持下具有无铅环保的锂离子电池必将是未来电动自行车的发展的趋势。参考文献 1 田民波.薄膜技术与薄膜材料M.北京:清华大学出版社