动力锂离子电池现状、安全性及寿命评测.doc

动力锂离子电池现状、安全性及寿命评测本文由在他乡5382贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 动力锂离子电池现状、安全性及寿命评测 2011汽车动力电池国际研讨会 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com 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 Institute of New Energy Technology INET, Tsinghua University 内容 ? ? ? 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 清华大学核研院锂离子电池实验室介绍 20 杰 11 汽 腾会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University Institute of Nuclear and New Energy Technology Tsinghua University 20 杰 11 汽 腾会 车动 务ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. The Great Wall Ming Tombs com The Institute ? Less than 50 minutes drive 45 km Tsinghua Beijing Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 2 R&D011汽 杰 battery Lithium ion腾会 务 车动 力电 Fuel Cell ww ge 池研 w. to p- 讨会 even t. com Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 燃料电池实验室 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 锂离子电池实验室 ? ? ? ? 杰 1 汽 学术带头人：姜长印、万春荣 20 会 车动 1 腾 w 力 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 务 .g 王 莉、任建国、李建刚、高 剑 研究骨干（硕士）：武玉玲、冯丽娟、张丽春、孙文婷、陈敏 实验室技师：陈克勤、常彩霞、李智敏、康建峰、杨兆卫、史波 博士生、硕士生：10-15名 池研 op 讨会 et ve -e .c nt om Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 锂离子电池研究概况 材料合成，机理诊断，电极/电池工程化，数学模型 从纳米尺度到微米尺度，再到毫米尺度 20 杰 11 汽 腾会 车动 务ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com 负极 正 极 结构 性能 电极 结构 新工艺 新材料 电池 结构 电极制造 电池制备 电极 模型 材料合成 材料修饰 表面/界 面化学 高性能 锂电池 电极 电池 模型 模型 安全性 长寿命 Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com 动力锂离子电池的现状 Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 目前市场上的混合动力车 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com Toyota Camry Toyota Prius Toyota Highlander Honda Insight Honda Civic Honda Accord Lexus RX400h Lexus GS450h Chevy Silverado Saturn Vue Ford Escape more and more Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 混合动力车 20 杰 11 汽 腾会 车动 务ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. ADVANCED ENGINE ELECTRIC ACCESSORIES com PETROLEUM ONLY 76hp gasoline engine, 67hp electric motor, 1.5kWh battery Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 插电式混合动力车 ADVANCED ENGINE ELECTRIC ACCESSORIES Fuel Flexibility 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com PETROLEUM AND/OR ELECTRICITY BATTERY RECHARGE 76hp gasoline engine, 67hp electric motor, 9.0kWh battery (30mi) Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 混合动力车的实际节油效果 1 会 w. 40 Conventional 35 350 300 400 Percentage of Vehicle Fleet In Use (%) 30 25 20 15 Cumulative Fuel Consumed (gallons) PHEV40 CV HEV PHEV20 PHEV40 $3.45 $2.48 $1.58 $1.21 $0.48 $0.72 9.1 6.5 5.4 5.1 8647 total miles driven ? 共行驶8647英里 37 mpg 58 mpg & 140 Wh/mi 250 200 150 Assumes $2.41/gal and 9/kWh 10 5 100 76 mpg & 211 Wh/mi 50 PHEVs: 40% reduction in operating costs $500 annual savings 0 0 5 10 15 20 25 0 30 Time of Day (hr) Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 电动车对动力电池的需求在持续增长 20 杰 1 汽 1 腾会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com E-Transportation is the most significant technological revolution after the cellular and the internet. 电动交通是移动电话和互联网后的最重要的技术革命 。 Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 规模储能是动力电池的又一重要市场 Manage fluctuations in electricity demand. 平抑电网波动。 ? MW reserve power plants. 兆瓦级储能电站。 ? Manufacturers to take a part: A123, Altairnano, Enerdel, Electrovaya, International Battery, Ultralife, Valance, Saft. BYD 20 杰 1 汽 1 腾会 车动 务ww 力电 w. ge 池研 to p- 讨会 ev en t. com 磷酸铁锂电池固定储能电站 钛酸锂电池移动储能电站 Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 动力电池的现状 High power 高功率(10C)- 84 manufacturers, 1500 ? Ultra High power 超高功率(20C)- 19 manufacturers, 杰 腾 2011汽 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 opdifferent cell models.t e讨会 ve 120 different cell models n .t.co m Market grow of 15% CAGR(复合年均增长率) per year driven by the EV growing market, Cell costs are decreasing by 8% per year (Source: IIT). Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University Far-East manufacturers dominate the market 20 杰 11 汽 会 动 位 中日韩在动力电池制造方面占支配地务 车 力 腾 ww w. 电池 geto 研讨 p- ev 会 en t. com 台湾 Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 动力电池的包装方式 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even Poucht . com cells Cylindrical cells 较好的传热 安全性好 使用寿命长 Prismatic cells Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 功率最高的磷酸铁锂电池 Cell Size mm Cap Ah Cycle life Temp range Weight gr Weight energy density Wh/Kg 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to 讨 会 p Volume ev Volume Weight en energy constant powert. density co power Wh/L m density density W/Kg W/L A123AHR18700M1UL TRA A123AHR32157M1HD SaftVL12V D=18 L=70 D=32 L=157 D=47 L=173 0.7 1000to 90% 1000to 80% 500to 80% -10to 100 -30to60 38 60 129 10855 23169 10 304 640 108 67 261 144 10855 8437 26148 18000 12 -30to60 See also Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 单体电池容量最高的高功率动力电池 杰 2011汽 腾 务 Cell Size mm Cap Ah Cycle life Temp range w. Weight Weight Volume gr energy energy density density density Wh/Kg Wh/L W/Kg t t. density W/L Beijing China Powerel 北京中润恒动电 池有限公司 Lionik 深圳市龙锂实业 有限公司 850 x 560 x 71 255 x 145 x 55 200 500 to 80% 7000 102 21 1028 213 100 500 to -20 80% to 60 3600 105 186 1055 1868 Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 功率最高的18650电池 Cell V Cap Ah Cycle lifeto 80% Weight gr Weight energy density Wh/Kg 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 Weight 力 Volume ww energy powerw. density ge Wh/L t density W/Kg Volume power op-density 研讨会 ev W/Len Advancedbattery factory1201007 Q-LiteIndustrial ICR18650HH CENSEnergyTechCo 18650P AmericanLithiumInc No-P.N HenanBideliEnergy ICR18650P Samsung INR18650-15R 3.3 3.7 3.2 3.2 3.7 1.2 1.3 1.1 1.5 1.4 1000 500 2000 2000 500 43 40 45 34.3 38 92 120 78 140 136 239 275 212 290 306 5525 14372 3006 2844 2798 2726 2000 6885 7742 5806 6129 5443 m High competitive market with almost45 different cell models 50 3.6 1.5 500 120 326 Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 操作温度最高的动力电池 Cell V Cap Ah Cycle lifeto 80% 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 ev Volumeen Volume Weight t. c energy power powerom density density density Wh/L W/Kg W/L High oper. Temp. c 125 90 Weight energy density Wh/Kg 123 80 Saft VL32600-125 AdvancedBattery Factory 3.2v/60ah 4.2 3.6 4 60 200 3000 259 127 61 666 129 1060 EV needs batteries with up to 80C high temperature operating range m Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 快速充电动力电池 20 杰 11 汽 腾 会 车动 StandardCharge QuickCharge FastCharge 电池 力 to 研讨 UltraFastChargeww p- ev 会 ent. w. 务 C/3 C/3,2C 10C 快速充电 (up to 5 min, 80% capacity) 是解决电动车续驶里程 短问题的最经济的方法。road charging stations. com Current Market Ultra fast charging cell CellI.D GPLbattery,GE32AH-02,32AH GAIAUHE-341440, 7.5AH ToshibaSCiB Wh/Kg 93 84 65 Charge Rate 9.38C 16C 11.9C Cycle Life 500 500 6000 Ultrafast charge Station Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University Lithium Manganese oxide Spinel cathode - LMO ? Lithium Titanate Oxide anode LTO ? Recharge to 90% of full capacity in less than 5 minutes. ? Excellent safety because of high level anode stability. ? 6000 cycles of full D.O.D to 90% of initial capacity. ? Low temperature discharge from -30C. ? SCIB is currently available on the Schwinn Tailwind electric bike. 2.4Voc 65 Wh/Kg 131 wh/l 650 W/Kg 1316 W/l Toshiba Super Charge Lithium Ion 20 杰 11 汽 Battery - SCiB 腾 车 会 务 动力 ww 电池 w. geto 研讨 p- ev 会 en t. com VW & Toshiba /ind/data/tag_files/SCiB_Brochure_5383.pdf Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 下一代锂离子电池动力电池 1st Generation Li-Ion Chemistries Will 20 杰 11汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even com dominate the rechargeable market for the near and mid future. 2nd Generation Li-Ion Chemistries Better performance - Up to 300 Wh/kg with fast recharge. - Wider operating temperature range. - Fast Charging. ? Improved safety. ? Reduced cost. 锂空气电池？ Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 动力电池的安全性问题 动力电池的安全性问题将影响其市场命运 com 20 杰 11汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. If it is not safe it will not survive Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com 锂离子电池的安全性 Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 安全性问题引起的损失 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University Safety cases 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University Safety cases 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 安全性的概念 滥用安全性 abuse thermal runaway Mechanical 机械的 ? crush, nail penetration 挤压、针刺 Electrical 电的 ? short circuit, overcharge 短路、过充 Thermal 热的 ? thermal ramp, simulated fire 热箱、火烧 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com 现场安全性 field failure thermal runaway Manufacturing defects 由制造瑕疵引起 ? Loose connection, separator damage, foreign debris 连接问题、隔 膜损坏、粉尘 ? Can develop into an internal short circuit 随机发生，引起内短路 ? Can lead to overheating and thermal runaway 引起过热与热失控 Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 滥用安全性 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 现场（随机）安全性 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 两种安全性概念的差异 滥用安全性 Predictable 可预测的 Common to all cells 对每 一个电池 Can/should be evaluated at the cell level 可以通过 测试进行评估 Time constants relatively long 发生过程较长 Can be augmented by protection devices 可以 通过保护措施进行改善 现场安全性 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com Not predictable 不可预测的 One-in-a-million (or less) 随 机小概率发生 Difficult to evaluate at the cell level, or through QC 无 法通过测试进行评估，也不 能通过质量管理来完全消除 can occur quickly 发生很突 然 PTC, CID, shutdown separators, electronic controls not are effective 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 Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 锂离子电池安全性 发生安全事故的锂离子电池，之前均通过UL安全认证。? 对于笔记本电脑电池，发生概率在几百万分之一。 20 杰 11 汽 腾会 车动 务ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com 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。 Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 锂离子电池的安全性 Major effort has been payed to improve the ways we address safety in lithium-ion batteries, however serious safety incidents can always occur. 20 杰 11 汽 腾会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com 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。 ? The battery community does not have adequate tests to evaluate safety as it relates to the safety incidents that have taken place or could take place. ? 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。 Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 锂离子电池安全性 900 800 热失控的机理 826.2 0.8 Ah 钴酸锂手机电池 700 Energy Released (J) 600 500 400 300 200 100 0.9 0 Anode/Binder Anode/Solvent SEIDecompn Cathode Breakdown Separator Oxidn 249.9 378 292.5 20 杰 1汽 腾会 1 车 务 动力 ww 电池 w. geto 研讨 ev 会 pen t. com 640 73.71 Solvent Oxdn JouleHeating Cathode Cathode Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 负极材料的安全性改进 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 正极材料 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University Heat release 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University Safety of cathode Materials 杰 20 1 腾 会 1 汽车 动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 隔膜 影响电池安全性的重要指标 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. Shutdown performance 隔膜关闭的温度范围 ? Strength and physical integrity 抗压机械强度 ? Shrinkage allowance 热收缩率 com Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 电解质 ? ? ? Solvent，non-flamable Salts，high decomposition temperature Additives，Flame-Retardant Gel electrolyte 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 凝胶电解质 凝胶电解质的放热量与放热速率 P(VdF-HFP)凝胶电解质在 . 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t mo 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。 Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 锂离子电池的安全性是一个复杂的系统问题 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com 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。 Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 正极材料包覆 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 钴酸锂包覆磷酸铝 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com 5-10nm AlPO4 自制安 全性手 机电池 过充电前 过充电试验 未燃烧、未爆炸。 过充电后 市售品牌电 池电芯 过充电 Institute of New剧烈燃Technology, INET, Tsinghua University Energy 烧 高性能高安全性动力电池 采用正极材料表面与界面控制技术、电解质添 加剂等技术，制备出高安全性动力电池。 20V过充 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com 安全 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， 很好的倍率性能 Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 20 杰 11 目前市售三元动力电池的过充电汽车动 腾 会 充电到5.2V时，发生剧烈燃烧 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 目前市售三元动力电池 充电到4.15V，加热到120，发生剧烈燃烧 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 锂离子动力电池的使用寿命 20 杰 1 汽 1 腾 会务 车动 ww 力电 w.ge 池研 to p- 讨会 even t. com 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） Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 电池循环寿命 20 杰 11 汽 腾 会 车动 ? PHEV battery likely to deep-cycle each day driven: 15 yrs equates to 4000-5000 deep cycles 务w 力 ? Also need to consider combination of high and low frequency cycling and calendarwlife 电池 geto 研讨 p- ev 会 en t. com 70% 50% 4000 Data presented by Christian Rosenkranz (Johnson Controls) at EVS 20, 2006 Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 电池占电动车成本比例 Projected Retail Powertrain Costs - Midsize Sedans 1) including manufacturer and dealer markups 2) all component costs assume projected status $18,000 $16,000 $14,000 $12,000 $10,000 $8,000 $6,000 $1,998 $4,000 $2,000 $CV HEV PHEV20 PHEV40 $4,005 $2,865 $1,992 $2,004 $2,020 $2,433 $2,407 $2,454 charger/plug battery motor/inverter transmission engine $663 20 杰 11 汽 腾 会 车动 务 ww 力电 w 60% 52% . 40% 研 poteg 池 -e ve会 nt .c om $663 25% $5,117 $8,433 $2,079 $2,919 $3,002 Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 动力电池的使用寿命 电池的成本占整个电动车成本的2560%。是一个 非常重要的零部件。 com ? 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