电池的未来技术

1、江苏华东锂电技术研究院 新能源汽车电池的未来方向 清华大学核研院锂离子电池实验室 何向明 2013.5.23 江苏华东锂电技术研究院 电驱动车辆电驱动车辆 江苏华东锂电技术研究院江苏华东锂电技术研究院 面向汽车用途的电池开发 汽车用途今后将迅速扩大，因此电池开发也开始发 生巨变。不仅是高容量化，从安全性和寿命的角度 出发，全固体电池开始受到关注。此外，由于资源 问题，钠离子电池的开发加速。 江苏华东锂电技术研究院 钠离子电池 钠在地壳中储量丰富，约占 2.74%，为第 6丰富元素，且分布广泛 钠具有和锂相似的物理化学性质，期望室温钠离子电池具有与锂离子电池相 似的性能 2005年，九州大学的研

2、发小组采用-nafeo2为正极材料，实现了钠离子的可 逆脱/嵌，放电平均电压高达3.3v，由此开启了室温钠离子电池的广泛研发。 目前，室温钠离子电池关键材料的研究获得持续进展，电池容量不逊色于锂 离子电池。 江苏华东锂电技术研究院 理论能量密度为180wh/kg（基于正负极活材料的质量计算） 中科院物理所的钠离子电池 江苏华东锂电技术研究院 u 负极：低成本活性炭，具有电化学电容效应； u 正极：na0.44mno2，倍率性能良好； u 电解液：na2so4中性水溶液； u 隔膜：无纺布； u 极板厚度为几毫米；聚丙烯外包装，方形叠堆结构； u 30wh，可用电压为0.5-1.8v 美国aqu

3、ion energy公司 $300/kwh，锂电成本1/3； 5000次保持率85% 江苏华东锂电技术研究院江苏华东锂电技术研究院 东京理科大学试制的钠离子电池 江苏华东锂电技术研究院江苏华东锂电技术研究院 材料成本为锂的材料成本为锂的2020分之分之1 1 钠离子电池成本将是锂离子电池的一半钠离子电池成本将是锂离子电池的一半 江苏华东锂电技术研究院江苏华东锂电技术研究院 从论文发表量看研究方向 江苏华东锂电技术研究院江苏华东锂电技术研究院 电池开发路线图 江苏华东锂电技术研究院江苏华东锂电技术研究院 钠电池，从正极到固体电解质钠电池，从正极到固体电解质 江苏华东锂电技术研究院江苏华东锂电技术

4、研究院 钠电池，硬碳负极钠电池，硬碳负极 通过改变电解液提高充放电循环特性 江苏华东锂电技术研究院江苏华东锂电技术研究院 正极采用nani1/2mn1/2o2、负极采用硬碳 高速充放电特性出色的钠离子充电电池 江苏华东锂电技术研究院江苏华东锂电技术研究院 铁类层状正极材料na2/3（fe1/2mn1/2）o2 比容量为190mah/g 江苏华东锂电技术研究院江苏华东锂电技术研究院 高电压钠离子电池高电压钠离子电池 na4co3（po4）2p2o7 江苏华东锂电技术研究院江苏华东锂电技术研究院 钠离子全固体电池 固体电解质采用na3ps4 na3ps4: 钠离子导电率为10-4 s/cm nas

5、icon：anm2(xo4)3 (a=碱金属，m=过渡金属，x=si4+、p5+、s6+等） na1-xzr2sixp3-xo12(0 x500 商品锂硫电池 江苏华东锂电技术研究院 美国： polyplus公司 sion power公司 英国：dxis公司 德国：basf 公司 韩国：samsung公司 拥有100余项美国及国际专利 2010年7月，太阳能电池充电、锂 硫电池放电，无人机连续飞行14天 的记录：350 wh/kg 美国doe资助sion power 加强锂 硫电池研究 锂硫电池产业动态 江苏华东锂电技术研究院 li/s 软包装电池： 2ah电池比能量为250wh/kg 60次

6、后容量保持率为70% 首次循环效率为86% xm he et al., ecs transactions, 2(2007) 47 hitachi maxell: 750mah/g (cs1.5)n 硫化聚丙烯腈：600-900mah/g xie jy, yang j, wang jl et al. he xm, wang l et al. 硫化聚合物：中国的研究实力最强 硫化导电高分子 江苏华东锂电技术研究院 1.sulfur composite 2.span 3.span-composite polyacrylonitrile (pan) structure and mechanism ar

7、e not clear poly(pyridinopyridine) pyrolytic pan matrix + nano sulfur 1. nano-composite 1.wang jl et al. adv. funct. mater. 2003,13, 487; 2.wang jl et al. adv. mater. 2002, 14, 963; 3.wang jl et al. j. power sources , 2004,138,271. 1.yu xg et al. j. electroanal. chem. 2004, 573, 121. 2.yu xg et al.

8、j. power sources 2005, 146, 335. 2. sulfurized polymer (span) conductive chain + grafted sulfur fanous j et al. chem. mater. 2011, 23, 5024. 3. span - nanocomposite sx side chains change into nano-sulfur after 1st cylce 硫化聚合物-span 江苏华东锂电技术研究院 有机电极材料 低成本，易于大规模生产 容量最大提高到容量最大提高到1000mah/g 江苏华东锂电技术研究院 有机

9、电极材料 江苏华东锂电技术研究院 水热法磷酸铁锂 特点：特点：(1)反应物在分子水平混合反应物在分子水平混合 (2)超细颗粒超细颗粒 (3)择向生长择向生长 （4）易于连续化生产）易于连续化生产 （5）易于控制产品质量的稳定）易于控制产品质量的稳定 （6）无污染）无污染 （7）低能耗）低能耗 （8）成本低廉，）成本低廉，3-5万元万元/吨吨 韩华化学、清华大学韩华化学、清华大学 南方化学、四川大学南方化学、四川大学 河北工业大学、天津斯特林河北工业大学、天津斯特林 江苏华东锂电技术研究院 水热法是典型的“化工厂” 江苏华东锂电技术研究院 水热法磷酸铁锂材料性能 首次充电容量 (mah) 首次放

10、电容量 (mah) 0.2c放电比容 量(mah/g) 内阻（mohm） 德国南方化学p1 （磷酸铁法） 34373177138.922.6 台湾长园 （铁红法） 33522980128.011.3 德国南方化学p2 （水热法） 34493345144.219.2 河北工业大学35103386142.018.6 1.1.容量和内阻容量和内阻 测试条件：26650型电池，25c。 江苏华东锂电技术研究院 国产水热材料性能 容量保持率%容量恢复率%内阻增加率% 德国南方化学p1 93.1694.164.6 台湾长园 96.997.6- 德国南方化学p2 93.2794.0810.4 河北工业大学

11、96.2397.102.9 3.3.高温储存性能（测试条件：高温储存性能（测试条件：6060c c，7 7天，天，1c1c放电）放电） -20 c0 c25 c45 c 德国南方化学5 台湾长园506590100 德国南方化学p28594100100.3 河北工业大学8392100100.6 2.2.温度敏感性温度敏感性（以不同温度下的容量保持率计，%） 江苏华东锂电技术研究院 国产水热材料性能国产水热材料性能( (测试电池：测试电池：2665026650型型) )（续）（续） 优秀的倍率性能：优秀的倍率性能：0.2c充电，倍率放电，容量保持率（充电，倍率放电，容量保

12、持率（%）：）： 0.5c-99.14, 1.0c-98.46, 3c-98.00, 5c-97.6, 8c-93.14 4. 倍率性能倍率性能 江苏华东锂电技术研究院 国产水热材料性能国产水热材料性能( (测试电池：测试电池：2665026650型型) )（续）（续） 优秀的高低温性能：优秀的高低温性能：-20 82.99%-20 82.99%， 0 93.22%0 93.22%， 10 96.69% 10 96.69%， 45 100.60%45 100.60% 5. 高低温性能高低温性能 江苏华东锂电技术研究院 32 competitorhcc lfp high capacityhigh

13、 powerlong life 020406080100120140160180 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 lfp100315-2 cs1 hm(l) n 11:3512:35 feed30% air6bar 750 rhk 0.1c/0.1c 0.1c/0.1c 0.2c/0.2c 0.2c/0.5c 0.2c/1.0c voltage (v) capacity (mah/g) 江苏华东锂电技术研究院 清华大学纳米磷酸铁锂 nano lett., 2012, 12 (11), pp 56325636 江苏华东锂电技术研究院 (100) - 纳米化纳米化 类球形纳米颗粒类球形纳米颗粒 d1 d2 前景展望前景展望 纳米化提高性能纳米化提高性能 理理 论论 形形 貌貌 择择 向向 生生 长长 一维纳米颗粒一维纳米颗粒 010010方向方向 d d2 2d 3,500 吨吨/年 (global market share: 5%) 15,000 吨吨/年 (global market share: 20%) * market share: m/s of cathode materials for mid & large scale lib 江苏华东锂电技术研究院 结论 u钠电池将成为锂离子电