化学电源前沿技术概述

1、化学电源技术新进展刘兴江10月10日化学电源前沿技术概述第1页提 纲一、化学电源概述二、锂系列电池高比特征化三、电化学电容器研究进展四、燃料电池技术介绍五、固态锂电池与新型化学电源六、结束语化学电源前沿技术概述第2页概 述-概念与内涵电能源： 电能源是各种能量直接转换为电能装置。包含化学电源、物理电源及控制系统等。化学电源前沿技术概述第3页概述电能源产业链Materials6.03 Billon $Cell13.6 Billon $Pack & System19.6 Billon $ApplicationsYear 化学电源前沿技术概述第4页概述消费电子需求100W10WWmW化学电源前沿技术

2、概述第5页概述动力市场需求数据起源：吕学隆博士化学电源前沿技术概述第6页智能电网“发电、输电、配电和用户”各步骤对储能规模经典要求 概述储能应用需求WkWMWGW备份电源，UPS可再生能源智能电网照明化学电源前沿技术概述第7页2030年前二次电池技术-DOE化学电源前沿技术概述第8页日本“第53届电池研讨会”2035年前二次电池技术-日本化学电源前沿技术概述第9页Gen1Gen 2Gen3200Wh/kg 或以下（HEV/PHEV/EV)300Wh/kg (PHEV/EV)500Wh/kg(EV)Separator：PP、PE及其复合膜、改性隔膜、PI等；Electrolyte：高电压电解液、

3、高安全性电解液等。注：以电池单体计硫空气金属（锂金属等）镍钴锰、镍钴铝富锂层状锰基等固溶体材料锡基/硅基等合金类复合材料碳材料锰酸锂磷酸铁锂锰酸锂/镍钴锰锰酸锂/镍钴铝炭材料钛酸锂高电压锰酸锂超级电容器快充中国动力电池发展规划3元/Wh2元/Wh1元/Wh化学电源前沿技术概述第10页二、锂系列电池高比特征化化学电源前沿技术概述第11页等能量曲线E = C x VLNMO or LMP / Si-C高电压化高容量化化学电源前沿技术概述第12页锂原电池比能量比较化学电源前沿技术概述第13页锂氟化碳系列电池与其它锂原电池比较化学电源前沿技术概述第14页Fluorinated Carbon Nanos

4、pheres (LiCFx)nElectrolyteTheoretical Capacity(mAh/g)Fluorinated CNSCapacity at 2.0V (mAh/g)Fluorinated CNSCapacity at 1.5V (mAh/g)1M LiBF4 PC:DME (1:1)8507278040.5M LiBF4 PC:DME (2:8)850760832Spheres maintain surface morphology after fluorinationx = 0.96 (gravimetric) x = 1.04 by NMRThermally stabl

5、e to 400C by TGA analysisElectrochemical performanceSteve LipkaUK-ANL Center高性能球型锂氟化碳化学电源前沿技术概述第15页氟化碳表面修饰效果化学电源前沿技术概述第16页17Ah15Ah, 3A放电化学电源前沿技术概述第17页1Ah-45Ah, 650Wh/kg2X Runtime Coin, Pouch, Wound Cell Capability85 Ah to 90 mAh Cell CapacityContour Energy Systems, Inc化学电源前沿技术概述第18页高功率Li/SVO-CFx三明治结

6、构电池化学电源前沿技术概述第19页Cathode MaterialSpecific Capacity (mAh/g)Potential（V. Li/Li+）Ddiff.（cm2/s）Specific Energy of Cell with Carbon（Wh/kg）CostSafetyLCO140-1603.7-3.9*2.6x10-8160-220HighBadNCA170-2003.610-8-10-9180-240HighBadLiMn2O4110-1203.810-980-100LowExcellentLFP130-1503.410-1290-120LowExcellentLMP130

7、-1454.110-16120-150LowExcellentLiNi0.5Mn1.5O4140-1504.78.2510-9200-220LowBetterLi(NiCoMn)O2150-2203.6-3.9*10-12160-200HighBetterLi2MnO3-LNMC260-3203.5-3.7*Sn-Co SiO Li2.6Co0.4N Li Table Comparison of specific capacity for various negative active materials.锂离子电池负极材料化学电源前沿技术概述第21页Si插层石墨烯负极技术化学电源前沿技术概述

8、第22页400Wh/kg锂离子电池技术化学电源前沿技术概述第23页东芝SCiB动力电池技术安全性 負極酸採用熱強安全金属析出長寿命 寿命：，回急速充電 充電時間分低温特征 使用可容量： 化学电源前沿技术概述第24页快充及低温充电用硬碳化学电源前沿技术概述第25页高功率化学电源研发水平化学电源前沿技术概述第26页各种正极材料倍率特征 10C-rateMaterialVoltageCapacity 1CCapacity retention 10CMax. CapacityLNCA3.719790%177（10C）LMO3.812098%112（20C）S-LMNO4.814098%78 (167C

9、)L-LMNO4.314079%111（10C）IE-LMNO4.222077%150(15C)LMFP3.314071%100（10C）LMP4.515070%110（10C）10C rateLNCA 650Wh/kgS-LMNO 650Wh/kgVoltage 10C4V，160mAh/g4.3V，150mAh/g4.6V，140mAh/g化学电源前沿技术概述第27页SAFTVL-VFe高功率锂离子电池 化学电源前沿技术概述第28页 比能量E = CV2/2m式中E，C，V，m分别为混合电容器比能量、容量、电压和质量。计算混合电容器容量时，C最大值靠近于理想极化电极容量，而传统电容器容量约

10、为其电极容量1/2（1/C=1/Cp+1/Cn, CpCn），所以电化学混合电容器最大容量靠近等重量传统双电层电容器容量2倍；而且电化学混合电容器电压基本上由理想极化电极决定，则其平均电压也约为双电层电容器2倍，电化学混合电容器比能量可靠近双电层电容器2x22=8倍。假如选择适当电化学混合电容器活性材料，使电容器电压更高，则其比能量可到达双电层电容器8倍以上，即20-50 Wh/kg。混合储能装置例一侧采取活性炭AC；另一侧采取锂离子电池材料化学电源前沿技术概述第29页LIC与超级电池/10/10化学电源前沿技术概述第30页比能量： 400Wh/kg （Envia）比功率：10kW/kg （S

11、AFT）寿命：6000-8000次（100%DOD,Toshiba, Altaino ）低温性能：-60oC （NASA）高温性能：100oC （SAFT）安全性：3C10V过充等测试经过故障率：ppb级（SONY）国际上锂离子电池技术水平化学电源前沿技术概述第31页Li-S, Li-Air电池，新型离子电池Na, Zn, Mg, F离子电池，美国PolyPlus企业推出800Wh/kg水系Li-Air、及1300Wh/kg锂水电池，日本产业技术研究部门锂-空气电池在空气中以0.1A/g放电率能够连续放电20天高比能水系锂电池展示锂水电池锂空电池高比能水系锂电池展示Li-S电池2Li+S8(s

12、olid)=Li2S8(solution)2Li+Li2S8(solution)=2Li2S4(solution)2Li+Li2S4(solution)=2Li2S2(solid)2Li+Li2S2(solution)=2Li2S (solid)化学电源前沿技术概述第32页Li-S二次电池化学电源前沿技术概述第33页Li-S二次电池化学电源前沿技术概述第34页Li-S二次电池化学电源前沿技术概述第35页Li-S二次电池化学电源前沿技术概述第36页Electrochemical performance of sulfurTiO2 yolkshell nanostructures. (a) Cha

13、rge/discharge capacity and Coulombic efficiency over 1,000 cycles at 0.5 C. (b) Capacity retention of sulfurTiO2 yolkshell nanostructures cycled at 0.5 C, in comparison with bare sulfur and sulfurTiO2 coreshell nanoparticles.Li-S二次电池化学电源前沿技术概述第37页The Li-S cell with Nafion coating starts with a highe

14、r storage capacity and this capacity is retained to a large extent over many cycles.Li-S二次电池化学电源前沿技术概述第38页水溶液体系可充锂电池0.5 mol l-1 Li2SO4 比能量：446 Wh kg-1安全性：良好循环寿命：1000次快速充电：数分钟Nature, Scientific Reports化学电源前沿技术概述第39页Japans RIKENOCV: 3.8 V versus Li+/Li E.D.: 0.33kWhkg1水溶液Li-I2二次电池 化学电源前沿技术概述第40页金属燃料电池

15、技术 轻金属轻金属燃料电池，负极可用锂、镁、铝或合金；正极选择范围比较宽，能够是空气、氧气、H2O2等活性材料，体系电压伴随正极材料不一样而改变，最高电压可达3V以上，实效电池比能量可到达500-800Wh/kg。 美国PolyPlus企业报道了锂海水电池比能量可达1300Wh/kg。其在锂(镁)/海水、锂(镁)/H2O2电池研究正得到美国海军支持，计划用于水下推进器动力(UUV)。 化学电源前沿技术概述第41页三、锂离子电池安全性化学电源前沿技术概述第42页波音-787锂离子电池安全问题化学电源前沿技术概述第43页锂离子电池不安全原因材料原因单体原因系统原因应用原因材料热稳定性及放热量；材料

16、中金属杂质；负极表面析锂（大电流、低温充电，负极衰降）机械：震动、跌落、碰撞电气：接线、结露、腐蚀等一致性：BMS失效；单体隔离，散热；N/P比设计，电解液量及分布；安全阀（包含开口位置）；极板体积改变隔膜表面导电粉末；正负极错位，正负极毛刺；注液干区；工艺原因化学电源前沿技术概述第44页日本催化剂，使用LiFSILIB1.0MLiPF60.2MLiFSI添加場合、維持率80超.分子量187g/mol、伝導度9.8mS/cm、熱分解温度308、最大半径0.35nm。現在、電解質用LiPF6、分子量152g/mol、伝導度8.0mS/cm、熱分解温度154、最大半径0.27nm。化学电源前沿技术

17、概述第45页阻燃及灭火添加剂化学电源前沿技术概述第46页Continuous ceramic coating(alumina, zirconia, silica)Non-woven support(Polyethylene terephthalate)SEPARIONFlexible ceramicbattery separator陶瓷修饰隔膜SEPARIONplus化学电源前沿技术概述第47页*纳米纤维纸隔膜特点组成：PET+纤维素特点：耐高温200oC吸液快而多低阻抗成本低化学电源前沿技术概述第48页180oC耐温测试化学电源前沿技术概述第49页性能指标名称聚酰亚胺隔膜PPPEPP三层隔膜

18、介电常数3.42.2介电损耗10-310-2透气性140ml/in2140ml/in2 热收缩MD03500.0885热收缩TD03500.0885孔隙率90%42%熔解温度 500175穿刺强度2.5N2.5N江西先材PI纳米纤维隔膜与传统PPPEPP三层隔膜对比PI纳米纤维隔膜化学电源前沿技术概述第50页Conventional PTC: adhered on battery case, slow to response the inner temperature change.TSE : Directly sensing the inner temperature of the LIBs

19、 and adjusting its resistance to shutdown the current flow reversibly.PTC material: Epoxy +CLiCoO2PTClayerAl foilThe dependence between electric resistance and temperature of epoxy-based PTC, epoxy: 30%, solidifying: 30%, carbon black: 40%.A cross-section image of the PTC electrode含PTC层电极结构化学电源前沿技术概

20、述第51页Toyota Prius Alfa电池组成本=USD$1.322/Wh52化学电源前沿技术概述第52页四、固态化锂电池及新型化学电源化学电源前沿技术概述第53页SE(LiPON, LiPS,LATP,LLZO)Thin film or Micro CellLi-S secondary CellLi-LMO Secondary CellAqueousLi Battery固体电解质在锂电池中应用化学电源前沿技术概述第54页采取超离子导体全固态LIB化学电源前沿技术概述第55页Toyota未来 EV用全固态LIBVoltage: 3.6V414.4VLiCoO2/Thiolithicon/

21、Gr. 化学电源前沿技术概述第56页固态薄膜电池技术 化学电源前沿技术概述第57页美国国家航空和宇宙航行局 （National Aeronautics and Space Administration ）NASA s Jet Propusion Laboratory, pasadena, californiaRechargeable Microbatteries With Li Anodes Formed In Situ ：These batteries would offer advantages with respect to safety and manufacturability. 将

22、全固态薄膜锂离子电池与太阳能电池相结合，利用微机械系统，研制在微型卫星上需要高度集成化柔软集成电源模块。 一体化电源技术化学电源前沿技术概述第58页微电池应用 化学电源前沿技术概述第59页全固体二次電池、半導体製造応用気相製造可能。電源用途向正極酸、負極金属、固体電解質硫化物系用。電池製造、気相行半導体製造応用。展示電池5mm角、電力容量数百Wh。固态微电池化学电源前沿技术概述第60页采取MEMS技术三维固态锂电池 实现SOC一体化集成化学电源前沿技术概述第61页 Harvard University3D打印技术用于制备微电池 2.7 mW cm 2The electrodes are pri

23、nted 60m wide with 50m between each interlocked electrode化学电源前沿技术概述第62页全固态锂空气电池 其关键技术其一是采取LAGP玻璃陶瓷固体电解质，其二是采取该电解质与碳纳米管烧结而成空气电极。该电池放电电压约为2.5 V左右、空气电极放电比容量约为1 700 mAh/g，实效样品电池比能量可比锂离子电池提升3-5倍。日本AIST, Energy & Environmental Science化学电源前沿技术概述第63页Capacity: 2.11AhOCV: 3.3VEnergy density: 1665.5Wh/kg。水溶液锂电池技术18所化学电源前沿