锂离子电池生产

锂离子动力电池内容前言1234动力与储能电池技术概况锂离子电池及其发展研究工作介绍内容1前言ET时代新能源核能风能氢能生物能海洋能能源危机金融危机生态危机低碳经济太阳太阳能新能源产业新能源产业的发展与挑战温家宝总理在2009年11月3日讲话指出：我国要致力发展五大新兴战略性产业，抢占经济科技制高点。发展新能源列在首位全球：第四次工业革命——新能源革命风起云涌美国奥巴马“能源新政”：通过新能源产业革命的方式再造美国经济增长，再续美国在高科技领域的垄断和霸主地位新能源革命驱动的绿色经济浪潮席卷大地，德国和法国都在大力发展新能源汽车欧洲中国ElectronicandHybridElectronicVehicles我国现状：与发达国家几乎同时起步，国家大力扶持，有望将来参与国际竞争。内容2动力与储能电池技术概况电动车的关键技术在于：电池技术动力–

储能电池

燃料电池氢能动力二次电池锂离子电池超级电容器储能电池燃料电池二次电池超级电容器能量类型化学能电能化学能电能能量传送能量储存与转换开放系统密闭系统电双层应用潜在(商用电源、电动车、发电)广泛(电子器件、电动车等)潜在(电动车等)不同电池比较Drivingrange/kmSpecificPower/Wkg-1Specificenergy/Whkg-1以电动车的生产、运行为主体以动力电池生产为核心的高技术产业群“电动技术产业”正在兴起电动车电动机电控系统动力电池正极材料电源管理供电体系电池回收充电服务电动技术产业能量回收充电设施负极材料电解液资源再生电池复用膜年产500万辆电动车（占一半），年产值万亿元！维持几千万辆电动车运行，年产值千亿元！Points-lines-AreasstructureandtransportationmeanschoiceE-bike050200townBigcityInter-cityBEVSubwayE-busE-RailwayAirlineWaterwayMicroEVE-buskmIndustryProspectofChineseNewEnergyVehicleE-bikeE-bikeNATURE|Vol456|27NEWSFEATURE7November2008风电和光伏电都是不连续的电源，需要解决电能的储能问题。BEV成为分布式储能系统，储能效率可达90%,远高于抽水蓄能电站的效率(70%)。

By2010Windelectricitywillbe5MKW,2020:Windelectricitywillbe3%(30MKw)ofthetotal.2008windpowerreached12.21MKW.内容3锂离子电池及其发展锂二次电池的发展史20世纪70年代，锂一次电池商品化；1980年，Amand提出“摇椅电池”的概念；1990年，SONY公司报道了以碳材料为负极的锂离子电池并最先实现了商品化；1994年，Bellcore公司报道聚合物锂离子电池。LithiumrechargeableBatteries大型化电动汽车电动自行车太阳能发电

动力电池锂离子电池

储能电池风力发电

小型电池电子电器手机通讯传统领域发展趋势发展趋势航空航天锂离子动力与储能电池LoadElectrolytee-e-正极负极Li+Li+ChargeDischargeLixC6Li1-xCoO2

电池:()C|LiPF6-(EC+DEC)|LiCoO2(+)

正极:LiCoO2Li1-xCoO2+xLi++xe-

负极:6C+xLi++xe-LixC6

总反应:LiCoO2+6CLi1-xCoO2+LixC6CDDCDCEC:ethylenecarbonateDEC:

dimethylcarbonate锂离子电池充放电示意图1101001,00010,000100,000020406080100120140160180200SpecificEnergy,Wh/kgatCellLevelLeadacidLeadacid

spirallywoundNi-CdNi-MHLiM-PolymerSpecificPower,W/kgatCellLevelSupercapacitorsLi-ionHighEnergyLi-IonVeryHighPowerLi-IonHighPowerNa/NiCl2Li-IonpoisedtopowerEV,HEVandPHEVapplications

Li-IonreplacesleadacidforStarting,Lighting,Ignition?锂离子电池能驱动HEV和EV吗?只有锂离子电池才能满足电动汽车动力电源需求

谁掌控了锂电池，谁就掌控了未来电动汽车100年锂离子电池能驱动HEV和EV吗?基本的电化学研究方法循环伏安扫描恒电流充放电交流阻抗循环伏安扫描（活性、反应机理、可逆性、循环性）LiMn2O4粉末微电极在a.25℃、1mol/LLiPF6/EC-DMC-EMC(1:1:3byvol.)溶液中的循环伏安扫描图。Fe-Si/C复合物粉末微电极在1mol/LLiPF6/EC+DMC溶液中的循环伏安曲线扫描速度0.5mV/s天然石墨粉末微电极在1mol/LLiPF6/EC-DMC溶液中的前两周循环伏安扫描曲线（υ=1mV/s）

模拟电池恒电流充放电（工作电压容量、循环性）模拟电池结构示意图阻抗（SEI膜、电荷传质等）Fe-Si/C复合物在不同电位下的交流阻抗谱

正极材料MainCathodMaterialsCo-based

LiCoO2Mn-basedLiMn2O4LiNi0.5Mn1.5O4Multi-elementsLiNixCo1-x-yMyO2P-basedLiMPO4

▲

LiFePO4LiNi2/3Mn1/3O2

▲正极材料的要求具有较高的氧化还原电位，使电池输出电压高；可利用活性物质高，容量高；充放电过程中，结构稳定；充放电过程中，氧化还原电位变化小；化学稳定性好，与电解质反应小；较高的电子和离子导电率，大电流充放电性能好；价格便宜，对环境无污染。类别安全性能比容量mAh/g循环寿命/次电压平台材料成本所占成本比重适合领域钴酸锂差145＞5003.6高40%中小型移动电池锰酸锂较好105＞

5003.7低25%对体积不敏感的中型动力电池三元素较好160＞8003.6较高33%中小型动力电池磷酸铁锂很好150＞15003.2低廉25%对体积不敏感的大型动力电源几种正极材料应用优劣势比较目前看来，磷酸铁锂材料最适合制作大型动力电池，已成为世界各国竞相研究和开发的重要方向！锂离子电池关键正极材料负极材料的要求具有较低的氧化还原电位，使电池输出电压高；嵌锂量大，容量高；充放电过程中，结构稳定；充放电过程中，氧化还原电位变化小；化学稳定性好，与电解质反应小；良好的表面结构，形成良好的SEI膜；较高的电子和离子导电率，大电流充放电性能好；价格便宜，对环境无污染。常见负极材料金属锂负极由于锂在溶解沉积的过程中生成枝晶，导致电极的表面积不断增大，新增加的表面由于生成SEI膜导致与集体的接触不良，因此锂的溶解沉积效率较低。充电前充电后碳材料负极碳材料是目前最为理想的锂离子电池负极材料，商品化的锂离子电池采用它为负极，嵌锂碳材料可用LixC6表示，当X=1时达到最高的理论嵌锂量，理论比容量为372mAh/g。石墨和中间相碳微球（MCMB）是实际应用最广泛的两类碳材料。石墨碳微球石墨：层状结构，由碳网平面沿C轴堆积而成，层间距为3.36Å。平面碳层由碳原子呈六角形排列并向二维方向延伸，碳层间以弱的范德华力结合，锂嵌在碳层之间。石墨的实际比容量为320－340mAh/g

，平均嵌锂电位约为0.1VVSLi＋/Li,循环性能好，且价格低廉(<10元/Kg).中间相碳微球：是用煤焦油沥青、石油重质油等在350-500℃温度下加热并分离、洗涤、干燥和分级等过程投篮的平均粒径6-10微米的碳微球，然后于2800℃下进行石墨化热处理制得的碳材料，其外形呈球形，晶体结构同石墨基本一致。MCMB的实际比容量为320－330mAh/g

，平均嵌锂电位约为0.15V(VSLi＋/Li,),首周充放电效率约为88－90％，循环性及大电流性能好循环性能好，但价格昂贵(<300元/Kg).钛酸锂负极Li[Li1/3Ti5/3]O4循环性好，充放效率高（不形成SEI膜）；安全性好，不存在金属锂的沉积。嵌锂－脱锂电位高（1.5VVS.Li+/Li）；比容量低（理论175mAh/g），导致电池比能量下降。由于其较好的大倍率放电特性和安全性，目前在动力电池领域受到关注。内容4研究工作顾问北京大学教授中国科学院院士2005年何梁何利科技成就奖2008年国家最高科学技术奖得主得州大学奥斯汀分校教授美国工程院院士国际锂离子电池之父磷酸铁锂和钴酸锂发明人JohnB.Goodenough

院士徐光宪院士MichelArmand教授法国庇卡底大学教授法国总理府科学顾问锂电池概念提出者之一Phostech公司创始人动力与储能电池实验室简介黄云辉

教授、博导，材料成型与模具技术国家重点实验室副主任，教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，第三届苏州工业园科技领军人才。中国能源学会理事，美国科学促进会会员、美国电化学学会会员。主要从事新型能源材料和磁电功能材料的科研与教学工作。在Science、Adv.Mater.、J.Am.Chem.Soc.、Chem.Mater.等学术期刊上发表论文60余篇，他引近1000次。张五星博士副教授，硕士生导师袁利霞博士副教授，硕士生导师胡先罗博士副教授，硕士生导师动力与储能电池实验室简介J.B.GoodenoughandK.Padhi,J.Electrochem.Soc.,1997,144,1188.OlivineStructure(LiFePO4)HeterositeStructure(FePO4)

(1)倍率性能差；(2)振实密度较小；(3)低温性能差。

理论比容量高(170mAh/g)；电压稳定(3.4V)；循环性能好(寿命长)；成本低；环境友好；安全性好。缺点优点磷酸铁锂正极材料锂离子动力电池关键材料及技术中投顾问：《2008-2010年中国新能源汽车产业分析及投资咨询报告》，预计2012年中国磷酸铁锂需求5.2万吨（100亿元，只计算了新能源汽车，未计算电动工具和电动自行车）。日信证券研究报告：《磷酸铁锂的蛋糕有多大？》

仅对混合动力汽车、电动工具、电动自行车、电动代步车4个领域的电池需求进行测算。保守地按照10-20%的渗透率计算，磷酸铁锂电池全球的市场规模达280亿元，磷酸铁锂需求量达6万吨。A123认为：2010年，全球磷酸铁锂的供给缺口达到10万吨。目前产量与产能：当前全球磷酸铁锂的产能约为1万吨，实际产量不到5000吨，下游需求是当前产能的10倍。磷酸铁锂：市场需求剧增原始专利：

为美国得州大学JohnB.

Goodenough教授所拥有（USPatent5,910,382），目前该专利加拿大Phostech公司（德国南方化学控股子公司）拥有授权，在工业七国有效。

碳包覆专利：

M.

Armand等2001年申请，主要技术是采用碳作为添加剂合成磷酸铁锂，有效地改善了磷酸铁锂的导电性能，提高了材料的可逆容量和大电流充放电性能；该专利加拿大Phostech公司拥有授权。

2008年获中国发明专利授权。离子掺杂改性专利：

2002年MIT的Chiang等申请，主要技术是采用离子（Nb5+、Mn2+）掺杂的方式合成改性磷酸铁锂，大大改进了材料的导电性能，在此技术基础上，成立了A123公司。专利与技术磷酸铁锂发展的关键与瓶颈需解决的问题：(1)倍率性能差；(2)振实密度较小；(3)低温性能差；(4)批次稳定性差。我们的策略性能优化电活性导电高分子复合M-掺杂纳米化磷酸铁锂性能优化磷酸铁锂-导电高分子复合正极材料0.1C充电至4.1V,再在不同电流下放电充电性能比较(0.120C充电,0.1C放电，ED：原位电聚合，Chem：化学聚合)比容量提高快速充放电（6分钟充电至94%）黄云辉等，中国发明专利,200910061625.8.；中国发明专利,200910061624.3.磷酸铁锂-导电高分子复合正极材料产品特点：（1）无碳包覆、100纳米；（2）比容量（实验室接近160mAh/g）；（3）倍率特性好；（4）循环寿命长；（5）低温