材料化学 课件 12-2 电动汽车电池技术

锂离子电池电极材料第一章：电池发展历史电池发展历史1748年首次创造了“电池”一词，用来描述一系列带电玻璃板BenjaminFranklinLuigiGalvani1780年~1786年展示了神经冲动的电基础，并为后来的发明家Volta创造电池提供了研究的基石。1800年发明了伏特堆，并发现了第一种实用的发电方法。AlessandroVolta1836年使用两种电解质的丹尼尔电池：电解质为硫酸铜和硫酸锌。JohnF.Daniell1839年开发了第一个燃料电池，通过将氢和氧结合来发电。WilliamRobertGrove1859年开发出了第一种可再充电的实用铅酸蓄电池（二次电池）。GastonPlante1839年~1842年对使用液体电极发电的电池进行了一系列改进。Bunsen(1842)Grove(1839)电池发展历史1866年获得了名为Leclanchi电池的碳锌湿电池的专利。随后用糊剂代替液体电解质。GeorgesLeclanchJ.A.Thiebaut1881年获得了第一个将负极和多孔罐放在锌杯中的电池的专利。1888年发明了第一个商业上成功的干电池（锌-碳电池）CarlGassner1899年发明了第一个镍镉可充电电池。WaldmarJungner1901年发明了碱性蓄电池。以铁作为负极材料（-），氧化镍作为正极材料（+）。ThomasAlvaEdison1949年开发了小型碱性电池。LewUrry1954年发明了第一个太阳能电池。太阳能电池将太阳能转化为电能。GeraldPearsonCalvinFullerDarylChapin电池发展历史SONY1991年，SONY公司推出首款商业锂离子二次电池后，锂电池在成本及性能上展现了极大的优势，迅速占领了可充放电池的市场。商用2019年诺奖斯坦利·惠廷汉姆约翰·古迪纳夫吉野彰首次提出基于锂离子的二次电池模式发现具有良好锂离子脱嵌性能的钴酸锂材料运用钴酸锂及聚乙炔制造出第一个可充电锂电池模型电池发展历史锂电池体积能量密度及质量能量密度显著高于传统镍氢电池、镍铬电池、以及铅酸电池等纽扣电池锂电池的容量是碱性电池的1.5倍充电电池镍氢电池的容量是镍镉电池的2~3倍，锂离子电池与镍氢电池容量最相仿，但如果按体积计算，锂离子电池比镍氢电池容量大，而且锂离子电池比镍氢电池电压高。第二章：锂离子电池工作原理电池结构负极头通气孔垫圈电流干扰装置负极正极绝缘体负极耳正极耳绝缘片铝塑包装膜正极隔膜负极圆柱电池软包电池纽扣电池正极（Cathode）负极（Anode）电解质（Electrolyte）隔膜（Separator）电池壳（Shell）电芯五大基本结构工作原理负极反应过程：nC+xe-+xLi+LixCn

传统锂离子电池化学表达式：（-）C|LiPF6-EC+EMC|LiCoO2(+)正极反应过程：LiCoO2Li1-xCoO2

+xe-

+xLi充电

放电充电

放电总反应：LiCoO2+nCLi1-xCoO2+LixCn充电

放电锂离子电池充放电过程中理论上发生的是一种高度可逆的化学反应和物理传导过程摇椅式电池（Rocking-ChairBattery）性能参数容量一定放电条件下可以从电池获得的电量能量密度单位体积或单位重量的电池，能够存储和释放的电量充放电倍率影响锂离子电池工作时的连续电流和峰值电流电压锂离子电池的电压，有开路电压、工作电压、充电截止电压、放电截止电压等工作温度范围常见的数据在-40℃~60℃之间内阻电流流过电池内部所受到的阻力，包括欧姆内阻和极化内阻，极化内阻又包括电化学极化内阻和浓差极化内阻。自放电电池在放置的时候，其容量是在不断下降的，容量下降的速率称为自放电率，通常以百分数表示：%/月。寿命锂离子电池的寿命分为循环寿命和日历寿命两个。循环寿命以次数为单位，表征电池可以循环充放电的次数。常见锂电材料表征技术电极材料成分电感耦合等离子体(ICP)X射线荧光光谱仪(XRF)能量弥散X射线谱(EDX)二次离子质谱(SIMS)……元素价态X射线成像(STXM)电子能量损失谱(EELS)X射线近边结构谱(XANES)X射线光电子谱(XPS)

……形貌表征扫描电镜(SEM)透射电镜(TEM)扫描探针显微镜(SPM)……晶体结构X射线衍射(XRD)扩展X射线吸收精细谱(EX-AFS)核磁共振(NMR)……物理表征方法常见锂电材料表征技术充放电测试循环性能倍率性能容量保持率……循环伏安电化学反应分析电极表面化学分析锂离子脱嵌动力学……电化学阻抗测试锂离子脱嵌动力学……恒电流间歇滴定锂离子脱嵌动力学……电化学表征方法电位阶跃法锂离子脱嵌动力学……锂离子电池电极材料第一章：电池发展历史电池发展历史1748年首次创造了“电池”一词，用来描述一系列带电玻璃板BenjaminFranklinLuigiGalvani1780年~1786年展示了神经冲动的电基础，并为后来的发明家Volta创造电池提供了研究的基石。1800年发明了伏特堆，并发现了第一种实用的发电方法。AlessandroVolta1836年使用两种电解质的丹尼尔电池：电解质为硫酸铜和硫酸锌。JohnF.Daniell1839年开发了第一个燃料电池，通过将氢和氧结合来发电。WilliamRobertGrove1859年开发出了第一种可再充电的实用铅酸蓄电池（二次电池）。GastonPlante1839年~1842年对使用液体电极发电的电池进行了一系列改进。Bunsen(1842)Grove(1839)电池发展历史1866年获得了名为Leclanchi电池的碳锌湿电池的专利。随后用糊剂代替液体电解质。GeorgesLeclanchJ.A.Thiebaut1881年获得了第一个将负极和多孔罐放在锌杯中的电池的专利。1888年发明了第一个商业上成功的干电池（锌-碳电池）CarlGassner1899年发明了第一个镍镉可充电电池。WaldmarJungner1901年发明了碱性蓄电池。以铁作为负极材料（-），氧化镍作为正极材料（+）。ThomasAlvaEdison1949年开发了小型碱性电池。LewUrry1954年发明了第一个太阳能电池。太阳能电池将太阳能转化为电能。GeraldPearsonCalvinFullerDarylChapin电池发展历史SONY1991年，SONY公司推出首款商业锂离子二次电池后，锂电池在成本及性能上展现了极大的优势，迅速占领了可充放电池的市场。商用2019年诺奖斯坦利·惠廷汉姆约翰·古迪纳夫吉野彰首次提出基于锂离子的二次电池模式发现具有良好锂离子脱嵌性能的钴酸锂材料运用钴酸锂及聚乙炔制造出第一个可充电锂电池模型电池发展历史锂电池体积能量密度及质量能量密度显著高于传统镍氢电池、镍铬电池、以及铅酸电池等纽扣电池锂电池的容量是碱性电池的1.5倍充电电池镍氢电池的容量是镍镉电池的2~3倍，锂离子电池与镍氢电池容量最相仿，但如果按体积计算，锂离子电池比镍氢电池容量大，而且锂离子电池比镍氢电池电压高。第二章：锂离子电池工作原理电池结构负极头通气孔垫圈电流干扰装置负极正极绝缘体负极耳正极耳绝缘片铝塑包装膜正极隔膜负极圆柱电池软包电池纽扣电池正极（Cathode）负极（Anode）电解质（Electrolyte）隔膜（Separator）电池壳（Shell）电芯五大基本结构工作原理负极反应过程：nC+xe-+xLi+LixCn

传统锂离子电池化学表达式：（-）C|LiPF6-EC+EMC|LiCoO2(+)正极反应过程：LiCoO2Li1-xCoO2

+xe-

+xLi充电

放电充电

放电总反应：LiCoO2+nCLi1-xCoO2+LixCn充电

放电锂离子电池充放电过程中理论上发生的是一种高度可逆的化学反应和物理传导过程摇椅式电池（Rocking-ChairBattery）性能参数容量一定放电条件下可以从电池获得的电量能量密度单位体积或单位重量的电池，能够存储和释放的电量充放电倍率影响锂离子电池工作时的连续电流和峰值电流电压锂离子电池的电压，有开路电压、工作电压、充电截止电压、放电截止电压等工作温度范围常见的数据在-40℃~60℃之间内阻电流流过电池内部所受到的阻力，包括欧姆内阻和极化内阻，极化内阻又包括电化学极化内阻和浓差极化内阻。自放电电池在放置的时候，其容量是在不断下降的，容量下降的速率称为自放电率，通常以百分数表示：%/月。寿命锂离子电池的寿命分为循环寿命和日历寿命两个。循环寿命以次数为单位，表征电池可以循环充放电的次数。常见锂电材料表征技术电极材料成分电感耦合等离子体(ICP)X射线荧光光谱仪(XRF)能量弥散X射线谱(EDX)二次离子质谱(SIMS)……元素价态X射线成像(STXM)电子能量损失谱(EELS)X射线近边结构谱(XANES)X射线光电子谱(XPS)

……形貌表征扫描电镜(SEM)透射电镜(TEM)扫描探针显微镜(SPM)……晶体结构X射线衍射(XRD)扩展X射线吸收精细谱(EX-AFS)核磁共振(NMR)……物理表征方法常见锂电材料表征技术充放电测试循环性能倍率性能容量保持率……循环伏安电化学反应分析电极表面化学分析锂离子脱嵌动力学……电化学阻抗测试锂离子脱嵌动力学……恒电流间歇滴定锂离子脱嵌动力学……电化学表征方法电位阶跃法锂离子脱嵌动力学……第三章：锂离子电池正极材料单位：欣旺达电子股份有限公司主讲人：刘阳锂电池正极材料正极放电时，电子从外部电路流入电位较高的电极参与电化学反应比容量尽可能多的嵌入锂工作电压反应吉布斯自由能值越负倍率性能高的离子导电性循环寿命结构稳定，耐电解液腐蚀安全性化学稳定性，热稳定性成本，环保锂离子电池的能量密度、充放电倍率、安全性等一些关键指标，主要受制于正极材料。锂电池正极材料正极材料化学成分结构能量密度循环寿命安全性成本磷酸铁锂(LFP)LiFePO4橄榄石中160高高低镍酸锂(LNO)LiNiO2层状高190·210低低高锰酸锂(LMO)LiMn2O4尖晶石/层状低130中中低钴酸锂(LCO)LiCoO2层状中140低低高镍钴铝三元(NCA)LiNixCoyAl(1-x-y)O2层状高220中低中镍钴锰三元(NCM)LiNixCoyMn(1-x-y)O2层状高160-220高低中层状正极材料尖晶石正极材料磷酸盐正极材料硅酸盐正极材料钴酸锂镍酸锂层状锰酸锂锰酸锂……磷酸亚铁锂磷酸锰锂焦磷酸盐氟磷酸盐硅酸铁锂硅酸锰锂硅酸钴锂以磷酸铁锂为首的材料被广泛的应用于电动汽车动力电池中。富锂锰基正极材料及有机正极材料也受到了广泛的关注。三元材料富锂材料钴酸锂（LiCoO2）1981年由J.B.Goodenough首次提出展现锂离子重复嵌入脱出性能。1991年Sony公司首次商业化钴酸锂锂离子电池层状LCO展现α-NaFeO2结构，属六方晶系，R-3m空间群理论比容量：274mAh/g，实际比容量：135~150mAh/gOCoLi负极反应过程：nC+xe-+xLi+LixCn

正极反应过程：LiCoO2Li1-xCoO2

+xe-

+xLi充电

放电充电

放电制备方法：高温固相法CoCO3·3Co(OH)2·3H2O+5/2Li2CO3+5/4O2=5LiCoO2+9/2CO2+6H2O充放电过程钴酸锂（LiCoO2）目前主要着眼于开发在高压下稳定工作兼具高倍率性能的LCO正极材料问题方案晶格坍塌充电电压过高导致LCO晶格沿C轴发生明显体积收缩，引发晶格坍塌，导致LCO正极材料失效截止电压低较低的截止电压（cut-offvoltage）使得锂离子无法完全脱出，限制了其实际工作中展现出来的容量成本/安全钴元素的毒性以及高成本同样限制了进一步的应用掺杂通过在LCO晶格中掺杂高价态金属阳离子，如Ti，Al，Mg，Gd等可以通过调控Co-O八面体晶格，提升锂离子嵌入脱出动力学性能同时加强高电压下晶格稳定性，实现高性能LCO正极材料包覆表面包覆惰性氧化物，磷酸盐或氟化物等可以有效的抑制正极材料和电解液材料之间的恶性相互作用，改善其循环性能层状锰酸锂（LiMnO2）层状LiMnO2：Z型层状β-NaMnO2结构（电化学活性差）和β-NaFeO2结构β-NaFeO2结构的LiMnO2具有与LiCoO2类似的层状结构，其空间群为C2/m理论容量达285mAh/g，实际容量也可达到190mAh/g制备方法高温固相法溶胶-凝胶法熔融盐法模板法水热法共沉淀法形貌合成方法容量，容量保持率(循环次数，倍率，电压范围)纳米棒水热法260mAh/g，66.9%(7，0.05C，2.0V~4.5V)纳米线水热法148mAh/g，75%(30，0.1C，2.0V~4.5V)纳米片水热法235mAh/g，80.8%(20，0.01C，2.0V~4.5V)纳米球微波水热法228mAh/g，70.2%(50，0.1C，2.0V~4.5V)纳米颗粒一步水热法138.2mAh/g，100%(30，0.05C，2.0V~4.3V)纳米颗粒水热法166mAh/g，90.4%(6，0.05C，2.0V~4.5V)目前主要着眼于开发在高压下稳定工作兼具高倍率性能的正极材料问题方案难合成层状结构难合成，不稳定，极易形成尖晶石结构导致电压平台下降不稳定Jahn-Taller效应，导致发生畸变层状结构R3m降低到单斜晶系，层状的Li0.5MnO2将会向具备更稳定的晶格结构的尖晶石型LiMn2O4不可逆畸变。掺杂掺杂是提高层状锰酸锂的结构稳定性，改善其电化学性能的一个行之有效的的方法体掺杂元素种类较多，主要有：Li，Mg，Cu，Ni，Co，Cr，Al，Zr，Ti，Y等层状锰酸锂（LiMnO2）1983年由M.Thackeray等提出，属于立方晶系，Fd3m空间群，Li+在四面体位置，Mn在八面体位置。理论容量并不高仅148mAh/g，但实际比容量120mAh/g制备方法高温固相法固相配位反应控制结晶法机械化学合成法水热法溶胶凝胶法尖晶石锰酸锂（LiMn2O4）电化学性能好、成本低、资源丰富以及无毒性问题方案理论容量低

锰溶出锰的溶解，放电末期的Mn3+浓度最高，在粒子表面容易发生歧化反应，造成Mn溶出：

2Mn3+固→Mn4+固

+Mn2+液Janh-Teller畸变近4V放电平台末期，表面粒子有可能过放电而发生Janh-Teller畸变，电化学性能下降纳米化及表面形貌控制多孔材料有丰富的网格状结构，电解液浸入孔融，缩短锂离子扩散路径尖晶石锰酸锂（LiMn2O4）离子掺杂采用少量离子对锰离子进行掺杂，可以充分抑制Janh-Teller效应，提高电极循环寿命，抑制容量衰减表面包覆通过微粒包覆避免LiMn2O4和电解液的直接接触，抑制锰的溶出和电解的分解，提高材料在高温下的循环性能制备方法高温固相法共沉淀法喷雾干燥法水热法溶胶凝胶法三元NCMNi/Co/Mn通过Ni、Mn的取代降低Co制备类似层状氧化物正极材料。三元NCM具有与LCO类似的R-3m层状结构，其中过度金属层一般认为Ni、Co、Mn展现无序排布呈solidsolution状态。其Ni含量对于实际工作中电化学行为及性能具有重要影响。LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2

NCM111LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2NCM532LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2

NCM622LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2

NCM811Ni含量越高，其电化学比容量越高，但是长循环过程中容量衰减也更为严重技术上三元材料以高镍化、无钴化、单晶化为主要发展方向问题方案晶格变化剧烈Ni-rich三元材料在充放电过程中相变所带来的各向异性晶格变化以及体积变化更为剧烈，给二次颗粒带来更大的应力，最终加剧了颗粒的皲裂程度电解液副反应重颗粒与电解液副反应加重，失活相变区域增加，协同导致性能衰减。离子掺杂金属元素主要有Li，Mg，Al，Fe，Mo，Cr，Zr，非金属元素主要有F，Si，S等，其中关于F的研究比较多，掺杂改善效果也很明显表面包覆通过微粒包覆避免正极材料和电解液的直接接触，减少副反应发生，提高循环寿命。主要包括金属氧化物，氟化物，各种含锂金属盐及导电性单质三元NCM橄榄石型结构，属正交晶系，Fe，Li分别占据氧原子的八面体中心，P占据氧原子的四面体中心。理论容量仅170mAh/g,实际容量150mAh/g，电压平台约3.4V制备方法高温固相法碳热还原法微博合成法水热法磷酸铁锂（LiFePO4）Gray,C.P.,Science,2014磷酸铁锂的倍率性能一般，低温特性差等缺点，限制了磷酸铁锂的应用问题方案导电性差PO4八面体一定程度上阻碍Li离子通道，高倍率下性能较差。制备纳米尺寸的LFP颗粒可以有效的提升其倍率性能。制备纳米粒子研究表明纳米LFP颗粒高倍率下脱锂过程中形成一种介于LFP及FP中间的亚稳态（nonequilibriumphase），抑制了从LFP到FP过程中的极大的结构重排，从而提升了LFP在高电流密度下的结构稳定性磷酸铁锂（LiFePO4）第四章：锂离子电池负极材料单位：欣旺达电子股份有限公司主讲人：刘阳锂电池负极材料负极材料储锂方式能量密度优点缺点石墨插层式372成本低，常用，平均电位低倍率性能低，初始容量低LTO插层式175热稳定性好，倍率性能高成本高，容量低Fe2O3转换式750成本适中，容量高于石墨平均电位高Si合金式3579高容量体积膨胀明显Li金属负极3860容量和倍率性能高，平均电位低安全性差碳基/硅基/锡基钛基负极其他石墨非石墨碳纳米石墨烯Li-Ti-OMLi2Ti6O14TiO2Li-Cr-Ti-O过度金属氧化物铌基负极磷化物氮化物石墨负极是市场上最为常用的负极之一，整体发展趋向高能量密度趋势硅碳负极锡碳负极碳基负极材料根据结构特点分类碳材料碳材料结晶度Lc/nm晶格常数d/nm密度g·cm-3比表面积m2·g-1乙炔黑1.20.3481.3131.7热解碳1.20.3801.604.0石油焦炭1400℃3.90.3462.139.5沥青焦炭1200℃2.60.3472.024.0人造石墨190019.30.3431.974.0人造石墨220047.40.3391.962.8人造石墨250084.50.3372.001.9人造石墨2800112.30.3361.981.5天然石墨229.10.3352.206.3部分碳材料的物理性质最早用于锂离子负极的材料之一导电性好，结晶度高比容量达300mA·h·g-1，放电效率90%以上，不可逆容量低于50mA·h·g-1石墨负极的缺点充放电过程中形成SEI膜，基体膨胀，容量损失和溶剂相容性差扩散路径长，不适合大电流充放电低电位下可能有金属锂沉积碳基负极材料-石墨解决方法——改性机械研磨改性：改变微观结构，形态，电化学性能表面氧化：去除高活性组分，增加微孔数，产生纳米通道掺杂：电压升高，但充电容量变低碳基负极材料-石墨Li,L.J.ACSnano,2013CVDHou,Y.,NatureCommunications,2020热裂解化学功能化处理Yu,T.,AdvancedMaterials,2014模板法Shi,J.,AdvancedMaterials,2014化学刻蚀Huang,Y.,AdvancedMaterials,2019多种传统方法合成碳基材料，并实现掺杂与纳微结构的制备硅单质作为负极通过与锂形成合金（LixSi）来储存锂离子。硅单质可实现极高储锂容量，超过3000mAh/g。形成合金过程中，Si的体积会大幅度膨胀，使得颗粒破裂，最终导致电极失效。硅基负极材料硅基负极的缺点首次库伦效率低，充放电循环寿命短嵌锂过程中，硅体积膨胀高达300%~400%，脱锂过程中体积大幅度收缩，导致活性物质剥离，活性坍塌解决方法采用特殊粘结剂制备具有微孔结构硅基颗粒与碳基材料复合制备硅碳负极第五章：隔膜和电解液单位：欣旺达电子股份有限公司主讲人：刘阳电解液•动力储能电解液是指应用于动力和储能电池的电解液。动力储能电解液电池产品的循环次数和充放电倍率高，

•具有常温循环性能优良、高温存储性能优良、低温放电性能好、抑制锰溶出效果好、高温循环性能优良、抑制钛酸锂负极气胀效果好等特性。

电解液动力储能电解液3C数码电解液3C数码电解液是指应用于3C数码电池产品中的电解液。适用于高电压的钴酸锂电池，充放电倍率为2C/0.2C。3C数码电解液具有高温和常温循环性能优良，高温及防气胀性能好等特性。受益于动力锂电池在新能源汽车领域的运用，锂电电解液出货量保持高速增长隔膜隔膜干法隔膜涂覆膜湿法隔膜•采用干法技术制备的隔膜称为干法隔膜，主要用于聚丙烯隔膜的制造，有三种工艺技术；•干法技术工艺简单、无污染，成本低，但生产效率较低，用于低成本和高安全性动力和储能电池领域。•采用湿法技术制备的隔膜称为湿法隔膜，湿法技术主要用于聚乙烯隔膜的制造；•湿法隔膜轻薄，不易撕裂，功能性更强，熔点低，安全性差，综合成本高。•涂覆隔膜是利用粘结剂在聚烯烃基膜上涂布PVDF等胶黏剂或陶瓷氧化铝；•涂覆隔膜热稳定性高、热收缩低、与电解液浸润性高，安全性好。受益于动力电池在新能源汽车领域的运用，锂电隔膜出货量保持高速增长第六章：未来发展方向单位：欣旺达电子股份有限公司主讲人：刘阳发展方向提高能量密度改善安全性提高循环寿命实现可持续发展01随着电动汽车和储能系统的普及，对于电池能量密度的要求越来越高。研究人员正在尝试采用新型材料、结构和工艺，提高电池能量密度，进一步推动电动化进程。02锂电池的安全性问题一直是电池行业的难点，需要进一步完善安全措施和材料设计，避免电池过热、短路等安全事故。03电池的循环寿命和使用寿命是影响电池性能的关键因素，需要通过材料改进、循环充放电策略等方式，延长电池寿命，降低电池的成本和环境污染。04锂电池的可持续发展是未来发展的重点之一，需要尽可能采用可再生材料，避免使用有害物质和资源枯竭，建立循环经济模式，推动锂电池产业的可持续发展。教育部新材料领域工程硕博士核心课程电动汽车用先进电池技术2023年8月4日第一章：基础知识介绍单位：欣旺达电子股份有限公司主讲人：刘阳电动汽车发展简史早期探索阶段1899年，洛杉矶出现了第一辆商业化的电动出租车。20世纪初，电动汽车曾经成为当时汽车市场的主流。然而，由于当时电池技术的限制，电动汽车无法长时间行驶，且充电时间过长，因此被内燃机汽车所替代。电动汽车的复兴20世纪80年代末至90年代初，随着环保意识的不断提高和石油价格的不断攀升，电动汽车再次引起了人们的关注。1996年，通用汽车公司推出了EV1电动汽车，这是一辆纯电动汽车，可以行驶130英里左右的距离。电动汽车的崛起21世纪初，随着科技的不断发展和环保意识的不断提高，电动汽车再次开始崛起。2008年，特斯拉公司推出了Roadster电动跑车，其拥有超过200英里的续航里程，成为了市场上的一匹黑马。此后，各大汽车厂商相继推出了自己的电动汽车产品。政策的推动为了促进电动汽车的发展，许多国家和地区也相继出台了相关政策。例如，中国政府于2012年发布了《关于加快新能源汽车产业发展的若干意见》不同电动驱动动力系统概述+-+-+-+-FCH2燃油箱+-电池内燃机电机H2氢气燃料箱FC燃料电池传统车混联式车（PHEV）插电式混合动力汽车（PHEV）增程式电动车(REEV)纯电动汽车(BEV)燃料电池电动车(FCEV)全混电动机功率30~50kW电池包容量1~2kW·h电动机功率30~80kW电池包容量3~10kW·h电动机功率>100kW电池包容量15kW·h紧凑型车15~25kW·h更高端的车型60kW·h电动机功率30~100kW电池包容量1~2kW·h电动汽车的优势和劣势领域优势实例劣势实例/理由动力性和续航动力系统的高效率效率可达90%或更高（内燃机效率30%）多是电动推进系统很重大型电池系统支撑必要续航里程电池技术电池系统可充电电网或能量回馈对其充电限定循环时间和复杂的电池技术电池领域的复杂性发展（例如材料）舒适性/驾驶特点有杰出的提速性能和动力匹配性能电动机的扭矩特点限定供电范围如今电池能量密度还是比较低车辆概念新型车辆概念被定义用途设计（BMWi3）更加官族设计概念新车用技术的实践应用和材料需求成本降低使用周期成本更低的保养成本高零部件成本环保性电动车本地零排放使用中无CO2排出总体碳排放量不是100%环保能量（续航，充电）智能能量解决方法电动车一体化接入智能电网基础设施待完善充电桩不够动力电池生产流程物料准备来料检验正极搅拌负极搅拌正极涂布负极涂布正极制片负极制片正极模切负极模切焊软链接X光检测热压和电阻测试卷绕叠片极耳预焊裁切TAB焊接极耳贴胶四周贴胶包聚酯膜真空烘烤卷芯入壳焊顶盖真空烘烤贴保护膜短路测试顶侧封电芯平压静置注液气密性检测称重注液一次封口热冷压化成抽气二次注液焊密封钉切边整形容量测试二次封装TAB套绝缘管化成打包下仓分容测试测试静置其他测试打包下仓前段工序中端工序后端工序共有工序方形电池工序软包电池工序第二章：电动汽车电池市场单位：欣旺达电子股份有限公司主讲人：刘阳动力电池产业链上上游：能源金属（超4400亿元）镍精矿铜镍矿副产品锰矿/煤粉/生锰粉锰矿/煤粉/生锰粉磷矿铁矿石油、煤炭锂辉石/锂云母/盐湖卤水石油/煤炭铜矿铝矿

硫酸镍（142亿元）硫酸钴（251亿元）硫酸锰碳酸锂/氢氧化锂（3150亿元）磷酸铁（约177亿元）针状焦、沥青六氟磷酸锂/LISIF

（超375亿元）溶剂添加剂PP/PE铜锭铝锭上游：电池材料（超6000亿元，包括储能，动力，3C）三元前驱体三元材料（2269亿元）磷酸铁锂（1656亿元）负极材料（755亿元）电解液（650亿元）隔膜（177亿元）铜箔（390亿元）电芯结构件铝箔其他辅材硫酸镍/硫酸钴/硫酸锰/碳酸锂/氢氧化锂中游：动力电池系统（超5200亿元）电芯（4309亿元）模组结构件BMS电气组件冷却散热系统下游：整车（超1.4万亿）新能源车后市场：回收（超150亿元）动力电池回收动力电池梯次利用动力电池再生利用资料来源：盖世汽车，GGII，EVTank，长远锂科募集说明书，亿欧智库，Mysteel，平安证券研究所

动力电池产业链全景图（括号内为国内2022年市场规模估计）动力电池产业链：市场参与者上上游：能源金属上游：电池材料中游：动力电池后市场：回收利用锂资源：锂矿赣锋锂业天齐锂业中矿资源雅化集团盛新锂能

永兴材料融捷股份川能动力江特电机兴能集团锂资源：盐湖锂盐湖股份西藏珠峰西藏矿业藏格矿业蓝科锂业MHP及高冰镍华友钴业力勤资源盛屯矿业寒锐钴业格林美MHP及高冰镍金川集团吉林吉恩格林美中伟股份湖南邦普中冶瑞木钴矿洛阳钼业寒锐钴业华友钴业金川集团硫酸钴华友钴业格林美寒锐钴业正极材料-铁锂湖南裕能德方纳米融通高科万润新能安达科技圣钒科技金堂时代龙蟠科技富临精工元丰股份正极材料-三元容百科技当升科技华友钴业南通瑞翔长远锂科贝特瑞华新材振厦钨新能广东邦普天力锂能负极材料贝特瑞杉杉科技尚太科技中科电气璞泰来凯金能源翔丰华河北坤天广东东岛青岛新泰和电解液天赐材料新宙邦比亚迪瑞泰新材昆仑化学中化蓝天法恩莱特珠海赛纬巴斯夫杉杉亿恩科天润隔膜恩捷股份星源材质中材科技中兴新材河北金力惠强新材江苏厚生北星新材蓝科途沧州明珠铜箔龙电华鑫德福科技嘉元科技诺德股份铜博科技长春化工华创新材铜冠铜箔中一科技江铜铜箔宁德时代比亚迪中创新航国轩高科亿纬锂能欣旺达LG新能源蜂巢能源孚能科技捷威动力瑞浦兰钧正力新能多氟多力神鹏辉能源新能源乘用车比亚迪上汽集团特斯拉吉利汽车广汽埃安奇瑞汽车长安汽车哪吒汽车理想汽车长城汽车蔚来汽车小鹏汽车零跑汽车一汽大众新能源商用车吉利商用车东风汽车福田汽车宇通客车上汽大通奇瑞汽车金龙汽车长安汽车格林美湖南邦普赣州豪鹏华友钴业光华科技芳源环保下游：整车其他三元前驱体

•中伟股份

•华友钴业

•格林美磷酸铁安纳达导电剂天奈科技道氏技术结构件科达利震裕科技东山精密料来源：Wind，平安证券研究所

溶剂石大胜华电解质多氟多涂覆材料壹时通动力电池结构及成本电池约占电池包成本的80%目前动力电池组装环节主要分为电池（Cell，也称电芯）、电池模组（Module）、电池包（Pack）三个层级。目前国内电池生产企业出货呈多种形式：对国内自主品牌多以电芯出货为主，合资企业以模组和电池包出货较多。项目2021年4月2022年4月2023年4月价格(元/kWh)占比价格(元/kWh)占比价格(元/kWh)占比方形三元动力电芯66085.2%87583.3%72581.5%方形三元电池包7751050890方形磷酸铁锂动力电芯52584.0%80082.1%65078.8%方形磷酸铁锂电池包625975825

2021.4-2023.4动力电池包成本组成

全球动力电池需求需求持续高增，2022-2025年CAGR达到30.4%2020-2025年中国动力电池出货量及预测2020-2025年全球动力电池出货量及预测动力电池产品方形电池继续主导国内市场，磷酸铁锂市占率有望进一步提升2018-2022年中国动力电池出货量占比2019-2023Q1中国动力电池产品结构装机量占比变化第三章：电动汽车用电池类型单位：欣旺达电子股份有限公司主讲人：刘阳铅酸电池铅酸电池应用的历史最长，也是最成熟、成本售价最低廉的蓄电池，但现在基本不再作为动力电池应用在新能源汽车上，只在部分低速车上有所应用。优点1：价格足够便宜虽然电动汽车现在携带越来越多的电池类型，随着科学技术的发展，将有氢电池等高科技电池应用于电动汽车，但这些电池成本高于铅酸电池优点2：技术足够成熟经过100多年的发展和应用，铅酸电池的技术已经经历了市场的考验。在技术成熟度方面，它是其他新兴电池无法比拟的。镍氢电池循环使用寿命超过1000次，工作环境温度为-40~+55℃，高低温工作容量损失小简介能量密度与锂电池差距不大，约为70-100Wh/kg，电池单体电压仅为1.2V，是锂电池的1/3。镍氢电池具有“记忆效应”，过度充电或过度放电会导致电池容量存在衰减现象，因此与锂电池一样都需要电池管理系统，只不过镍氢电池更注重充放电管理。优点在生产制造成本和技术成熟度上，镍氢电池成本更低，技术更成熟。在安全性能上，由于镍氢电池能力密度相对较低，不容易发生冒烟爆炸的安全事故。续航短、使用寿命短、放电能力差。缺点锂-硫电池尚处于科研阶段，可进行多达1500个充电和放电循环简介锂硫电池是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池。单质硫在地球中储量丰富，具有价格低廉、环境友好等特点。利用硫作为正极材料的锂硫电池，其材料理论比容量和电池理论比能量较高，分别达到1675mAh/g和2600Wh/kg优点固态锂硫电池电解质比液态电解质具有更高的离子导电性和更低的电阻，安全性好，其高能量密度，环保，寿命长目前固态锂硫电池在开发过程中仍存在着一些挑战，如靶向高温、高湿等环境下的稳定性、电流密度和充放电速率的提升等缺点锂-空气电池目前Li-O2电池依旧只能在实验室中进行充放电实验，而不能大规模商业化应用简介锂空气电池是一种用锂作负极，以空气中的氧气作为正极反应物的电池。锂空气电池比锂离子电池具有更高的能量密度，因为其阴极（以多孔碳为主）很轻，且氧气从环境中获取而不用保存在电池里。锂空气电池的开路电压为2.91V。优点正极反应物为氧气，从大气中获得，无需存储于电池内部，不仅有效降低了成本，也大大降低了电池的整体重量，从而提高了电池的质量能量密度正极材料，催化剂都不能实现长效，大倍率的充放电过程开放体系的电解液暴露在外，多数有机溶剂是有毒且易挥发的缺点全固态电池以安全固态电解质替代易燃有机电解液为特征的全固态电池成为下一代电池的主要方向简介全固态电池是构成电池的所有部件均是“固态”的电池。锂离子电池等二次电池（可以充电、反复使用的电池）基本上由以金属为材料的两个电极（正极和负极）以及充满其间的电解质构成。传统二次电池的电解质使用液体，而全固态电池的电解质使用固体。优点能耐低温至高温；可以快速充电；寿命长；形状自由度高在工程技术方面，存在固-固界面接触不稳定影响性能发挥、采用锂金属易发生枝晶生长存在安全风险等问题。在产业化方面，存在全固态电池产业链需要大规模重构和新设备开发、生产环境要求严苛、关键材料昂贵等问题。缺点第四章：电池管理系统单位：欣旺达电子股份有限公司主讲人：刘阳BMS要求关键问题涉及电池电压测量，数据采样频率同步性，电池状态估计，电池的均匀性和均衡，和电池故障诊断的精确测量简介电动汽车电池管理系统BMS主要用于对电动汽车的动力电池参数进行实时监控、故障诊断、SOC估算、行驶里程估算、短路保护、漏电监测、显示报警，充放电模式选择等，并通过CAN总线的方式与车辆集成控制器或充电机进行信息交互，保障电动汽车高效、可靠、安全运行。SOC即StateofCharge，是电池组的荷电状态简称，即电池剩余电量。SOC是判断电池过充及过放等一系列故障的基础，精确的估算SOC，可防止电池过充和过放，延长电池的使用寿命，从而提高电池的利用率。除了SOC估算，还有SOH（StateofHealth），SOP（StateofPower），用户可通过车上仪表显示，看到这些数据，从而确认电池的工作、功能状态。据此，在保护电池的基础上，将潜力发挥最大化，大大提升驾乘体验。数据存储数据处理通信数据数据热处理数据采集电气管理数据数据数据制冷控制制热控制电池包UT传感器执行器控制充电器控制CAN/FlexRayBMS原理示意图BMS要求增加电池系统的安全和可靠性保护各个单体电池和电池系统提高电池的能量利用效率延长电池寿命关键指标数据采集实时采集电池充放电状态，采集数据有电池总电压，电池总电流，每个电池箱内电池测点温度以及单体模块电池电压等数据处理及存储存储电池当前的使用状况和历史的电池使用情况，计算当前的电池状态。电气管理由于电池个体的差异以及使用状态的不同等原因，电池在使用过程中不一致性会越来越严重，系统应能判断并自动进行均衡处理。热管理实时采集每个电池箱内电池测点温度，通过对散热风扇的控制防止电池温度过高。安全管理通过对电池参数的采集，系统具有预测电池组中单体电池性能、故障诊断和提前报警等功能，以便对电池进行维护和更换，以保证安全通信与车辆或引用程序、车载或非车载的其他嵌入式控制系统通信。教育部新材料领域工程硕博士核心课程感谢聆听2023年8月4日第四章：锂离子电池负极材料锂电池负极材料负极材料储锂方式能量密度优点缺点石墨插层式372成本低，常用，平均电位低倍率性能低，初始容量低LTO插层式175热稳定性好，倍率性能高成本高，容量低Fe2O3转换式750成本适中，容量高于石墨平均电位高Si合金式3579高容量体积膨胀明显Li金属负极3860容量和倍率性能高，平均电位低安全性差碳基/硅基/锡基钛基负极其他石墨非石墨碳纳米石墨烯Li-Ti-OMLi2Ti6O14TiO2Li-Cr-Ti-O过度金属氧化物铌基负极磷化物氮化物石墨负极是市场上最为常用的负极之一，整体发展趋向高能量密度趋势硅碳负极锡碳负极碳基负极材料根据结构特点分类碳材料碳材料结晶度Lc/nm晶格常数d/nm密度g·cm-3比表面积m2·g-1乙炔黑1.20.3481.3131.7热解碳1.20.3801.604.0石油焦炭1400℃3.90.3462.139.5沥青焦炭1200℃2.60.3472.024.0人造石墨190019.30.3431.974.0人造石墨220047.40.3391.962.8人造石墨250084.50.3372.001.9人造石墨2800112.30.3361.981.5天然石墨229.10.3352.206.3部分碳材料的物理性质最早用于锂离子负极的材料之一导电性好，结晶度高比容量达300mA·h·g-1，放电效率90%以上，不可逆容量低于50mA·h·g-1石墨负极的缺点充放电过程中形成SEI膜，基体膨胀，容量损失和溶剂相容性差扩散路径长，不适合大电流充放电低电位下可能有金属锂沉积碳基负极材料-石墨解决方法——改性机械研磨改性：改变微观结构，形态，电化学性能表面氧化：去除高活性组分，增加微孔数，产生纳米通道掺杂：电压升高，但充电容量变低碳基负极材料-石墨Li,L.J.ACSnano,2013CVDHou,Y.,NatureCommunications,2020热裂解化学功能化处理Yu,T.,AdvancedMaterials,2014模板法Shi,J.,AdvancedMaterials,2014化学刻蚀Huang,Y.,AdvancedMaterials,2019多种传统方法合成碳基材料，并实现掺杂与纳微结构的制备硅单质作为负极通过与锂形成合金（LixSi）来储存锂离子。硅单质可实现极高储锂容量，超过3000mAh/g。形成合金过程中，Si的体积会大幅度膨胀，使得颗粒破裂，最终导致电极失效。硅基负极材料硅基负极的缺点首次库伦效率低，充放电循环寿命短嵌锂过程中，硅体积膨胀高达300%~400%，脱锂过程中体积大幅度收缩，导致活性物质剥离，活性坍塌解决方法采用特殊粘结剂制备具有微孔结构硅基颗粒与碳基材料复合制备硅碳负极第五章：隔膜和电解液单位：欣旺达电子股份有限公司主讲人：刘阳电解液•动力储能电解液是指应用于动力和储能电池的电解液。动力储能电解液电池产品的循环次数和充放电倍率高，

•具有常温循环性能优良、高温存储性能优良、低温放电性能好、抑制锰溶出效果好、高温循环性能优良、抑制钛酸锂负极气胀效果好等特性。

电解液动力储能电解液3C数码电解液3C数码电解液是指应用于3C数码电池产品中的电解液。适用于高电压的钴酸锂电池，充放电倍率为2C/0.2C。3C数码电解液具有高温和常温循环性能优良，高温及防气胀性能好等特性。受益于动力锂电池在新能源汽车领域的运用，锂电电解液出货量保持高速增长隔膜隔膜干法隔膜涂覆膜湿法隔膜•采用干法技术制备的隔膜称为干法隔膜，主要用于聚丙烯隔膜的制造，有三种工艺技术；•干法技术工艺简单、无污染，成本低，但生产效率较低，用于低成本和高安全性动力和储能电池领域。•采用湿法技术制备的隔膜称为湿法隔膜，湿法技术主要用于聚乙烯隔膜的制造；•湿法隔膜轻薄，不易撕裂，功能性更强，熔点低，安全性差，综合成本高。•涂覆隔膜是利用粘结剂在聚烯烃基膜上涂布PVDF等胶黏剂或陶瓷氧化铝；•涂覆隔膜热稳定性高、热收缩低、与电解液浸润性高，安全性好。受益于动力电池在新能源汽车领域的运用，锂电隔膜出货量保持高速增长第六章：未来发展方向单位：欣旺达电子股份有限公司主讲人：刘阳发展方向提高能量密度改善安全性提高循环寿命实现可持续发展01随着电动汽车和储能系统的普及，对于电池能量密度的要求越来越高。研究人员正在尝试采用新型材料、结构和工艺，提高电池能量密度，进一步推动电动化进程。02锂电池的安全性问题一直是电池行业的难点，需要进一步完善安全措施和材料设计，避免电池过热、短路等安全事故。03电池的循环寿命和使用寿命是影响电池性能的关键因素，需要通过材料改进、循环充放电策略等方式，延长电池寿命，降低电池的成本和环境污染。04锂电池的可持续发展是未来发展的重点之一，需要尽可能采用可再生材料，避免使用有害物质和资源枯竭，建立循环经济模式，推动锂电池产业的可持续发展。电动汽车用先进电池技术第一章：基础知识介绍电动汽车发展简史早期探索阶段1899年，洛杉矶出现了第一辆商业化的电动出租车。20世纪初，电动汽车曾经成为当时汽车市场的主流。然而，由于当时电池技术的限制，电动汽车无法长时间行驶，且充电时间过长，因此被内燃机汽车所替代。电动汽车的复兴20世纪80年代末至90年代初，随着环保意识的不断提高和石油价格的不断攀升，电动汽车再次引起了人们的关注。1996年，通用汽车公司推出了EV1电动汽车，这是一辆纯电动汽车，可以行驶130英里左右的距离。电动汽车的崛起21世纪初，随着科技的不断发展和环保意识的不断提高，电动汽车再次开始崛起。2008年，特斯拉公司推出了Roadster电动跑车，其拥有超过200英里的续航里程，成为了市场上的一匹黑马。此后，各大汽车厂商相继推出了自己的电动汽车产品。政策的推动为了促进电动汽车的发展，许多国家和地区也相继出台了相关政策。例如，中国政府于2012年发布了《关于加快新能源汽车产业发展的若干意见》不同电动驱动动力系统概述+-+-+-+-FCH2燃油箱+-电池内燃机电机H2氢气燃料箱FC燃料电池传统车混联式车（PHEV）插电式混合动力汽车（PHEV）增程式电动车(REEV)纯电动汽车(BEV)燃料电池电动车(FCEV)全混电动机功率30~50kW电池包容量1~2kW·h电动机功率30~80kW电池包容量3~10kW·h电动机功率>100kW电池包容量15kW·h紧凑型车15~25kW·h更高端的车型60kW·h电动机功率30~100kW电池包容量1~2kW·h电动汽车的优势和劣势领域优势实例劣势实例/理由动力性和续航动力系统的高效率效率可达90%或更高（内燃机效率30%）多是电动推进系统很重大型电池系统支撑必要续航里程电池技术电池系统可充电电网或能量回馈对其充电限定循环时间和复杂的电池技术电池领域的复杂性发展（例如材料）舒适性/驾驶特点有杰出的提速性能和动力匹配性能电动机的扭矩特点限定供电范围如今电池能量密度还是比较低车辆概念新型车辆概念被定义用途设计（BMWi3）更加官族设计概念新车用技术的实践应用和材料需求成本降低使用周期成本更低的保养成本高零部件成本环保性电动车本地零排放使用中无CO2排出总体碳排放量不是100%环保能量（续航，充电）智能能量解决方法电动车一体化接入智能电网基础设施待完善充电桩不够动力电池生产流程物料准备来料检验正极搅拌负极搅拌正极涂布负极涂布正极制片负极制片正极模切负极模切焊软链接X光检测热压和电阻测试卷绕叠片极耳预焊裁切TAB焊接极耳贴胶四周贴胶包聚酯膜真空烘烤卷芯入壳焊顶盖真空烘烤贴保护膜短路测试顶侧封电芯平压静置注液气密性检测称重注液一次封口热冷压化成抽气二次注液焊密封钉切边整形容量测试二次封装TAB套绝缘管化成打包下仓分容测试测试静置其他测试打包下仓前段工序中端工序后端工序共有工序方形电池工序软包电池工序第二章：电动汽车电池市场动力电池产业链上上游：能源金属（超4400亿元）镍精矿铜镍矿副产品锰矿/煤粉/生锰粉锰矿/煤粉/生锰粉磷矿铁矿石油、煤炭锂辉石/锂云母/盐湖卤水石油/煤炭铜矿铝矿

硫酸镍（142亿元）硫酸钴（251亿元）硫酸锰碳酸锂/氢氧化锂（3150亿元）磷酸铁（约177亿元）针状焦、沥青六氟磷酸锂/LISIF

（超375亿元）溶剂添加剂PP/PE铜锭铝锭上游：电池材料（超6000亿元，包括储能，动力，3C）三元前驱体三元材料（2269亿元）磷酸铁锂（1656亿元）负极材料（755亿元）电解液（650亿元）隔膜（177亿元）铜箔（390亿元）电芯结构件铝箔其他辅材硫酸镍/硫酸钴/硫酸锰/碳酸锂/氢氧化锂中游：动力电池系统（超5200亿元）电芯（4309亿元）模组结构件BMS电气组件冷却散热系统下游：整车（超1.4万亿）新能源车后市场：回收（超150亿元）动力电池回收动力电池梯次利用动力电池再生利用资料来源：盖世汽车，GGII，EVTank，长远锂科募集说明书，亿欧智库，Mysteel，平安证券研究所

动力电池产业链全景图（括号内为国内2022年市场规模估计）动力电池产业链：市场参与者上上游：能源金属上游：电池材料中游：动力电池后市场：回收利用锂资源：锂矿赣锋锂业天齐锂业中矿资源雅化集团盛新锂能

永兴材料融捷股份川能动力江特电机兴能集团锂资源：盐湖锂盐湖股份西藏珠峰西藏矿业藏格矿业蓝科锂业MHP及高冰镍华友钴业力勤资源盛屯矿业寒锐钴业格林美MHP及高冰镍金川集团吉林吉恩格林美中伟股份湖南邦普中冶瑞木钴矿洛阳钼业寒锐钴业华友钴业金川集团硫酸钴华友钴业格林美寒锐钴业正极材料-铁锂湖南裕能德方纳米融通高科万润新能安达科技圣钒科技金堂时代龙蟠科技富临精工元丰股份正极材料-三元容百科技当升科技华友钴业南通瑞翔长远锂科贝特瑞华新材振厦钨新能广东邦普天力锂能负极材料贝特瑞杉杉科技尚太科技中科电气璞泰来凯金能源翔丰华河北坤天广东东岛青岛新泰和电解液天赐材料新宙邦比亚迪瑞泰新材昆仑化学中化蓝天法恩莱特珠海赛纬巴斯夫杉杉亿恩科天润隔膜恩捷股份星源材质中材科技中兴新材河北金力惠强新材江苏厚生北星新材蓝科途沧州明珠铜箔龙电华鑫德福科技嘉元科技诺德股份铜博科技长春化工华创新材铜冠铜箔中一科技江铜铜箔宁德时代比亚迪中创新航国轩高科亿纬锂能欣旺达LG新能源蜂巢能源孚能科技捷威动力瑞浦兰钧正力新能多氟多力神鹏辉能源新能源乘用车比亚迪上汽集团特斯拉吉利汽车广汽埃安奇瑞汽车长安汽车哪吒汽车理想汽车长城汽车蔚来汽车小鹏汽车零跑汽车一汽大众新能源商用车吉利商用车东风汽车福田汽车宇通客车上汽大通奇瑞汽车金龙汽车长安汽车格林美湖南邦普赣州豪鹏华友钴业光华科技芳源环保下游：整车其他三元前驱体

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