储能材料.ppt

1、储能材料,能源因素：化石燃料是当今能源经济的基础。现在存在石油需求上升，不可再生资源枯竭、世界能源消耗量由2007年到2035年将增长近50%，石油输出国政局动荡的问题都给世界带来了不安定因素。 环境因素：化石燃料能源经济的另一个隐忧是二氧化碳的排放。过去30 年中，二氧化碳排放量持续增加，从1970 年到2005 年，大气中二氧化碳含量翻了一番，导致了全球变暖和气候恶化。我国承诺到2020年单位GDP的CO2排放比2005下降4045。 故。 1.研发新能源的紧迫性需要我们寻找更高级的清洁能源。必须改进交通运输工具，推广新能源汽车的使用。 2.可再生能源发电利用，因其能源都是不连续的，需寻求

2、高效率的能源储备系统。 这两个方面都离不开动力锂离子电池的使用！,研究背景,储能材料,锂离子电池,负极：石墨或其他类似物质,电解质溶液：六氟磷酸锂,正极：锂和过渡金属化合物,隔膜,“锂离子在正极和负极之间移动时，电极本身不发生变化。 这是锂离子电池与金属锂电池本质上的差别！”,锂离子电池 优势：能量密度高、循环寿命长、自放电率小、 无记忆效应和绿色环保等,仍未解决的问题:,安全性；循环寿命；成本；工作温度区间和材料的 供应,工作主要集中在两个方向:（1）用容量更高，成本更低的正极和负极材料作为 石墨和锂钴氧化物的替代品 （2）用更安全，更可靠的电解液系统来替换现有的有 机碳酸盐电解液。,未来锂

3、电池发展趋势,低成本、高寿命、高容量,正极材料 正极材料在电池运作中提供锂离子，材料性能对动力锂电池安全性、循环寿命等的影响极大。在电池原材料成本中，正极材料占比17%左右。 目前锂离子电池常用的正极材料有钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、三元材料（LiNi1-x-yCoxMnyO2）和磷酸铁锂（LiFePO4）四种。 正极材料主要制备方法：固相法为主，液相法有待发展,对 比,国际上，磷酸铁锂原始材料专利被北美的A123、Valence、Phostech和Aleeze四家公司把持。日本NTT公司就曾被迫将拥有专利授权给德州大学（Phostech合作方），并支付3000万美元和解

4、金。此后，日本松下等公司为了避开磷酸铁锂专利问题，将注意力转向了锰酸锂和三元材料。 国内，相对领先的是北大先行和天津斯特兰，两公司的设计产能皆为年产2000吨磷酸铁锂，且生产的磷酸铁锂性能指标和国际水平相差不大。,现状：,Part 2 市场预测,预测，2010年全球正极材料产量为4.3万吨，将在2009年基础上增长40%左右。目前国际正极材料市场上，日本的日亚化学和韩国的优美科占据了近60%的市场份额。 中国企业在国际市场占有率为11%，但是目前国内正极材料企业生产集中度很低，缺少明显的行业巨头。国内厂商生产的正极材料产品主要是中低端产品，用于高端电动车的正极材料产量较少，而且往往是宣传产能大

5、，但实际产出少。这个市场特点是要求产品价格低廉、质量合格、但相互之间竞争激烈。,国际市场大势初定，国内市场群雄逐鹿,负极材料：锂电池产业链中工艺发展最成熟的环节，目前主要采用碳系材料，未来的研发方向是钛酸锂与硅合金 碳材料主要有天然石墨、人造石墨、中间相碳微球等 以石墨为例 优点：具有良好的层状结构，电极电位低，制成电池电压较高。 缺点：电极电位接近于金属锂，在反复的充放电时，还是可能会在表面析出锂枝晶或与电解质生成化合物的现象，而且石墨容易与电解液发生共嵌反应，导致石墨层片剥落。这些都会降低电池的循环使用寿命，从而成为电池循环寿命提升的瓶颈。 中国主要厂家：深圳贝特川，上海杉杉，长沙海容,负

6、极材料,中国负极材料生产企业在成熟的碳材料领域和国外的产品在技术和品质上相差不大，而且价格要比国外的便宜，因此和国外企业在碳材料领域展开了激烈的竞争。不过在高端前沿的钛酸锂、硅合金方面，中国的企业涉入较少，虽深圳贝特瑞公司已制出钛酸锂产品，但总体研究水平仍要落后于日本企业。,现状：,电解液,目前主要采用非水液态电解液，未来可能应用固态电解质 电解液目前主要是非水液态电解液，一般由多组分混合溶剂、锂盐溶质（主要为六氟磷酸锂：LiPF6）以及必要的添加剂按照一定的配方比混合而成。 主要优点：电化学稳定性较高；在非水有机溶剂中溶解度高；离子电解率良好；在首次充放电时，可以在电极上，尤其是负极上形成一

7、层SEI膜，从而阻止溶剂分子共插对电极的破坏，提高了电池的循环效率和可逆容量。 主要缺点：热稳定性较差，且易水解，需进行提纯以改善。但由于目前尚未研发出更好的替代品，所以仍然会是最主流的锂盐溶质。 固体电解质可抑制枝晶锂的生长，从而可以应用金属锂作为负极材料。固体电解质电池还可以做到厚度仅为0.1mm、高能量密度、更小体积。而钉穿、加热(200C)、短路和过充(600%)等破坏性实验也表明固态锂离子电池安全性要远大于液态锂离子电池。,电解液现状,六氟磷酸锂制备的技术壁垒极高 日本企业的生产工艺成熟，产品质量好，中国企业在这一块的技术和品质还有待提高。 国产电解液基本满足国内需要，但六氟磷酸锂受

8、制于人 中国企业在全球市场占有率为14%，目前，国产电解液基本可以满足国内需求，电解液自给率达到80%以上。 目前被日本关东电化学工业、Stella Chemifa、森田化学三家企业把持，国内能够实现产业化的暂时只有天津金牛一家，且生产产品仅供自用，因此国内其他厂商需从日本等国企业进口六氟磷酸锂，电解液生产原材料受制于人。 中国主要厂家：天津金牛、多氟多、江苏国泰、九九久及汕头金光高科，其中天津金牛实现产业化，但品质有提升空间，多氟多处于中试向产业化过渡阶段，江苏国泰正进行中试，其余多处于小试。,隔 膜,隔膜材料是中国动力锂离子电池业的短板，目前基本依赖进口 动力锂电池材料其他三个部分均可实现

9、国产，唯有隔膜这块目前只能产业化生产部分手机电池等小型锂电隔膜。高生产壁垒的存在使得隔膜毛利率大约有60%70%。 锂离子电池的隔膜材料是一种多孔的薄膜，用于阻隔正负极防止电池内部短路，又可以让离子流快速通过，完成充放电的过程。目前电解液仍是以液态的极性有机溶剂为主，腐蚀性强，电导率相对水溶液低，这就要求隔膜必须耐腐蚀，同时比表面积大、孔隙率高。 由于隔膜生产投入大、风险高、技术壁垒高，市场的集中度非常高，主要由日本的旭化成、东燃以及美国的Celgard占有。 我国目前新乡格瑞恩、佛塑集团的金辉高科、深圳星源材质、桂林新时科技掌握了隔膜的生产技术，但是只能量产小型锂电用隔膜，性能要求相对较高的

10、动力锂电池隔膜材料暂时无法量产化满足需求。 中国主要厂家：河南格瑞恩，佛塑集团的金辉高科，杭州华容科技公司，桂林新时科技等，但不具备动力电池隔膜的生产能力。,锂离子电池正极材料和电解质等均需要锂，所用锂源为电池级碳酸锂。锂离子电池用的电池级碳酸锂主要来源自矿石提锂与盐湖提锂。相对于矿石提锂，盐湖提锂具有锂资源储量大、含量高、成本小、能耗低的优点，因此成为提锂的主要途径。目前全球80%左右的锂产品来源自盐湖锂，只有中国和澳大利亚还在进行矿石提锂。 盐湖提锂最大的障碍是产品杂质问题，产品中一般含有镁杂质，而镁锂比高的盐湖由于全球提纯技术未全面突破，暂时只能生产品质要求不高的工业级碳酸锂，难以应用于

11、电池级碳酸锂的工业化生产。 根据中国化学与物理电源行业协会的测算，一辆新能源汽车所需碳酸锂量大约为15kg，按照中国2020年500万辆保有量估测，预计未来十年平均每年对于电池级碳酸锂的新增需求为7500吨，国内矿石提锂加部分盐湖提锂的现有产能要满足这一需求比较紧张。,“锂源”,全球锂电现状：电芯和材料市场，中日韩占绝对份额，日韩企业技术处于领先。中国落后日本2-3年，处于大而不强，具有较大提升空间。 电池材料市场：日本从规模到技术都处于领先地位。,2009年锂电材料市场分布,2002-2008年全球锂电池市场格局,小结：,根据驱动系统和能源载体差别，新能源汽车可分为混合动力汽车（HEV）、P

12、HEV（插电式混合动力）、纯动力汽车（BEV）、燃料电池汽车（FCEV）、甲醇汽车、二甲醚汽车等。甲醇汽车、二甲醚汽车、乙醇汽车的发展受地区资源限制较大，不会成为全球新能源汽车主流。新能源汽车是指以非常规的车用燃料作为动力来源，综合车辆动力控制和驱动方面的先进技术而形成的汽车。 最重要的部分都是它的核心驱动系统动力电池。 与国外以研发HEV为主的政策支持不同，我国工信部近期牵头拟定的节能与新能源汽车发展规划（2011年至2020年）是以纯电动车作为主要研发方向，HEV被划分至节能汽车，不属于新能源汽车。 原因：一是中国对进口石油依赖程度逐年攀升，研发油耗节省量大的BEV对我国意义更大；二是中国

13、在燃油发动机技术方面受制于人，而驱动电机方面与国外差距不算大，研发纯电动汽车要更有比较优势。同时，HEV的研发已经相对成熟，研发起步不久的纯电动汽车更有利我国抢占技术高地。 受政府规划的影响，国内汽车厂商目前计划推出的电动汽车中大部分是BEV和PHEV，所用电池基本是磷酸铁锂锂离子电池。,新能源汽车（电动车）,意义&预测,意义：目前，以储能电池技术为主基础的新能源汽车受到各国政府更多的关注，是重要发展方向，其能源利用率高，可综合利用各种清洁能源，因而对于全球节约能源和能源消费结构的调整具有重要意义。 预计：到2020年，使用锂离子电池的混合动力车及纯电动车将达到近800万辆的年销售规模，未来1

14、0年的复合增长率为62%，市场扩容空间高达120倍。 未来动力电池研发重点可能是正极磷酸铁锂材料、负极钛酸锂材料或者负极硅材料，以满足V2H和回收再利用对于寿命或容量要求。,动力锂电池需求主要来源于新能源汽车,动力锂电池下游需求主要是新能源汽车、储能容器、电动工具和电动自行车。据我们测算，未来十年，来自新能源汽车的需求为5000亿元，来自太阳能、风能用储能容器的需求为1800亿元。 电动车和混合动力车对动力锂离子电池需求极大。 用途电池容量（Wh）相当18650电池数 电动车 20000 2500 混合动力车 1000 125 笔记本 70 8.8 手机 3 0.4 资料来源：技术在线（以18

15、650标准电池计为8Wh）,中国新能源发汽车展主要瓶颈及解决方法,中国新能源发汽车展主要瓶颈：电池技术，价格，基础设施。 解决办法： 电池技术：延长电池寿命，缩短充电时间，提高一次充电行驶里程，降低单位成本。 发展决定因素：价格，一旦达到经济成本点，必有爆炸式增长。如销售10万元，中国电动汽车销量有望达到20万辆，现比亚迪F3DM售价16万，政府补贴5万，已接近经济成本线。措施：降低售价，明确界定市场细分，加强政府政策激励，扩大对私家车主的影响覆盖。 基础设施：建立充电站，在停车场、小区等场所设立充电系统，引入国际最佳实践（如：电池交换站）,展望：,研究显示，20102015年，中国市场BEV

16、和HEV将累计销售185万辆，其中，纯电动车保有量将达到100万辆。按照工信部的规划，到2020年，BEV和PHEV的保有量将为500万辆。而根据全球汽车中心的调查，中国60%的人愿意购买BEV/PHEV，是美国、日本等国的五倍左右。因此我们认为工信部的规划是可以顺利实现的。BEV/PHEV所需电池为动力锂离子电池，且电池成本占汽车成本50%左右。保守按照每台BEV/PHEV电池成本约为10万元来估算，在新能源汽车方面，未来10年电池厂商将面临接近5000亿元的市场空间。,随着国家对新能源汽车补贴政策的逐步落实，锂离子电池制造技术的进步，预计未来23年锂离子动力电池将实现规模化生产，成本也会大

17、幅降低，锂离子电池在新能源汽车中的应用将不断上升。日本富士经济认为，2011年之后锂离子电池在新能源汽车市场份额将显著上升。,Turn to 智能电网,风电、光伏等新能源发电由于其清洁和低碳的特性，目前正处在如火如荼的发展态势之中，但是其应用也面临一些瓶颈，主要原因是这些清洁分布式发电系统具有随机性和间歇性，电能供应不稳定，对电网的调峰和安全稳定形成了很大的挑战，要进一步的发展好新能源发电，提升新能源电力的比重，必须配套建设好电网储能设施，以实现对电力供应、使用的削峰填谷，保证新能源发电的平稳输出。,背景&意义,智能电网重要特点,电力用户互动参与：智能电网一个非常核心的理念就是试图通过双向的信

18、息传递和分时电价，改变电力用户的用电行为，以“削峰填谷”，降低系统对电源容量的需求。实时、双向通讯的智能电网能鼓励用户节约能源，同时允许用户向电网卖电。家庭太阳能板、小型风电和电动汽车都可以接入电网，普通家庭和小型商业用户可以把他们富余的电能通过智能电网卖给邻居或是电网的其他用电方。 提高电能质量，节约能源：停电和电能质量问题造成美国每年超过1000亿元的损失，智能电网能够有效的减少这方面的损失。 整合多种发电方式和储能设施：智能电网能在地区级别网络上面无缝整合分布式发电设施，包括太阳能、小水电、风电等等。这更有利于新能源产业的发展。 自愈功能：使用实时传感器和自动化的控制设备，对电力系统的故

19、障进行预测和检测，进而做出反应，自动的避免停电和电力质量恶化。在智能电网里面，停电的事故永远不会发生，系统的局部故障并不会导致某些地区的停电。 抗攻击：智能电网技术可以更好地对人为或者自然破坏进行识别和反应。实时信息可以让电网操作员隔离被破坏的环节，让电力绕过损毁区域，重新供电。,电网储能方案,电网储能有物理储能、化学储能和电磁储能。 电网领域物理储能应用最成熟的就是抽水蓄能，适用于大容量机组的配套，例如核电，其储能效率可以达到70%以上。 化学储能技术目前发展很快，主要包括钒电池、钠流电池和锂电池储能，我国目前在这三大领域都出得了一些成绩。钒电池方面，北京金能燃料电池已经自主开发了单堆额定功率25千瓦、最大功率100千瓦的产品；钠流电池方面，国家电网已经开发出可用于大规模储能的电池；锂电池我国更是走在了全球的前列，业内诞生了比亚迪、比克等重量级企业，据了解，比亚迪已经开发出了固定和移动式的锂电池储能站，容量包括0.2MW、1MW和1.2MW的产品。,动力锂离子储能电池：风能、太阳能大规模应用的