锂离子动力与储能电池及其产业链 非常清晰 推荐

300
100 200 Wh/kg
Li-Ion
Alkaline Primary Ni-Zn Lead Acid Ni-Cd
Ni-MH
0
0
100
200
300
400
500
Wh/l
谁掌控了锂电池，谁就掌控了未来电动汽车100年！
Can Li-Ion power HEVs and EVs?
只有锂离子电池才能满足电动汽车和混合 动力汽车的要求
eH2 H2 eAir
1/ O 2 2
2e+ 2H+
H+
conductor
2e-
Heat
Heat
H 2O
Anode Cathode Electrolyte
H 2O
Catalyst < 100 °C
H2 +
½ O2
H 2O
+
Electricity + Heat
直接甲醇燃料电池
eMeOH (aq)
6e-
3. 超级电容器 储能电池
燃料电池
能量类型 能量储存与转换 应用 化学能电能 开放系统
二次电池
化学能电能 密闭系统
超级电容器
能量传送 电双层 潜在(电动车等)
潜在(商用电源、 广泛(电子器件、 电动车、发电) 电动车等)
不同电池比较
kWh/t Specific Power / W kg-1 kWh/m3 Specific energy / Wh kg-1 Driving range / km
锂离子电池生产工艺流程
锂离子电池生产工艺流程
我国锂离子动力电池技术差距
锂离子电池制备技术
• 当前我国在动力电池结构设计、极片制造技术、 电极与电解液相容性、高功率电池设计以及电 池性能评估与预测技术方面尚存在差距。
锂离子电池装备
• 日本在电池生产专用设备方面至少领先我国5年。 如600L搅拌制浆机，高速Filmics分散设备，Slit die（喷涂）涂敷机，冷热碾压机，日产6000只 全自动生产线。 • 我国通过引进消化吸收实现了大部分单机设备国 产化，但单机生产能力和制造精度上和日本设备 还有较大差距，尚无国产全自动电芯装配线。
•供电体系
•充电设施
•充电服务
年产2000万辆电动车（2020），年产值数万亿元！ 维持几千万辆电动车运行，年产值千亿元！
内 容 提 要
2
锂离子电池知识简介
化 学 电 源 分 类
电池是一种利用电化学的氧化-还原反应，进行
化学能------电能之间转换的储能装置。
锌锰干电池
一次电池 电池
纽扣电池 锂原电池
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 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
40
50
磷酸铁锂-导电高分子复合正极材料
4.0
Charge capacity(mAh/g)
(C-LiFePO4)0.84(PPy)0.16 C-LiFePO4/C/PTFE
5C 1C C/2 C/5 C/10
180 160 140 120 100 80 60 40 0.1
C-LFP C-LFP/16%PPy-ED C-LFP/7%PPy-Chem C-LFP/7%PANI-Chem
高性能储能电池–锂离子电池
比功率 （2000W/Kg）
100 80
成本
（车用:2元/Wh 储能1元/Wh）
60 40 20 0
比能量 （200Wh/Kg）
安全
工作温度范围
（-30-60C）
寿命
（10~15年）
现状水平 今后目标 国际水平
锂离子电池生产设计
锂离子电池生产设计
锂离子电池生产设计
C D
Li1-xCoO2 + xLi+ + xe-
负极: 6C +
xLi+
+
xe-
C D C
LixC6
Li1-xCoO2 + LixC6
总反应: LiCoO2 + 6C
D
锂离子电池的组成
正极
LiCoO2、LiNiO2 、LiMn2O4等
电池
负极
人造石墨系列、天然石墨系列、 焦炭系列等
电解质 有机溶剂电解质（液态）
内 容 提 要
1 2
3 4 5
前沿 锂离子电池知识简介 锂离子动力与储能电池 锂离子电池关键材料 发展与展望
内 容 提 要
1
前
言
新 能 源 产 业
能源危机 ET时代
金融危机
生态危机
低碳经济
新能源
太 太 阳 阳 能
风 生 物 能 海 洋 能 氢 核 能
能
能
新能源产业的发展与挑战
全球：第四次工业革命——新能源革命风起云涌
eAir
6e3/ 2O2
H+
conductor
+ Heat
6H+
Heat
3H2O
CO2
Anode
Cathode Electrolyte
H2O
CH3OH + 3/2 O2 = CO2 + 2 H2O
内 容 提 要
3
锂离子动力与储能电池
动力–储能电池
1. 燃料电池 氢能动力
2. 二次电池 锂离子电池
聚合物电解质（固态、凝胶）
锂离子电池正极材料
LiNi2/3Mn1/3O2
▲ ▲ LiFePO4
发展趋势及目前问题
由小型电池向动力、储能大型电池发展；传统 钴酸锂电池不安全、成本高、寿命短、有毒
新型锂离子动力电池
磷酸铁锂型高性能锂离子电池：功率高、容量 大、寿命长、成本低、环境友好、安全性好
质子交换膜燃料电池
Olivine Structure (LiFePO4)
优点 理论比容量高 (170 mAh/g)；电压稳定 (3.4 V)；循环
性能好(寿命长)；成本低；环境友好；安全性好。 磷酸铁锂电池是混合动力汽车、储能理想的新一代锂电池
缺点
(1) 导电性差；(2) 堆积密度较小。
J. B. Goodenough and K. Padhi, J. Electrochem. Soc., 1997, 144, 1188.
磷酸铁锂性能优化
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
纳米化
M-掺杂
磷酸铁锂碳包覆
碳包覆的缺点
正极中活性物质含量减少； 振实密度降低； 体积能量密度降低；
磷酸铁锂颗粒核心无包覆，导电无改进；
锂离子动力与储能电池
电动汽车 电子电器
小型电池
手机通讯
锂 离 子 电 池
动力电池
电动自行车
大型化
航空航天
太阳能发电
储能电池
风力发电
传统领域
发展趋势
Points-lines-Areas structure and transportation means choice
Industry Prospect of Chinese New Energy Vehicle
快速充放电
（6分钟充电至94%）
黄云辉等，中国发明专利，CN101630729；中国发明专利，CN101630728
锂离子动力电池关键材料及技术
产品指标： 工艺
动力 电池 单电池
性能
负极 Li4Ti5O12 导电高分子 复合磷酸铁锂
电解液
比容量150 mAh/g 倍率 10C (6分钟) 循环寿命：3000次 （0.2C）
LiFSI 免碳包覆 纳米磷酸铁锂
磷酸铁锂
特殊的低温制备工 艺，无碳包覆。
具有自主知识产权，避 开碳包覆专利壁垒！
欧洲
中国
发展电动汽车大势所趋
石油与国家能源安全
我国石油储量不足世界的2%；
我国自产石油在1.8亿吨/年左右； 2007年我国净进口原油1.63亿吨，成品油0.338亿吨，原 油对外依存度达到46.05%； 每年新增1000万辆汽车，石油需求新增2000万吨左右。
空气污染与温室气体排放
By 2010 Wind electricity will be 5MKW, 2020: Wind electricity will be 3% (30MKw) of the total. 2008 wind power reached 12.21MKW.
NATURE|Vol 456|27 NEWS FEATURE 7 November 2008
铅酸电池
二次电池
镍氢电池 锂离子电池
一次电池
锂离子电池
铅酸电池
锂离子电池
干电池
上图是锌－锰干电池
铅蓄电池
锂离子电池
80年代，由Armand提出了“摇椅式”锂离子二 次电池的新概念。提出电池的正、负极材料采用可以 储存和交换锂离子的材料，利用充放电时，锂离子的 来回移动进行能量交换。
层状化合物LiCoO2的合成，发现石墨可插入锂离 子生成石墨层间化合物LixC6。 1991年由日本SONY公司生产出以LiCoO2为正极材 料，碳黑为负极材料的商业化锂离子电池。
内 容 提 要
4
锂离子电池关键材料
电动汽车
Prius
核心 电源 铅酸电池
锂离子动力电池
关 键
正极 材料
镍氢电池
瓶 颈
锰酸锂
钴酸锂
磷酸铁锂
锂离子动力与储能电池 安全性好
寿命长
大功率锂电池
成本低
无污染
正 极 材 料
Co-based
LiCoO2
Mn-based
Multi-elements
LiNixCo1-x-yMyO2
锂离子电池充放电示意图
e负极
Load
Charge
Li+
e正极
EC: ethylene carbonate
DEC: dimethyl carbonate
Discharge
Li+
LixC6
Electrolyte
Li1-xCoO2
电池: () C | LiPF6-(EC+DEC) | LiCoO2 (+) 正极: LiCoO2
Cell voltage (V)
3.6 3.2 2.8 2.4 0
40 80 120 160 Specific capacity (mAh/g)
1
10
C-rate
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
新能源产业储能(动力)电池
风能
光能
能 源 时 间 上 移 动
能 源 空 间 上 移 动
电动汽车
电动摩托车
电网
动力和储能电池
军用电源
瞬时性、流动性
发展新能源产业必须大力发展高安全、长寿命、 高能量密度的动力和储能电池！
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%)。
中小型移动电池 对体积不敏感的 中型动力电池 中小型号动力电 池 对体积不敏感的 大型动力电源
三元素
3.6 3.2
较高 低廉
33% 25%
磷酸铁锂 很好
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！
磷酸铁锂正极材料
Heterosite Structure (FePO4)
主要正极材料
LiMn2O4 LiNi0.5Mn1.5O4
P-based
LiMPO4
几种正极材料应用优劣势比较
类别 钴酸锂 锰酸锂 安全 性能 差 较好 较好 比容量 mAh/g 145 105 160 150 循环寿 命/次 ＞500 ＞ 500 ＞800 ＞1500 电压 平台 3.6 3.7 材料 成本 高 低 所占 成本 比重 40% 25% 适合领域
Inter-city
E-Railway Airline Waterway
Big city
E-bike E-bike BEV E- bus Subway
town
E-bike
Micro EV
E- bus
0
50
200
km
储 能 体 系 比 较
Primary Lithium
Panasonic 2008 3.6 Ah 740 Wh/l
侵犯专利（中国专利 ZL 01816319.X）
磷酸铁锂-导电高分子复合正极材料
Specific capacity (mAh/g)
200
(a)
160 120 80 40 0 0 C-LFP C-LFP/7.9% PANI-HCl C-LFP/10.3% PANI-HCl
10
20 30 Cycle number
Solar E-bicycle
Solar road lamps
Head lamps
电动汽车新兴产业链
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
•电动车
•动力电池
•电动机
•电源管理
•电控系统
•能量回收
•正极材料
•电池回收
•负极材料
•电池复用
•电解液Baidu Nhomakorabea
•膜
•资源再生
大城市空气污染的 50%来自汽车； 1亿吨油产生CO2约3亿吨。
电动汽车和混合动力汽车
比亚迪双模
本田
丰田Prius
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。“三横”、“三纵”。
锂离子电池应用领域
BYD hybrid car
Olympic E-bus
Golf cart