化學(xué)電源前沿技術(shù)概述

1、化學(xué)電源技術(shù)新進展劉興江10月10日化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第1頁提 綱一、化學(xué)電源概述二、鋰系列電池高比特征化三、電化學(xué)電容器研究進展四、燃料電池技術(shù)介紹五、固態(tài)鋰電池與新型化學(xué)電源六、結(jié)束語化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第2頁概 述-概念與內(nèi)涵電能源： 電能源是各種能量直接轉(zhuǎn)換為電能裝置。包含化學(xué)電源、物理電源及控制系統(tǒng)等。化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第3頁概述電能源產(chǎn)業(yè)鏈Materials6.03 Billon $Cell13.6 Billon $Pack & System19.6 Billon $ApplicationsYear 化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第4頁概述消費電子需求100W10WWmW化學(xué)電源前沿技術(shù)

2、概述第5頁概述動力市場需求數(shù)據(jù)起源：呂學(xué)隆博士化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第6頁智能電網(wǎng)“發(fā)電、輸電、配電和用戶”各步驟對儲能規(guī)模經(jīng)典要求 概述儲能應(yīng)用需求WkWMWGW備份電源，UPS可再生能源智能電網(wǎng)照明化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第7頁2030年前二次電池技術(shù)-DOE化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第8頁日本“第53屆電池研討會”2035年前二次電池技術(shù)-日本化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第9頁Gen1Gen 2Gen3200Wh/kg 或以下（HEV/PHEV/EV)300Wh/kg (PHEV/EV)500Wh/kg(EV)Separator：PP、PE及其復(fù)合膜、改性隔膜、PI等；Electrolyte：高電壓電解液、

3、高安全性電解液等。注：以電池單體計硫空氣金屬（鋰金屬等）鎳鈷錳、鎳鈷鋁富鋰層狀錳基等固溶體材料錫基/硅基等合金類復(fù)合材料碳材料錳酸鋰磷酸鐵鋰錳酸鋰/鎳鈷錳錳酸鋰/鎳鈷鋁炭材料鈦酸鋰高電壓錳酸鋰超級電容器快充中國動力電池發(fā)展規(guī)劃3元/Wh2元/Wh1元/Wh化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第10頁二、鋰系列電池高比特征化化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第11頁等能量曲線E = C x VLNMO or LMP / Si-C高電壓化高容量化化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第12頁鋰原電池比能量比較化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第13頁鋰氟化碳系列電池與其它鋰原電池比較化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第14頁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高性能球型鋰氟化碳化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第15頁氟化碳表面修飾效果化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第16頁17Ah15Ah, 3A放電化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第17頁1Ah-45Ah, 650Wh/kg2X Runtime Coin, Pouch, Wound Cell Capability85 Ah to 90 mAh Cell CapacityContour Energy Systems, Inc化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第18頁高功率Li/SVO-CFx三明治結(jié)

6、構(gòu)電池化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第19頁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.鋰離子電池負極材料化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第21頁Si插層石墨烯負極技術(shù)化學(xué)電源前沿技術(shù)概述

8、第22頁400Wh/kg鋰離子電池技術(shù)化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第23頁東芝SCiB動力電池技術(shù)安全性 負極酸採用熱強安全金屬析出長壽命 壽命：，回急速充電 充電時間分低溫特征 使用可容量： 化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第24頁快充及低溫充電用硬碳化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第25頁高功率化學(xué)電源研發(fā)水平化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第26頁各種正極材料倍率特征 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化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第27頁SAFTVL-VFe高功率鋰離子電池 化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第28頁 比能量E = CV2/2m式中E，C，V，m分別為混合電容器比能量、容量、電壓和質(zhì)量。計算混合電容器容量時，C最大值靠近于理想極化電極容量，而傳統(tǒng)電容器容量約

10、為其電極容量1/2（1/C=1/Cp+1/Cn, CpCn），所以電化學(xué)混合電容器最大容量靠近等重量傳統(tǒng)雙電層電容器容量2倍；而且電化學(xué)混合電容器電壓基本上由理想極化電極決定，則其平均電壓也約為雙電層電容器2倍，電化學(xué)混合電容器比能量可靠近雙電層電容器2x22=8倍。假如選擇適當電化學(xué)混合電容器活性材料，使電容器電壓更高，則其比能量可到達雙電層電容器8倍以上，即20-50 Wh/kg?；旌蟽δ苎b置例一側(cè)采取活性炭AC；另一側(cè)采取鋰離子電池材料化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第29頁LIC與超級電池/10/10化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第30頁比能量： 400Wh/kg （Envia）比功率：10kW/kg （S

11、AFT）壽命：6000-8000次（100%DOD,Toshiba, Altaino ）低溫性能：-60oC （NASA）高溫性能：100oC （SAFT）安全性：3C10V過充等測試經(jīng)過故障率：ppb級（SONY）國際上鋰離子電池技術(shù)水平化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第31頁Li-S, Li-Air電池，新型離子電池Na, Zn, Mg, F離子電池，美國PolyPlus企業(yè)推出800Wh/kg水系Li-Air、及1300Wh/kg鋰水電池，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究部門鋰-空氣電池在空氣中以0.1A/g放電率能夠連續(xù)放電20天高比能水系鋰電池展示鋰水電池鋰空電池高比能水系鋰電池展示Li-S電池2Li+S8(s

12、olid)=Li2S8(solution)2Li+Li2S8(solution)=2Li2S4(solution)2Li+Li2S4(solution)=2Li2S2(solid)2Li+Li2S2(solution)=2Li2S (solid)化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第32頁Li-S二次電池化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第33頁Li-S二次電池化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第34頁Li-S二次電池化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第35頁Li-S二次電池化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第36頁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二次電池化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第37頁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二次電池化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第38頁水溶液體系可充鋰電池0.5 mol l-1 Li2SO4 比能量：446 Wh kg-1安全性：良好循環(huán)壽命：1000次快速充電：數(shù)分鐘Nature, Scientific Reports化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第39頁Japans RIKENOCV: 3.8 V versus Li+/Li E.D.: 0.33kWhkg1水溶液Li-I2二次電池 化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第40頁金屬燃料電池

15、技術(shù) 輕金屬輕金屬燃料電池，負極可用鋰、鎂、鋁或合金；正極選擇范圍比較寬，能夠是空氣、氧氣、H2O2等活性材料，體系電壓伴隨正極材料不一樣而改變，最高電壓可達3V以上，實效電池比能量可到達500-800Wh/kg。 美國PolyPlus企業(yè)報道了鋰海水電池比能量可達1300Wh/kg。其在鋰(鎂)/海水、鋰(鎂)/H2O2電池研究正得到美國海軍支持，計劃用于水下推進器動力(UUV)。 化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第41頁三、鋰離子電池安全性化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第42頁波音-787鋰離子電池安全問題化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第43頁鋰離子電池不安全原因材料原因單體原因系統(tǒng)原因應(yīng)用原因材料熱穩(wěn)定性及放熱量；材料

16、中金屬雜質(zhì)；負極表面析鋰（大電流、低溫充電，負極衰降）機械：震動、跌落、碰撞電氣：接線、結(jié)露、腐蝕等一致性：BMS失效；單體隔離，散熱；N/P比設(shè)計，電解液量及分布；安全閥（包含開口位置）；極板體積改變隔膜表面導(dǎo)電粉末；正負極錯位，正負極毛刺；注液干區(qū)；工藝原因化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第44頁日本催化劑，使用LiFSILIB1.0MLiPF60.2MLiFSI添加場合、維持率80超.分子量187g/mol、伝導(dǎo)度9.8mS/cm、熱分解溫度308、最大半徑0.35nm。現(xiàn)在、電解質(zhì)用LiPF6、分子量152g/mol、伝導(dǎo)度8.0mS/cm、熱分解溫度154、最大半徑0.27nm?；瘜W(xué)電源前沿技術(shù)

17、概述第45頁阻燃及滅火添加劑化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第46頁Continuous ceramic coating(alumina, zirconia, silica)Non-woven support(Polyethylene terephthalate)SEPARIONFlexible ceramicbattery separator陶瓷修飾隔膜SEPARIONplus化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第47頁*納米纖維紙隔膜特點組成：PET+纖維素特點：耐高溫200oC吸液快而多低阻抗成本低化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第48頁180oC耐溫測試化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第49頁性能指標名稱聚酰亞胺隔膜PPPEPP三層隔膜

18、介電常數(shù)3.42.2介電損耗10-310-2透氣性140ml/in2140ml/in2 熱收縮MD03500.0885熱收縮TD03500.0885孔隙率90%42%熔解溫度 500175穿刺強度2.5N2.5N江西先材PI納米纖維隔膜與傳統(tǒng)PPPEPP三層隔膜對比PI納米纖維隔膜化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第50頁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層電極結(jié)構(gòu)化學(xué)電源前沿技術(shù)概

20、述第51頁Toyota Prius Alfa電池組成本=USD$1.322/Wh52化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第52頁四、固態(tài)化鋰電池及新型化學(xué)電源化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第53頁SE(LiPON, LiPS,LATP,LLZO)Thin film or Micro CellLi-S secondary CellLi-LMO Secondary CellAqueousLi Battery固體電解質(zhì)在鋰電池中應(yīng)用化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第54頁采取超離子導(dǎo)體全固態(tài)LIB化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第55頁Toyota未來 EV用全固態(tài)LIBVoltage: 3.6V414.4VLiCoO2/Thiolithicon/

21、Gr. 化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第56頁固態(tài)薄膜電池技術(shù) 化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第57頁美國國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. 將

22、全固態(tài)薄膜鋰離子電池與太陽能電池相結(jié)合，利用微機械系統(tǒng)，研制在微型衛(wèi)星上需要高度集成化柔軟集成電源模塊。 一體化電源技術(shù)化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第58頁微電池應(yīng)用 化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第59頁全固體二次電池、半導(dǎo)體製造応用気相製造可能。電源用途向正極酸、負極金屬、固體電解質(zhì)硫化物系用。電池製造、気相行半導(dǎo)體製造応用。展示電池5mm角、電力容量數(shù)百Wh。固態(tài)微電池化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第60頁采取MEMS技術(shù)三維固態(tài)鋰電池 實現(xiàn)SOC一體化集成化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第61頁 Harvard University3D打印技術(shù)用于制備微電池 2.7 mW cm 2The electrodes are pri

23、nted 60m wide with 50m between each interlocked electrode化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第62頁全固態(tài)鋰空氣電池 其關(guān)鍵技術(shù)其一是采取LAGP玻璃陶瓷固體電解質(zhì)，其二是采取該電解質(zhì)與碳納米管燒結(jié)而成空氣電極。該電池放電電壓約為2.5 V左右、空氣電極放電比容量約為1 700 mAh/g，實效樣品電池比能量可比鋰離子電池提升3-5倍。日本AIST, Energy & Environmental Science化學(xué)電源前沿技術(shù)概述第63頁Capacity: 2.11AhOCV: 3.3VEnergy density: 1665.5Wh/kg。水溶液鋰電池技術(shù)18所化學(xué)電源前沿