鋰離子電池生產(chǎn)

鋰離子動(dòng)力電池內(nèi)容前言1234動(dòng)力與儲(chǔ)能電池技術(shù)概況鋰離子電池及其發(fā)展研究工作介紹內(nèi)容1前言ET時(shí)代新能源核能風(fēng)能氫能生物能海洋能能源危機(jī)金融危機(jī)生態(tài)危機(jī)低碳經(jīng)濟(jì)太陽太陽能新能源產(chǎn)業(yè)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)溫家寶總理在2009年11月3日講話指出：我國要致力發(fā)展五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，搶占經(jīng)濟(jì)科技制高點(diǎn)。發(fā)展新能源列在首位全球：第四次工業(yè)革命——新能源革命風(fēng)起云涌美國奧巴馬“能源新政”：通過新能源產(chǎn)業(yè)革命的方式再造美國經(jīng)濟(jì)增長，再續(xù)美國在高科技領(lǐng)域的壟斷和霸主地位新能源革命驅(qū)動(dòng)的綠色經(jīng)濟(jì)浪潮席卷大地，德國和法國都在大力發(fā)展新能源汽車歐洲中國ElectronicandHybridElectronicVehicles我國現(xiàn)狀：與發(fā)達(dá)國家?guī)缀跬瑫r(shí)起步，國家大力扶持，有望將來參與國際競爭。內(nèi)容2動(dòng)力與儲(chǔ)能電池技術(shù)概況電動(dòng)車的關(guān)鍵技術(shù)在于：電池技術(shù)動(dòng)力–

儲(chǔ)能電池

燃料電池氫能動(dòng)力二次電池鋰離子電池超級電容器儲(chǔ)能電池燃料電池二次電池超級電容器能量類型化學(xué)能電能化學(xué)能電能能量傳送能量儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)換開放系統(tǒng)密閉系統(tǒng)電雙層應(yīng)用潛在(商用電源、電動(dòng)車、發(fā)電)廣泛(電子器件、電動(dòng)車等)潛在(電動(dòng)車等)不同電池比較Drivingrange/kmSpecificPower/Wkg-1Specificenergy/Whkg-1以電動(dòng)車的生產(chǎn)、運(yùn)行為主體以動(dòng)力電池生產(chǎn)為核心的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)群“電動(dòng)技術(shù)產(chǎn)業(yè)”正在興起電動(dòng)車電動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)動(dòng)力電池正極材料電源管理供電體系電池回收充電服務(wù)電動(dòng)技術(shù)產(chǎn)業(yè)能量回收充電設(shè)施負(fù)極材料電解液資源再生電池復(fù)用膜年產(chǎn)500萬輛電動(dòng)車（占一半），年產(chǎn)值萬億元！維持幾千萬輛電動(dòng)車運(yùn)行，年產(chǎn)值千億元！Points-lines-AreasstructureandtransportationmeanschoiceE-bike050200townBigcityInter-cityBEVSubwayE-busE-RailwayAirlineWaterwayMicroEVE-buskmIndustryProspectofChineseNewEnergyVehicleE-bikeE-bikeNATURE|Vol456|27NEWSFEATURE7November2008風(fēng)電和光伏電都是不連續(xù)的電源，需要解決電能的儲(chǔ)能問題。BEV成為分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，儲(chǔ)能效率可達(dá)90%,遠(yuǎn)高于抽水蓄能電站的效率(70%)。

By2010Windelectricitywillbe5MKW,2020:Windelectricitywillbe3%(30MKw)ofthetotal.2008windpowerreached12.21MKW.內(nèi)容3鋰離子電池及其發(fā)展鋰二次電池的發(fā)展史20世紀(jì)70年代，鋰一次電池商品化；1980年，Amand提出“搖椅電池”的概念；1990年，SONY公司報(bào)道了以碳材料為負(fù)極的鋰離子電池并最先實(shí)現(xiàn)了商品化；1994年，Bellcore公司報(bào)道聚合物鋰離子電池。LithiumrechargeableBatteries大型化電動(dòng)汽車電動(dòng)自行車太陽能發(fā)電

動(dòng)力電池鋰離子電池

儲(chǔ)能電池風(fēng)力發(fā)電

小型電池電子電器手機(jī)通訊傳統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢航空航天鋰離子動(dòng)力與儲(chǔ)能電池LoadElectrolytee-e-正極負(fù)極Li+Li+ChargeDischargeLixC6Li1-xCoO2

電池:()C|LiPF6-(EC+DEC)|LiCoO2(+)

正極:LiCoO2Li1-xCoO2+xLi++xe-

負(fù)極:6C+xLi++xe-LixC6

總反應(yīng):LiCoO2+6CLi1-xCoO2+LixC6CDDCDCEC:ethylenecarbonateDEC:

dimethylcarbonate鋰離子電池充放電示意圖1101001,00010,000100,000020406080100120140160180200SpecificEnergy,Wh/kgatCellLevelLeadacidLeadacid

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

Li-IonreplacesleadacidforStarting,Lighting,Ignition?鋰離子電池能驅(qū)動(dòng)HEV和EV嗎?只有鋰離子電池才能滿足電動(dòng)汽車動(dòng)力電源需求

誰掌控了鋰電池，誰就掌控了未來電動(dòng)汽車100年鋰離子電池能驅(qū)動(dòng)HEV和EV嗎?基本的電化學(xué)研究方法循環(huán)伏安掃描恒電流充放電交流阻抗循環(huán)伏安掃描（活性、反應(yīng)機(jī)理、可逆性、循環(huán)性）LiMn2O4粉末微電極在a.25℃、1mol/LLiPF6/EC-DMC-EMC(1:1:3byvol.)溶液中的循環(huán)伏安掃描圖。Fe-Si/C復(fù)合物粉末微電極在1mol/LLiPF6/EC+DMC溶液中的循環(huán)伏安曲線掃描速度0.5mV/s天然石墨粉末微電極在1mol/LLiPF6/EC-DMC溶液中的前兩周循環(huán)伏安掃描曲線（υ=1mV/s）

模擬電池恒電流充放電（工作電壓容量、循環(huán)性）模擬電池結(jié)構(gòu)示意圖阻抗（SEI膜、電荷傳質(zhì)等）Fe-Si/C復(fù)合物在不同電位下的交流阻抗譜

正極材料MainCathodMaterialsCo-based

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

▲

LiFePO4LiNi2/3Mn1/3O2

▲正極材料的要求具有較高的氧化還原電位，使電池輸出電壓高；可利用活性物質(zhì)高，容量高；充放電過程中，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；充放電過程中，氧化還原電位變化??；化學(xué)穩(wěn)定性好，與電解質(zhì)反應(yīng)?。惠^高的電子和離子導(dǎo)電率，大電流充放電性能好；價(jià)格便宜，對環(huán)境無污染。類別安全性能比容量mAh/g循環(huán)壽命/次電壓平臺(tái)材料成本所占成本比重適合領(lǐng)域鈷酸鋰差145＞5003.6高40%中小型移動(dòng)電池錳酸鋰較好105＞

5003.7低25%對體積不敏感的中型動(dòng)力電池三元素較好160＞8003.6較高33%中小型動(dòng)力電池磷酸鐵鋰很好150＞15003.2低廉25%對體積不敏感的大型動(dòng)力電源幾種正極材料應(yīng)用優(yōu)劣勢比較目前看來，磷酸鐵鋰材料最適合制作大型動(dòng)力電池，已成為世界各國競相研究和開發(fā)的重要方向！鋰離子電池關(guān)鍵正極材料負(fù)極材料的要求具有較低的氧化還原電位，使電池輸出電壓高；嵌鋰量大，容量高；充放電過程中，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；充放電過程中，氧化還原電位變化??；化學(xué)穩(wěn)定性好，與電解質(zhì)反應(yīng)?。涣己玫谋砻娼Y(jié)構(gòu)，形成良好的SEI膜；較高的電子和離子導(dǎo)電率，大電流充放電性能好；價(jià)格便宜，對環(huán)境無污染。常見負(fù)極材料金屬鋰負(fù)極由于鋰在溶解沉積的過程中生成枝晶，導(dǎo)致電極的表面積不斷增大，新增加的表面由于生成SEI膜導(dǎo)致與集體的接觸不良，因此鋰的溶解沉積效率較低。充電前充電后碳材料負(fù)極碳材料是目前最為理想的鋰離子電池負(fù)極材料，商品化的鋰離子電池采用它為負(fù)極，嵌鋰碳材料可用LixC6表示，當(dāng)X=1時(shí)達(dá)到最高的理論嵌鋰量，理論比容量為372mAh/g。石墨和中間相碳微球（MCMB）是實(shí)際應(yīng)用最廣泛的兩類碳材料。石墨碳微球石墨：層狀結(jié)構(gòu)，由碳網(wǎng)平面沿C軸堆積而成，層間距為3.36?。平面碳層由碳原子呈六角形排列并向二維方向延伸，碳層間以弱的范德華力結(jié)合，鋰嵌在碳層之間。石墨的實(shí)際比容量為320－340mAh/g

，平均嵌鋰電位約為0.1VVSLi＋/Li,循環(huán)性能好，且價(jià)格低廉(<10元/Kg).中間相碳微球：是用煤焦油瀝青、石油重質(zhì)油等在350-500℃溫度下加熱并分離、洗滌、干燥和分級等過程投籃的平均粒徑6-10微米的碳微球，然后于2800℃下進(jìn)行石墨化熱處理制得的碳材料，其外形呈球形，晶體結(jié)構(gòu)同石墨基本一致。MCMB的實(shí)際比容量為320－330mAh/g

，平均嵌鋰電位約為0.15V(VSLi＋/Li,),首周充放電效率約為88－90％，循環(huán)性及大電流性能好循環(huán)性能好，但價(jià)格昂貴(<300元/Kg).鈦酸鋰負(fù)極Li[Li1/3Ti5/3]O4循環(huán)性好，充放效率高（不形成SEI膜）；安全性好，不存在金屬鋰的沉積。嵌鋰－脫鋰電位高（1.5VVS.Li+/Li）；比容量低（理論175mAh/g），導(dǎo)致電池比能量下降。由于其較好的大倍率放電特性和安全性，目前在動(dòng)力電池領(lǐng)域受到關(guān)注。內(nèi)容4研究工作顧問北京大學(xué)教授中國科學(xué)院院士2005年何梁何利科技成就獎(jiǎng)2008年國家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)得主得州大學(xué)奧斯汀分校教授美國工程院院士國際鋰離子電池之父磷酸鐵鋰和鈷酸鋰發(fā)明人JohnB.Goodenough

院士徐光憲院士MichelArmand教授法國庇卡底大學(xué)教授法國總理府科學(xué)顧問鋰電池概念提出者之一Phostech公司創(chuàng)始人動(dòng)力與儲(chǔ)能電池實(shí)驗(yàn)室簡介黃云輝

教授、博導(dǎo)，材料成型與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，教育部長江學(xué)者特聘教授，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者，第三屆蘇州工業(yè)園科技領(lǐng)軍人才。中國能源學(xué)會(huì)理事，美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)會(huì)員、美國電化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)員。主要從事新型能源材料和磁電功能材料的科研與教學(xué)工作。在Science、Adv.Mater.、J.Am.Chem.Soc.、Chem.Mater.等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文60余篇，他引近1000次。張五星博士副教授，碩士生導(dǎo)師袁利霞博士副教授，碩士生導(dǎo)師胡先羅博士副教授，碩士生導(dǎo)師動(dòng)力與儲(chǔ)能電池實(shí)驗(yàn)室簡介J.B.GoodenoughandK.Padhi,J.Electrochem.Soc.,1997,144,1188.OlivineStructure(LiFePO4)HeterositeStructure(FePO4)

(1)倍率性能差；(2)振實(shí)密度較??；(3)低溫性能差。

理論比容量高(170mAh/g)；電壓穩(wěn)定(3.4V)；循環(huán)性能好(壽命長)；成本低；環(huán)境友好；安全性好。缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)磷酸鐵鋰正極材料鋰離子動(dòng)力電池關(guān)鍵材料及技術(shù)中投顧問：《2008-2010年中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)分析及投資咨詢報(bào)告》，預(yù)計(jì)2012年中國磷酸鐵鋰需求5.2萬噸（100億元，只計(jì)算了新能源汽車，未計(jì)算電動(dòng)工具和電動(dòng)自行車）。日信證券研究報(bào)告：《磷酸鐵鋰的蛋糕有多大？》

僅對混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車、電動(dòng)代步車4個(gè)領(lǐng)域的電池需求進(jìn)行測算。保守地按照10-20%的滲透率計(jì)算，磷酸鐵鋰電池全球的市場規(guī)模達(dá)280億元，磷酸鐵鋰需求量達(dá)6萬噸。A123認(rèn)為：2010年，全球磷酸鐵鋰的供給缺口達(dá)到10萬噸。目前產(chǎn)量與產(chǎn)能：當(dāng)前全球磷酸鐵鋰的產(chǎn)能約為1萬噸，實(shí)際產(chǎn)量不到5000噸，下游需求是當(dāng)前產(chǎn)能的10倍。磷酸鐵鋰：市場需求劇增原始專利：

為美國得州大學(xué)JohnB.

Goodenough教授所擁有（USPatent5,910,382），目前該專利加拿大Phostech公司（德國南方化學(xué)控股子公司）擁有授權(quán)，在工業(yè)七國有效。

碳包覆專利：

M.

Armand等2001年申請，主要技術(shù)是采用碳作為添加劑合成磷酸鐵鋰，有效地改善了磷酸鐵鋰的導(dǎo)電性能，提高了材料的可逆容量和大電流充放電性能；該專利加拿大Phostech公司擁有授權(quán)。

2008年獲中國發(fā)明專利授權(quán)。離子摻雜改性專利：

2002年MIT的Chiang等申請，主要技術(shù)是采用離子（Nb5+、Mn2+）摻雜的方式合成改性磷酸鐵鋰，大大改進(jìn)了材料的導(dǎo)電性能，在此技術(shù)基礎(chǔ)上，成立了A123公司。專利與技術(shù)磷酸鐵鋰發(fā)展的關(guān)鍵與瓶頸需解決的問題：(1)倍率性能差；(2)振實(shí)密度較?。?3)低溫性能差；(4)批次穩(wěn)定性差。我們的策略性能優(yōu)化電活性導(dǎo)電高分子復(fù)合M-摻雜納米化磷酸鐵鋰性能優(yōu)化磷酸鐵鋰-導(dǎo)電高分子復(fù)合正極材料0.1C充電至4.1V,再在不同電流下放電充電性能比較(0.120C充電,0.1C放電，ED：原位電聚合，Chem：化學(xué)聚合)比容量提高快速充放電（6分鐘充電至94%）黃云輝等，中國發(fā)明專利,200910061625.8.；中國發(fā)明專利,200910061624.3.磷酸鐵鋰-導(dǎo)電高分子復(fù)合正極材料產(chǎn)品特點(diǎn)：（1）無碳包覆、100納米；（2）比容量（實(shí)驗(yàn)室接近160mAh/g）；（3）倍率特性好；（4）循環(huán)壽命長；（5）低溫