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文檔簡(jiǎn)介
動(dòng)力鋰離子電池現(xiàn)狀、安全性及壽命評(píng)測(cè)2011汽車動(dòng)力電池國際研討會(huì)INET,
Tsinghua
University
2011年2月23-24日,上海
新型能源與材料化學(xué)研究室Institute
of
New
Energy
Technology內(nèi)容????動(dòng)力電池現(xiàn)狀鋰離子動(dòng)力電池的安全性鋰離子動(dòng)力電池的使用壽命
Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University
清華大學(xué)核研院鋰離子電池實(shí)驗(yàn)室介紹The
Great
WallMingInstitute
of
Nuclear
and
New
Energy
TechnologyTsinghua
University??Less
than
50
minutes
drive45
kmThe
Institute
Tsinghua
BeijingInstitute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
UniversityTombsInstitute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University燃料電池實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)帶頭人:姜長印、萬春榮學(xué)術(shù)骨干(博士):何向明、蒲薇華、應(yīng)皆榮、李建軍、劉靖
、
郭建偉、研究骨干(碩士):武玉玲、馮麗娟、張麗春、孫文婷、陳敏實(shí)驗(yàn)室技師:陳克勤、常彩霞、李智敏、康建峰、楊兆衛(wèi)、史波?????鋰離子電池實(shí)驗(yàn)室
王
莉、任建國、李建剛、高
劍
博士生、碩士生:10-15名
Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University鋰離子電池研究概況材料合成,機(jī)理診斷,電極/電池工程化,數(shù)學(xué)模型電池模型Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University從納米尺度到微米尺度,再到毫米尺度性能
電極結(jié)構(gòu)
電池結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)
材料合成
材料修飾
表面/界
面化學(xué)
新工藝
新材料安全性長壽命電極制造電池制備
電極
模型
高性能
鋰電池
電極模型目前市場(chǎng)上的混合動(dòng)力車Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
UniversityToyota
Highlander
Lexus
RX400hHonda
Insight
Lexus
GS450hToyota
Camry
Honda
Civic
Toyota
PriusHonda
AccordSaturn
VueChevy
SilveradoFord
Escapemore
and
more混合動(dòng)力車ELECTRIC
ACCESSORIESPETROLEUM
ONLY
76hp
gasoline
engine,
67hp
electric
motor,
1.5kWh
battery
Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University
ADVANCED
ENGINEFuel
Flexibility插電式混合動(dòng)力車
ELECTRIC
ACCESSORIESADVANCED
ENGINE
PETROLEUM
AND/OR
ELECTRICITY
BATTERY
RECHARGE76hp
gasoline
engine,
67hp
electric
motor,
9.0kWh
battery
(30mi)
Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
UniversityE-Transportation
is
the
most
significant
technological
revolution
after
the
cellular
and
the
internet.
電動(dòng)交通是移動(dòng)電話和互聯(lián)網(wǎng)后的最重要的技術(shù)革命
。
Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University電動(dòng)車對(duì)動(dòng)力電池的需求在持續(xù)增長
?
MW
reserve
power
plants.
兆瓦級(jí)儲(chǔ)能電站。
Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University鈦酸鋰電池移動(dòng)儲(chǔ)能電站Electrovaya,
International
Battery,
Ultralife,
Valance,
Saft.
BYD
磷酸鐵鋰電池固定儲(chǔ)能電站
規(guī)模儲(chǔ)能是動(dòng)力電池的又一重要市場(chǎng)
?
Manage
fluctuations
in
electricity
demand.
平抑電網(wǎng)波動(dòng)。
?
Manufacturers
to
take
a
part:
A123,
Altairnano,
Enerdel,different
cell
model>120
different
cell
models
?
Ultra
High
power
超高功率(>20C)-
19
manufacturers,
Market
grow
of
15%
CAGR(復(fù)合年均增長率)
per
year
driven
by
the
EV
growing
market,
Cell
costs
are
decreasing
by
8%
per
year
(Source:
IIT).Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University
動(dòng)力電池的現(xiàn)狀
?
High
power
高功率(>10C)-
84
manufacturers,
>
1500
Pouch
Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University動(dòng)力電池的包裝方式Prismatic
cells
?較好的傳熱安全性好使用壽命長
cells
Cylindrical
cells
CellSize[mm]Cap[Ah]CyclelifeTemprangeWeight[gr]Weightenergydensity[Wh/Kg]Volumeenergydensity[Wh/L]-Weightconstantpowerdensity[W/Kg]Volumepowert.density[W/L]A123-AHR18700M1ULTRAD=18L=700.71000to90%-10to10038601291085523169A123-AHR32157M1HDD=32L=157101000to80%-30to603041082611085526148Saft-VL12VD=47L=17312500to80%-30to6064067144843718000功率最高的磷酸鐵鋰電池
See
also
‐
Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
UniversityInstitute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University
Beijing
China
Powerel北京中潤恒動(dòng)電池有限公司850
x560
x
71200500
to
80%?7000102211028213
Lionik深圳市龍鋰實(shí)業(yè)
有限公司255
x145
x
55100500
to
80%
-20to
60360010518610551868
單體電池容量最高的高功率動(dòng)力電池
Cell
Size
Cap
Cycle
Temp
Weight
Weight
Volume
[mm]
[Ah]
life
range
[gr]
energy
energy
density
density
density
density
[Wh/Kg]
[Wh/L]
[W/Kg]
[W/L].CellVCap[Ah]Cyclelifeto80%Highoper.Temp.[c]Weightenergydensity[Wh/Kg]Volumeenergydensity[Wh/L]Weightpowerdensity[W/Kg]Volumeenpoweromdensity[W/L]SaftVL32600-1254.2420012512325961129AdvancedBatteryFactory3.2v/60ah3.660300090801276661060操作溫度最高的動(dòng)力電池
EV
needs
batteries
with
up
to
80C
high
temperature
operating
range…
mInstitute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
UniversityCellI.DWh/KgChargeRateCycleLifeGPLbattery,GE-32AH-02,32AH939.38C500GAIAUHE-341440,7.5AH8416C500ToshibaSCiB6511.9C6000StandardChargeQuickChargeFastChargeUltraFastCharge<C/3C/3<,<2C>2C>10C快速充電動(dòng)力電池?短問題的最經(jīng)濟(jì)的方法。road
charging
stations.Current
Market
Ultra
fast
charging
cell
Ultra‐fast
charge
Station
Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University快速充電
(up
to
5
min,
>80%
capacity)
是解決電動(dòng)車?yán)m(xù)駛里程Toshiba
Super
Charge
Lithium
Ion
Battery
-
SCiB?
Lithium
Manganese
oxide
Spinel
cathode
-
LMO?
Lithium
Titanate
Oxide
anode
–
LTO?
Recharge
to
90%
of
full
capacity
in
less
than
5
minutes.?
Excellent
safety
because
of
high
level
anode
stability.?
6000
cycles
of
full
D.O.D
to
90%
of
initial
capacity.?
Low
temperature
discharge
from
-30C.?
SCIB
is
currently
available
on
the
Schwinn
Tailwind
electric
bike.2.4Voc65
Wh/Kg131
wh/l650
W/Kg1316
W/l
Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
UniversityVW
&
Toshiba動(dòng)力電池的安全性問題將影響其市場(chǎng)命運(yùn)If
it
is
not
safe
it
will
not
survive…
Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University動(dòng)力電池的安全性問題
鋰離子電池的安全性
Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
UniversityInstitute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
UniversitySafety
casesInstitute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
UniversitySafety
cases?
安全性的概念濫用安全性
abuse
thermal
runaway
–
Mechanical
機(jī)械的
?
crush,
nail
penetration
擠壓、針刺–
Electrical
電的
?
short
circuit,
overcharge
短路、過充–
Thermal
熱的
?
thermal
ramp,
simulated
fire
熱箱、火燒?現(xiàn)場(chǎng)安全性
field
failure
thermal
runaway
–
Manufacturing
defects
由制造瑕疵引起
?
Loose
connection,
separator
damage,
foreign
debris
連接問題、隔
膜損壞、粉塵
?
Can
develop
into
an
internal
short
circuit
隨機(jī)發(fā)生,引起內(nèi)短路
?
Can
lead
to
overheating
and
thermal
runaway
引起過熱與熱失控
Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
UniversityInstitute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University濫用安全性Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University現(xiàn)場(chǎng)(隨機(jī))安全性兩種安全性概念的差異現(xiàn)場(chǎng)安全性濫用安全性Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University
Predictable
可預(yù)測(cè)的
Common
to
all
cells
對(duì)每
一個(gè)電池
Can/should
be
evaluated
at
the
cell
level
可以通過
測(cè)試進(jìn)行評(píng)估
Time
constants
relatively
long
發(fā)生過程較長
Can
be
augmented
by
protection
devices
可以
通過保護(hù)措施進(jìn)行改善
Not
predictable
不可預(yù)測(cè)的
One-in-a-million
(or
less)
隨
機(jī)小概率發(fā)生
Difficult
to
evaluate
at
the
cell
level,
or
through
QC
無
法通過測(cè)試進(jìn)行評(píng)估,也不
能通過質(zhì)量管理來完全消除
can
occur
quickly
發(fā)生很突
然
PTC,
CID,
shutdown
separators,
electronic
controls
not
are
effective
目
前所有的安全性措施,均不
能完全消除鋰離子電池安全
隱患?
發(fā)生安全事故的鋰離子電池,之前均通過UL安全認(rèn)證。
?
發(fā)生原因基本上是不可預(yù)測(cè)的內(nèi)短路所造成。而這種內(nèi)短
路似乎是不能完全消除。
?
引起安全事故的電池在制造時(shí),均是合格品。?
目前濫用安全性標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試結(jié)果,與發(fā)或者不發(fā)生安全性
事故,之間沒有任何聯(lián)系。
Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University
鋰離子電池安全性
?
對(duì)于筆記本電腦電池,發(fā)生概率在幾百萬分之一。?
Major
effort
has
been
payed
to
improve
the
ways
weaddress
safety
in
lithium-ion
batteries,
however?
在人們?nèi)绱酥匾曚囯x子電池安全性的今天,嚴(yán)重的安全性問
題還時(shí)有發(fā)生。?
The
battery
community
does
not
have
adequate
tests
to
evaluate
safety
as
it
relates
to
the
safety
incidents
that
have
taken
place
or
could
take
place.?
人們還沒有找到合適的方法來預(yù)測(cè)和評(píng)測(cè)這類安全隱患問題?
我們?cè)谧龉ぷ?,希望“十二五”結(jié)束時(shí),這個(gè)問題得到一定程
度的解決。
Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University
鋰離子電池的安全性
serious
safety
incidents
can
always
occur.
Energy
Released
(J)熱失控的機(jī)
Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University249.9378292.573.71640
0.90300200100700600500400Anode/Binder
Anode/Solvent
SEIDecompnCathodeBreakdownSeparatorOxidn@CathodeSolvent
Oxdn
JouleHeating@Cathode鋰離子電池安全性900800
0.8
Ah
鈷酸鋰手機(jī)電池826.2
Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University負(fù)極材料的安全性改進(jìn)Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University正極材料Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
UniversityHeat
releaseSafety
of
cathode
Materials
Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University隔膜
隔膜關(guān)閉的溫度范圍?
Strength
and
physical
integrity
抗壓機(jī)械強(qiáng)度?
Shrinkage
allowance
熱收縮率
Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University
影響電池安全性的重要指標(biāo)?
Shutdown
performance??
電解質(zhì)Solvent,non-flamableSalts,high
decomposition
temperature??Additives,F(xiàn)lame-RetardantGel
electrolyte
Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
UniversityP(VdF-HFP)凝膠電解質(zhì)在
Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University
凝膠電解質(zhì)?
凝膠電解質(zhì)的放熱量與放熱速率黃倩,廈門大學(xué)博士論文?
燃燒過程中的放熱總量非常
接近于純液態(tài)電解液體系。
并且隨著P(VdF-HFP)在凝
膠電解質(zhì)中濃度的增加,其
相應(yīng)的熱釋放速率逐漸降低
。采用P(VdF-HFP)凝膠電
解質(zhì)比液態(tài)電解液更為安全?
PMMA凝膠電解質(zhì)體系中,
情況卻是相反:其燃燒反應(yīng)的
放熱總量和熱釋放速率都隨PMMA的加入而顯著增大。鋰離子電池的安全性是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問題?
動(dòng)力電池安全性是一個(gè)系統(tǒng)問題。?
從單純的電池材料改性(正極、負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜
…)是不能完全解決安全性問題,但可以大幅度地提
高。
Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
UniversityInstitute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University正極材料包覆鈷酸鋰包覆磷酸鋁5-10nm
AlPO4過充電前過充電后自制安全性手機(jī)電池
過充電試驗(yàn)未燃燒、未爆炸。市售品牌電過充電池電芯
Institute
of
New劇烈燃Technology,
INET,
Tsinghua
UniversityEnergy
燒高性能高安全性動(dòng)力電池采用正極材料表面與界面控制技術(shù)、電解質(zhì)添加劑等技術(shù),制備出高安全性動(dòng)力電池。20V過充
150℃熱箱
5小時(shí)以上標(biāo)稱容量12Ah,三元氧化物正極材料。電池比能量大于160wh/kg,比功率大于1200W/kg,
Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University安全很好的倍率性能目前市售三元?jiǎng)恿﹄姵氐倪^充電?
充電到5.2V時(shí),發(fā)生劇烈燃燒Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University目前市售三元?jiǎng)恿﹄姵?
充電到4.15V,加熱到120℃,發(fā)生劇烈燃燒Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University?
動(dòng)力電池的使用壽命與成本?
如何評(píng)測(cè)動(dòng)力電池的使用壽命?
現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)電池的壽命狀態(tài)(SOH)
Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University鋰離子動(dòng)力電池的使用壽命
?
PHEV
battery
likely
to
deep-cycle
each
day
driven:
15
yrs
equates
to
4000-5000
deep
cycles?
Also
need
to
consider
combination
of
high
and
low
frequency
cycling
and
calendarwlife
電池電池循環(huán)壽命70%50%
4000
Data
presented
by
Christian
Rosenkranz
(Johnson
Controls)
at
EVS
20,
2006
Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University52%
EVInstitute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University$4,005$2,865$2,919$3,002$1,998$1,992$2,004$2,020$2,079$2,407$2,454$2,433$5,117$8,433$663$-$2,000$4,000$6,000$10,000
$8,000$14,000$12,000$18,000$16,000CVHEVPHEV20PHEV40transmissionengine25%
電池占電動(dòng)車成本比例
Projected
Retail
Powertrain
Costs
-
Midsize
Sedans
1)
including
manufacturer
and
dealer
markups
2)
all
component
costs
assume
projected
statuscharger/plugbattery
40%motor/inverter60%動(dòng)力電池的使用壽命?
電池的成本占整個(gè)電動(dòng)車成本的25~60%。是一個(gè)非常重要的零部件。?
車的使用壽命:10-15年?
動(dòng)力電池目前的使用壽命是3-7年,LG化學(xué)聲稱可
以有10-15年的壽命保證。?
因此大幅度地延長動(dòng)力鋰離子電池的使用壽命,
使之達(dá)到與電動(dòng)車的壽命相當(dāng),是目前動(dòng)力鋰離
子電池發(fā)展的關(guān)鍵問題。?
需要?jiǎng)恿﹄姵厥褂脡勖u(píng)測(cè)技術(shù)做支撐。
Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
UniversityOhmic
Resistance
[]Ohmic
Resistance
[]Ohmic
Resistance
[]temperature
large1.51.3
HighdeCycles50100
150
200
250
300
350
400
450
Cycles
Institute
of
New
Energy
Technology,
INET,
Tsinghua
University1.21.1
11.11Effects
of
charging/discharging
depth
2.5
21.51
0050100
150
200
250
300
350
400
450
Cycles050100
150200250
300350
400
450ep?影響動(dòng)力電池的使用壽命的因素
–
溫度
–
電流–
充放電深度
動(dòng)力電池的使用壽命評(píng)測(cè)
Effects
of
charge
current
Effects
of
1.6
1.7
1.5
1.6
1.4
1.4
1.2
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