水系锂离子电池—Li4Ti5O12

电化学储能技术在新能源利用中的作用和发展趋势夏永姚复旦大学化学系复旦大学新能源研究院TrendsandForecastofWorldEnergyDemand90%石油、焦炭、天然气资源将在200年300年左右后枯竭Energy石油/天然气焦炭原子能/再生能源Time2000300025001500现在能源消耗随时间的推移化石能源的问题1．化石能源的短缺世界上煤、石油和天然气的储采比分别为204、40和60年，中国的情况更为严峻，据2002年统计，中国煤、石油和天然气的储采比只有82、15和46.3年。2.化石燃料造成严重环境污染和气候异常排放的CO2会造成温室效应，使全球气候变暖。在10年内，世界的气候将产生不可逆转的变化。我国的环境污染问题更是日趋严重，目前，我国CO2排放量占世界总排放量的14％，在美国之后位居第二，估计到2025年，将位居第一。大致需要分以下阶段处理1.当前最主要是环境污染，油价上涨，需要节油，降低污染；(提高化石资源的利用率、电动汽车)2.50-100年内很有可能出现油气枯竭，需要解决代油措施；(洁净煤的利用)3.二、三百年内（煤枯竭前）必需找到新一代可持续，无污染的能源方案。(氢能、风力、太阳能等）绿色汽车-电动汽车1.纯电动车(PureElectricVehicle,PEV)2.油电混合电动车(HybridElectricVehicle,HEV)（未来十几年是主流）3.燃料电池车(FuelCellElectricVehicle,FCEV)4.超级电容电动车(SupercapacitorElectricVehicleSEV)ホンダインサイト(INSIGHT)(価格210万円)燃費35km/リットル(排気量1000cc)円筒型ニッケル・水素電池6.5Ah×7.2V×20=0.94kWh,出力；10kW日産ティーノ(Tino-HYBRID)(価格315万円)燃費23km/リットル(排気量1800cc)マンガン系リチウムイオン電池3.6Ah×(200～120V)×2=1.15kWh出力；25kWトヨタプリウス(PRIUS)(価格215万円)燃費31km/リットル(排気量1500cc)角型ニッケル・水素電池6.5Ah×7.2V×38=1.78kWh,(44Wh/kg)出力；34kW(880W/kg)已商品化的HEV燃料电池车HEV是主流高圧水素タンク搭載（ニッケル・水素電池）高圧水素タンク搭載（ニッケル・水素電池）メタノール燃料搭載高分子固体電解質型燃料電池スタック超级电容车上海工博会锋芒初露05000010000015000020000025000030000035000040000045000050000097CY98CY99CY00CY01CY02CY03CY04CY05CY06CY07CYHEVunitsMercuryMarinerEscapeTwinLegacyAltimaAccordCivicInsightVitzISCrownCorollaTandraCamryGS450hKluger(Highlander)Harrier(RX400h)AlfardEstimaPriusIIPriusI'PriusIUSmarketHEVUnitMarketLIBshiftinHEVisfirmLIBcostdown(to50JPY/Wh)ispossible,ifthematerialsforportableLIBareutilized(materialdemandforportableLIBin2013CYwillbeaboutx3ofthatin05CY)Keyofdramaticcostdownisloweringseparatorandelectrodemanufacturingcost,whichwillbesolvedbynewcelldesign?PriceForecastofLIBforHEV02040608010012014016018005CY08CY13CYCostJPY/WhOthersElectrodeOEMLamipackElectrolyteSeparatorCufoilAnodeAlfoilCathodeNiMHLaminatepack,stackelectrode,3-4Ahcell为什么要考虑新能源结构?１.煤:储量可用二百年以上，但引起的环境污染严重。即使是现代化大电厂对CO2也未加处理2.油、气:存在三大问题资源不足,已知可采储量仅可用100年(?);污染严重,尤以大量汽车为甚;产地经过于集中(沙特及周边,俄罗斯,美,中);3.核裂变燃料储量有限.亿年以上形成的化石和矿石燃料只能支持约300年的现代工业文明！太阳能——可再生能源之源全国三分之二的国土面积年日照小时数在2200小时以上，年太阳辐射总量大于每平方米5000兆焦。西北、东北、广东、福建、海南等地区的太阳辐射能量较大，尤其是青藏高原地区太阳能资源最为丰富。问题:光伏太阳能电池技术发电成本与传统能源相比仍然偏高。此外，太阳能还存在严重的时间不均匀性以及能量密度低等缺点；这些缺点导致太阳能光伏发电难以并入大规模电网。。风能发电目前最具成本优势的可再生能源根据最新风能资源评价，全国陆地可利用风能资源3亿千瓦，加上近岸海域可利用风能资源，共计约10亿千瓦。主要分布在两大风带：一是“三北地区”（东北、华北北部和西北地区）；二是东部沿海陆地、岛屿及近岸海域。另外，内陆地区还有一些局部风能资源丰富区。问题:风力资源较好的地区,风力发电成本与燃油发电或燃气发电相比,已经具备成本竞争力。风能利用的最大难题是风速与风向的不稳定性和随机性。风能的上述特点使得风电电压不稳、频率不稳、相位不稳、发电与用电不同步。。新疆达坂城风力发电场总容量：12.5万千瓦2008.6.10某岛能量月分布风能波浪能太阳能波浪能月平均能流密度2345123456789101112月kW/m风能平均能流密度200300400500600123456789101112月份W/平方米太阳辐射能月平均值100150200250300123456789101112月W/平方米某岛能量日分布风能、波浪能日分布0501001502002503003504004501357911131517192123小时W单位面积风能某迎波宽度波能可再生能源发电的不稳定性风力、太阳能、潮汐和波浪发电发电能力无法恒定，利用困难风力发电并网，不受欢迎电压不稳，频率不稳，相位不稳发电与用电不同步必需有大规模蓄电装置与之配套运行大型储能电池需要解决的问题特点:高安全性、低成本、长寿命储能电池DC/AC转换照明MPPT控制MPPT控制AC/DC转换风力太阳能评价的因素1、能量转换效率2、能量转换成本3、资源支撑能力4、安全性经济效益——规模蓄电的特有要求“高效储能”——通过变换-储能-再发电的循环过程，使能量利用取得最佳经济效益和社会效益。钠硫熔融电池优点：高比功率；高比能量；转换率高。不足：高温运行，启动慢；费用较高；材料腐蚀安全性差。液流蓄电池Cr–Fe电池—最早的体系，酸性氯化物溶液优点缺点（1）大规模蓄电——储罐没有尺寸限制；（2）安全，可深度放电；（3）有很大的充放电速率；（4）长寿命，高可靠性；（5）无排放，噪音小；（6）启动快，充、放电切换只需要0.02秒；（7）选址不受地域限制，1-2年可建成，运行和维持费低（1）正极、负极电解液交叉污染；（2）要用价贵的离子交换膜；（3）两份溶液，体积大，平均之后比能量低。流液蓄电池的特点优点：1.价格低（按每Wh计）2.安全、可靠3.废电池易回收再生４.生产工艺成熟、较简单缺点：循环寿命差铅酸电池质子交换膜燃料电池（储氢）电解水电能变换能量载体-氢气PEMFC再发电‘氢能’转换效率90%40%燃料电池商业化的问题低温质子交换膜燃料电池1.贵金属催化剂资源有限2.质子交换膜价格昂贵中高温燃料电池(SOFC,MCFC)1.密封问题2.寿命问题关键技术：NaBH4低能耗制备技术开发不受资源限制的燃料电池系统Xiaetla.,Electrochem.Commun.，8,1755-1788,(2006).特点:1.两极不用贵金属催化剂2.普通电池隔膜优点：循环寿命若干万次，比功率高。缺点：比容量小，放出位能量的投资（C）很高超级电容器ActivecarbonElectrolyteCollectorSeparatorCollector______________________++++++++++++______________________++++++++++++化学电源需要解决的关键问题1001000100000.11101001000SpecificEnergy(Wh/Kg)SpecificPower(W/Kg)EDLCPb-PbO2MHLi-ionMyinterests如何提高比能量、比功率、寿命和安全性?KeyPointsofImprovingEnergyandPowerAmountofEnergy:E=1/2CV2C:Specificcapacity(Ah/kg)V:OperatingVoltage(V)HigherCapacityHigherVoltageLowerResistanceElectrolyteMaterialHighvoltage,highconcentration,highionconductivityElectrodeMaterialHighcapacity,fastiondiffusion,highelectronconductivityCellstructureHighpackagingefficiency,highefficientcurrentcollectionSeparatorMaterialThinthickness,lowresistance,hightoleranceofshortcircuit如何提高电化学电容器的比能量E=1/2CV205101520250.00.51.01.52.02.53.0Voltage(V)Capacity(mAh/g)电压电容电池电极电容电极混合型体系纳米尺度纳米结构纳米材料最优化孔径是多大?电容表面积孔径内表外表0.8~2nm:微孔2~50nm:介孔50nm:大孔理论值：20F/cm2200F/g,10F/cm2(aqueouselectrolyte)100F/g,5F/cm2(nonaqueouselectrolyte)有机-有机自组装有序介孔材料特点:超高的比表面积(~3000m2/g),孔径可调(2~50nm),高的孔体积(3.5cm3/g)和孔隙率(90%)不同孔径长度的有序介孔碳的电镜照片porelength:2mmporelength:200~300nmTheionpenetrabilitycanbeexpressedbyformula:离子在介孔中的扩散途径RCrladp21SBET(m2/g）Sex(m2/g)Vt(cm3/g)Dp(nm)a0(nm)l/rC(F/g)C(F/cm3)SOMC117910151.503.912.75011044LOMC136211661.483.89.625010040AC20000.582.310050di-OMCtri-OMCSpecificcapacitance：di-OMC:2F/g(1.4F/cm3):tri-OMC:120F/g(36F/cm3)SBET(m2/g）Vt(cm3/g)Dp(nm)Wall(nm)a0(nm)Shrinkagedi-OMC6500.373.16.69.740％tri-OMC23901.946.75.211.917％不同孔径有序介孔碳的电镜照片0.00.51.01.52.02.53.0-150-100-500501001502002505mv/s10mv/s20mv/s50mv/s100mv/sVoltage(V)Capacitance