宜春-锂离子电池

锂离子动力与储能电池及其关键材料黄云辉同济大学汽车学院2010年9月1日•1984.091988.07:北京大学化学与分子工程学院化学专业本科•1988.091991.07:北京大学化学与分子工程学院分析化学专业硕士研究生（导师：高小霞院士）•1991.071997.08:江西省南昌航空大学原化学工程系，曾任系副主任，并兼任江西省环化高新技术公司法人代表，校级学术带头人•1997.092000.06:北京大学化学与分子工程学院无机化学专业博士研究生（导师：徐光宪院士）•2000.072002.06:北京大学稀土材料化学及应用国家重点实验室博士后•2002.072005.06:上海复旦大学先进材料实验室副教授•2002.112004.10:日本东京工业大学日本学术振兴会（JSPS）特别研究员•2004.112007.12:美国得州大学奥斯汀分校，从事燃料电池和锂离子电池的研究（合作教授：“国际锂电池之父”JohnB.Goodenough院士）•2008.01华中科技大学教授、博士生导师，教育部“长江学者”特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，新世纪百千万人才工程国家级人选•2010.09同济大学特聘教授黄云辉教授简历北京大学教授，中科院院士2005年何梁何利科技成就奖2008年国家最高科学技术奖得主徐光宪院士锂离子动力与储能电池及其关键材料2009年1月9日徐光宪院士在人民大会堂接受国家领导人颁发的国家最高科学技术奖锂离子动力与储能电池及其关键材料得州大学奥斯汀分校教授美国工程院院士“国际锂电池之父”，美国总统奖获得者JohnB.Goodenough锂离子动力与储能电池及其关键材料内容提要前沿1234锂离子电池知识简介锂离子电池关键材料锂离子动力与储能电池5发展与展望1前言内容提要ET时代新能源核能风能氢能生物能海洋能能源危机金融危机生态危机低碳经济太阳太阳能新能源产业新能源产业的发展与挑战温家宝总理在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全球：第四次工业革命——新能源革命风起云涌美国奥巴马“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欧洲中国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大城市空气污染的50%来自汽车；1亿吨油产生CO2约3亿吨。发展电动汽车大势所趋我国现状：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”。电动汽车和混合动力汽车比亚迪双模本田丰田Prius锂离子电池应用领域BYDhybridcarOlympicE-busGolfcartSolarE-bicycleSolarroadlampsHeadlamps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•电动车•电动机•电控系统•动力电池•正极材料•电源管理•供电体系•电池回收•充电服务电动技术产业•能量回收•充电设施•负极材料•电解液•资源再生•电池复用•膜年产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！2锂离子电池知识简介内容提要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。电池一次电池二次电池锌锰干电池纽扣电池锂原电池铅酸电池镍氢电池锂离子电池化学电源分类锂离子电池铅酸电池锂离子电池一次电池干电池上图是锌－锰干电池铅蓄电池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。锂离子电池锂离子电池充放电示意图LoadElectrolytee-e-正极负极Li+Li+ChargeDischargeLixC6Li1-xCoO2电池:()C|LiPF6-(EC+DEC)|LiCoO2(+)正极:LiCoO2Li1-xCoO2+xLi++xe-负极:6C+xLi++xe-LixC6总反应:LiCoO2+6CLi1-xCoO2+LixC6CDDCDCEC:ethylenecarbonateDEC:dimethylcarbonate电池正极负极电解质LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4等人造石墨系列、天然石墨系列、焦炭系列等有机溶剂电解质（液态）聚合物电解质（固态、凝胶）锂离子电池的组成▲LiFePO4LiNi2/3Mn1/3O2▲锂离子电池正极材料由小型电池向动力、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、安全性好新型锂离子动力电池发展趋势及目前问题质子交换膜燃料电池HeatHeatElectrolyteAnodeCathodee-2e-Air1/2O2H+conductorH2O2e-+H22H+H2OH2e-H2+½O2H2O+Electricity+HeatCatalyst100°CHeatHeatElectrolyteAnodeCathodee-6e-Air3/2O2H+conductor6e-+6H+H2Oe-CO2MeOH(aq)3H2O直接甲醇燃料电池CH3OH+3/2O2=CO2+2H2O3锂离子动力与储能电池内容提要动力–储能电池1.燃料电池氢能动力2.二次电池锂离子电池3.超级电容器储能电池燃料电池二次电池超级电容器能量类型化学能电能化学能电能能量传送能量储存与转换开放系统密闭系统电双层应用潜在(商用电源、电动车、发电)广泛(电子器件、电动车等)潜在(电动车等)不同电池比较kWh/tkWh/m3Drivingrange/kmSpecificPower/Wkg-1Specificenergy/Whkg-1大型化电动汽车电动自行车太阳能发电动力电池锂离子电池储能电池风力发电小型电池电子电器手机通讯传统领域发展趋势发展趋势航空航天锂离子动力与储能电池Points-lines-AreasstructureandtransportationmeanschoiceE-bike050200townBigcityInter-cityBEVSubwayE-busE-RailwayAirlineWaterwayMicroEVE-buskmIndustryProspectofChineseNewEnergyVehicleE-bikeE-bike0100200300400500Wh/l0100200300Wh/kgPanasonic20083.6Ah740Wh/lLi-IonNi-MHNi-CdLeadAcidPrimaryLithiumAlkalinePrimaryNi-Zn储能体系比较谁掌控了锂电池，谁就掌控了未来电动汽车100年！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CanLi-IonpowerHEVsandEVs?新能源产业储能(动力)电池风能光能电网瞬时性、流动性能源时间上移动电动汽车电动摩托车军用电源能源空间上移动动力和储能电池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！NATURE|Vol456|27NEWSFEATURE7November2008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%)。By2010Windelectricitywillbe5MKW,2020:Windelectricitywillbe3%(30MKw)ofthetotal.2008windpowerreached12.21MKW.高性能储能电池–锂离子电池020406080100比功率比能量工作温度范围寿命安全成本今后目标国际水平现状水平（2000W/Kg）（200Wh/Kg）（-30-60C）（10~15年）（车用:2元/Wh储能1元/Wh）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，Slitdie（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。4锂离子电池关键材料内容提要Prius电动汽车锂离子动力电池核心电源磷酸铁锂正极材料关键瓶颈铅酸电池镍氢电池钴酸锂锰酸锂锂离子动力与储能电池大功率锂电池安全性好成本低寿命长无污染正极材料主要正极材料Co-basedLiCoO2Mn-basedLiMn2O4LiNi0.5Mn1.5O4Multi-elementsLiNixCo1-x-yMyO2P-basedLiMPO4类别安全性能比容量mAh/g循环寿命/次电压平台材料成本所占成本比重适合领域钴酸锂差145＞5003.6高40%中小型移动电池锰酸锂较好105＞5003.7低25%对体积不敏感的中型动力电池三元素较好160＞8003.6较高33%中小型号动力电池磷酸铁锂很好150＞15003.2低廉25%对体积不敏感的大型动力电源几种正极材料应用优劣势比较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！J.B.GoodenoughandK.Padhi,J.Electrochem.Soc.,1997,144,1188.OlivineStructure(LiFePO4)HeterositeStructure(FePO4)(1)导电性差；(2)堆积密度较小。理论比容量高(170mAh/g)；电压稳定(3.4V)；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磷酸铁锂正极材料缺点优点磷酸铁锂单电池动力电池产品指标：比容量150mAh/g倍率10C(6分钟)循环寿命：3000次（0.2C）工艺导电高分子复合磷酸铁锂免碳包覆纳米磷酸铁锂特殊的低温制备工艺，无碳包覆。电解液性能负极具有自主知识产权，避开碳包覆专利壁垒！锂离子动力电池关键材料及技术Li4Ti5O12LiFSI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M-掺杂纳米化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；侵犯专利（中国专利ZL01816319.X）碳包覆的缺点磷酸铁锂碳包覆磷酸铁锂-导电高分子复合正极材料0102030405004080120160200Specificcapacity(mAh/g)CyclenumberC-LFPC-LFP/7.9%PANI-HClC-LFP/10.3%PANI-HCl(a)0.1C充电至4.1V,再在不同电流下放电040801201602.42.83.23.64.05C1CC/2C/5C/10(C-LiFePO4)0.84(PPy)0.16C-LiFePO4/C/PTFECellvoltage(V)Specificcapacity(