新能源― ―动力电池

OrganizationMovingEnergytoYou新能源—动力电池制作人：DK_Liu日期：2011.06.01OrganizationMovingEnergytoYou一、课题的背景及意义国际大环境—能源危机、温室效应如今欧美发达国家，日、韩，中国都把技术创新的焦点集中于新能源产业。大力发展新能源汽车是我国节能减排、降低原油进口依赖的战略选择。中国原油对外依存度高达48%，原油消费中60%是交通用油。同时我国又是世界第二大CO2排放国，占全球排放总量的18.8%，而汽车尾气排放占CO2排放总量的15.9%。奥巴马新能源政策的实施，哥本哈根谈判的结束，都使中国面临更大的碳减排压力。推广使用新能源汽车，是我国在碳减排压力下经济转型的必然选择。李克强副总理在2009年4月曾经说过：“新能源产业正孕育着新的经济增长点，也是新一轮国际竞争的战略制高点”。所以，在这样的国际形势下推广新能源产业是势在必行的。OrganizationMovingEnergytoYou汽车清洁能源动力行业背景让我们先来看一下国内汽车产业的发展路线，从用低碳燃料代替传统的燃料到混合动力汽车再到纯动力汽车和燃料电池汽车。持续发展燃料电池清洁能源汽车发展路线199019952000200520082010E2015E2020E2025E2030E环境、能源可持续性的担忧CVCC发动机LEV发动机ULEV发动机PZEV发动机环境污染（挥发性有机物，氮氧化合物、一氧化碳气候暖化（二氧化碳、温室气体）目前时间点混合动力清洁柴油CNG天然气灵活燃料纯电动能源可持续性（二氧化碳、温室气体）轻度混合中度混合深度混合OrganizationMovingEnergytoYou新能源汽车的发展混合动力汽车（HybridElectricVehicle，HEV）、纯电动汽车（ElectricVehicle，EV）和燃料电池汽车（FuelCellElectricVehicle，FCEV）被称之为新能源汽车（指采用汽油、柴油之外的动力作为动力源的汽车的总称）。新能源汽车按照电池种类不同又可以分为镍氢动力电池汽车、锂动力电池汽车和燃料电池动力汽车。OrganizationMovingEnergytoYou中国新能源汽车工业发展前景MicroEVE-busE-bikeBEVSubwayE-busE-bikeE-RailwayAirlineWaterway050200kmOrganizationMovingEnergytoYou新能源汽车产业的现状及瓶颈简述新能源汽车在目前以及将来逐渐会替代传统汽油车已成为各国发展汽车产业的共识，动力电池是新能源汽车发展的关键：混合动力汽车是目前最佳的过渡产品，但纯动力电池汽车是未来发展方向，核心技术在电池技术上的突破。当前许多知名的汽车制造商都致力于开发动力电池的电动汽车，如美国福特、克莱斯勒，日本丰田、三菱、日产、韩国现代、法国Courreges、Ventury等。而国内汽车制造商比亚迪、吉利、奇瑞、力帆、中兴等车企也纷纷在自己的混合动力和纯电动汽车中搭载动力锂电池。动力电池作为新能源汽车的核心部件，这里我们应该看到其发展尚需突破的技术难题还有很多，如：动力电池芯性能的提高（能量密度、循环寿命、安全性、一致性、价格等）；国内动力电池的成组技术不够成熟，就国内而言几乎没有几家厂商能够真正掌握动力电池的成组技术（热管理、均衡、空间利用率等）这就导致成组的电池一致性很差，循环寿命甚至达不到单体电芯的一半；再就是电池管理系统不够完善和国外相比仍有很大差距，如：系统数据采集的可靠性、SOC的估算精度、热管理、均衡、安全管理、系统健康状态评估等方面。OrganizationMovingEnergytoYou二、新能源汽车产业之核心部件—动力电池动力电池种类及现状目前国内外动力电池的研究集中分为以下几类：铅酸蓄电池（VRLA），镍氢动力电池，锂动力系列中的三原材料（NCM）、锰酸锂（LMO）系列、磷酸锂铁（LFP）系列、钒酸锂系列以及负极材料为Si、钛酸锂系列的锂动力电池，超容量电容在新能源方面的应用、太阳能蓄电池和热门的燃料电池（燃料电池被人们称之为‘终极电池’）再就是应用在高端领域的飞轮电池。就近5~10年内锂动力电池将成为汽车动力的主流产品也是目前研究的主要对象。OrganizationMovingEnergytoYou锂动力电池参数比较优缺点比较应用范围代表厂商（国内）能量密度(Wh/Kg)循环寿命(CycleLife)成本(Cost)安全性(Safety)环境污染适用温度\\LiNiCoMnO2三元材料电池(NCM)160800中等可含Ni、Co-20~55℃3C电子产品、矿灯、部分电动汽车等比克国际LiMn2O4锂锰电池(LMO)1051000中等良好无污染-20~55℃（高温不稳定）3C电子产品、便携式电池、电动汽车、航空航天等中信国安盟固利、咸阳威力克LiFePO4磷酸铁锂电池(LFP)1151500较高非常好无污染-20~75℃（可达300℃，-20℃以下无法工作）混合动力汽车、纯电动汽车、发电储能装置、电动工具等比亚迪、比克、天津力神、ATL、万向OrganizationMovingEnergytoYou锂动力电池现状概述中国的新能源汽车电池产业起步虽晚于欧美日，但发展非常快，在锂电池的研发上也投入了大量财力、物力。国家863计划设立了电动汽车重大专项，中科院物理研究所、北京有色金属研究院、中国电子科技集团公司第十八研究所等单位参加了该项目，分别开发了EV和HEV用两类动力电池，其中一些单位已采用了安全的锰体系正极活性材料。“十一五”、“十二五”、863电动汽车重大专项又对HEV、PHEV(外接充电式混合动力汽车)、FCEV(燃料电池车)用动力锂离子电池关键材料和电池的研发给予大力支持。目前汽车锂动力电池市场上，虽然有很多新产品出现，但是还没有具有能够大规模量产并替代燃油动力的突破性技术。OrganizationMovingEnergytoYou锂动力电池现状概述锂动力电池—正极材料磷酸铁锂锰酸锂钴酸锂镍酸锂镍钴锰三元材料材料主成分LiFePO4LiMn2O4LiMnO2LiCoO2LiNiO2LiNiCoMn2理论能量密度(mAh/g）170148286274274278实际能量密度(mAh/g)130~140100~120200135~140190~210155~165电压（V）3.2~3.73.8~3.93.4~4.33.62.5~4.13.0~4.5循环性能（次）＞2000＞500差＞300差＞800过渡金属非常丰富丰富丰富贫乏丰富贫乏环保性无毒无毒无毒钴有放射性镍有毒含镍、钴安全性能好良好良好差差尚好适用温度范围-20~75℃（-20℃以下无法工作）50℃以上快速衰减高温不稳定-20~55℃（范围之外衰退严重）N/A-20~55℃各种锂离子电池正极材料性能比较OrganizationMovingEnergytoYou锂动力电池现状概述锰酸锂市场现状（国内）安全廉价的锰酸锂电池具有镍酸锂和钴酸锂电池无法比拟的优越性能，4V锰酸锂在充电状态下的热分解温度比钴酸锂高约200℃（充电状态下的分解温度约为430℃），热稳定性较好，被认为是电动汽车最实用的电极材料。目前，中信国安盟固利电源技术有限公司生产的锰酸锂材料已经陆续进入国外市场，一些国内锂离子二次电池生产厂商开始批量实用该公司生产的锰酸锂产品，产生了较好的经济效益。国内众多用户及韩国、法国、美国的公司正在正式试用该公司生产的锰酸锂产品。云南玉溪汇龙科技有限公司开发的“新型低成本锂离子电池正极材料（锰酸锂）产品中试产及产业化”项目，属于国家重点支持的新能源、新材料产业。OrganizationMovingEnergytoYou锂动力电池现状概述锰酸锂市场现状（国外）国外锰酸锂的市场情况，我们看一下以下表单做个了解：OrganizationMovingEnergytoYou锂动力电池现状概述锰酸锂材料特性（暂以国内某厂商产品水平为例）•质量比容量(Vs.Li/Li+)≥115mAh/g•电压平台3.9V•循环寿命≥1000•振实密度≥2.1g/cm3•粒度(D50)6~15μm粒子外貌OrganizationMovingEnergytoYou锂动力电池现状概述磷酸铁锂市场现状磷酸铁锂在中国掀起过一阵动力电池热，它具有较高的能量密度、低廉的价格、优异的安全性使其特别适合动力电池。磷酸铁锂材料在理论上来讲价格是最便宜的（制备的原材料非常丰富），但是由于其制备的成本和高温固相法制备的成品率比较低所以在实际上并没有价格方面的优势。全球的磷酸铁锂正极材料的主要生产厂商来自于美国的Valence、A123和天津斯特兰。两家美国公司的产能在1000吨左右，生产基地都在中国，但是不对中国客户提供材料。国内的磷酸铁锂电池厂商很多如：BYD、BAK、Lishen等，这里就不不做一一说明了。国外而言，LFP电池得到应用的有美国，日本、韩国。这里我们再来谈一下磷酸铁锂的专利问题，磷酸铁锂（LiFePO4）橄榄石结构诞生于德州大学，德州大学于1997年对磷酸铁锂的晶体结构与化学分子式申请了专利，后将专利授予加拿大自来水公司Hydro-Quebec及其下属公司Phostech使用。德州大学和H-Q声称，凡是使用LiFePO4正极材料的电池都侵犯了他们的晶体结构和化学分子式专利。OrganizationMovingEnergytoYou锂动力电池现状概述目前LFP最上游的化合物制造专利被三家专业材料公司所掌握，分别是美国A123的Li1-xMFePO4、加拿大Phostech的LiMPO4以及台湾立凯电能(Aleees)的LiFePO4･MO。专利权之争影响全球电动车行业发展。专利权之争短期内对中国国内销售无影响。德州大学目前只申请了美、日、德、英、法、意、加七国的专利保护，按20年专利保护期计算，到2017年专利才会到期。目前中国企业在国内研发、生产和销售磷酸铁锂电池都是合法的，中国短期内不会受到影响。由于德州大学在欧洲的专利拥有权被推翻，因此中国出口到欧洲也是安全的，但出口到美国有风险。但是从长期来看，专利权是一个隐患。目前我国只有清华大学核能与新能源技术研究所拥有几项磷酸铁锂技术专利，国内大部分生产厂商只掌握磷酸铁锂技术和加工工艺，没有国际专利。OrganizationMovingEnergytoYou三元材料市场现状锂动力电池现状概述它融合了钴酸锂和锰酸锂的优点，在小型低功率电池和大功率动力电池上都有应用。但该种电池的材料之一——钴是一种贵金属，价格波动大，对钴酸锂的价格影响较大。钴处于价格高位时，三元材料价格较钴酸锂低，具有较强的市场竞争力；但钴处于价格低位时，三元材料相较于钴酸锂的优势就大大减小。随着性能更加优异的磷酸铁锂的技术发，三元材料大多被认为是磷酸铁锂未大规模生产前的过渡材料。目前三元材料的应用主要集中在欧洲，当然国内也有部分少数的三元材料厂商。OrganizationMovingEnergytoYou锂动力电池现状概述三元材料特性•质量比容量(Vs.Li/Li+)≥155mAh/g•电压平台3.6V•循环寿命≥1000•振实密度≥2.1g/cm3•粒度(D50)6~15μm粒子外貌OrganizationMovingEnergytoYou锂动力电池现状概述锂动力电池—隔膜隔膜的技术特性分析隔膜的重要功能是隔离正负极并阻止电子穿过，同时能够允许离子的通过，从而完成在充放电过程中锂离子在正负极之间的快速传输。隔膜性能的优劣直接影响着电池内阻、放电容量、循环使用寿命以用安全性能。隔膜越薄，孔隙率越高，电池内阻越小，高倍率放电性能越好，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。锂动力电池隔膜的要求包括：（1）具有电子绝缘性，保证正负极的机械隔离；（2）有一定的孔径和孔隙率，保证低的电阻和高的离子电导率，对锂离子有很好的透过性；（3）耐电解液腐蚀，电化学稳定性好；（4）