汪继强-世界二次电池技术与应用市场

世界二次电池技术与应用市场现状及未来发展趋势汪继强中国化学与物理电源行业协会2012年中国国际电池博览会国际新型电池前沿技术研讨会专题报告一、二次电池市场现状与趋势主要市场数据与信息来源：1、The29thInternationalSeminaronPrimary&SecondaryBatteries，April11-14，Florida，USA2、TheRechargeableBatteryMarketandMainTrends2011-2020，ChristophePILLOTDirector,AVICENNEENERGY，2012年3月12日于Florida；3、電気化学セミナー1(2012)，最先端電池技術-2012，リチウム二次電池の市場動向，2012年1月25日于日本电池展；4、其它1990-2010世界二次电池市场发展态势市场总规模增至300亿美元，年均增长率3-4%2020年世界二次电池市场总体发展预测1995-2011不同化学体系二次电池世界销售态势2011年世界镉镍电池主要应用市场:电动工具2011年世界金属氢化物镍电池主要应用市场:混合电动车2011年世界锂离子电池主要应用市场:手机、笔记本计算机2011锂离子电池主要应用市场:手机,笔记本计算机2001-2011世界主要锂离子电池供应商的年产量增长态势韩国三星（SDI）和LG化学增长飞快！日本,中国和韩国的市场占有率各国在二次电池市场上的占有率各国在锂离子电池市场上的占有率2011年手机制造商/锂离子电池供应商之间的供求关系电动工具市场对锂离子电池需求持续增长2011年平板IT产品市场需求2亿只电池，按每台产品需25Wh电池计短期内锂离子电池的发展趋势电池价格呈急速下降电池市场总是处于动态变化锂离子电池材料应用类型现状与趋势原材料是电池营销的推动力锂离子电池价值链锂离子电池正极材料对不同正极材料需求的增长趋势三元材料飞速增长！2011年各种正极材料市场份额2011年LCO供应商/用户应用达27000吨2011年NMC供应商/用户应用达20000吨2011年负极材料供应商/用户应用达32000吨2011年不同负极材料应用状况天然石墨应用增速加快2011年天然石墨供应商/用户应用达19000吨2011年人造石墨供应商/用户应用达10000吨2011年锂离子电池隔膜供应商/用户销售额近8亿美元，2001/2011年均增长率19%2011年锂离子电池电解质市场现状2001/2011年均增长率17%2011年锂离子电池电解质供应商/用户关系张家港国泰华荣是一匹黑马！电动车动力电池市场发展慢于预期HEV销售态势不同机构对HEV市场发展的预测HEV氢镍动力电池的进步锂离子电池作为电动车应用:2010年是纯电动车上市与电动车动力锂离子电池走向市场实际应用的第一年（元年？）Leaf(Max.145km/h，160km)Dr.Zhang&Volt尼桑的Leaf（纯电动轿车）和通用的Volt（PHEV轿车）两个品牌车在经历剧痛后终于进入市场，客户的接收程度会很快明朗起来中国BYD的F3DM宣布上市，其它还有奇瑞等三菱iMiEV电池330V/16kWh续航里程160km2011年世界EV和PHEV电动车销售状况采用锂离子电池的HEV与EV世界销量电动车市场发展对二次电池的需求趋势分析锂离子电池近期产量状况小型锂离子电池产品电动车锂离子动力电池产品2020年世界主要国家与地区采用锂离子电池电动车市场预期2005年至2020年电动车锂离子电池需求量增长预测电动车锂离子电池成本构成B-LGCA-Nissan/NEC纯电动车将极大影响电池材料产业发展电池储能应用市场现状与趋势（需要培育与发展的市场）智能电网对储能电池技术类型的要求分析智能电网“发电、输电、配电和用户”各环节对储能规模的典型要求当今电网储能状况储能应用2010年电池储能系统要求是414MW（不包括铅酸电池），锂离子电池达到105MWh电池储能应用预测美国在整个电力价值链中确定了10个关键应用（并非全面）锂离子电池储能系统的近期应用和产品电网支持再生能源电网支持平滑能源管理美国EPRI组织对预商品化锂离子电池系统的初步测试评价Greensmith/BostonPowerBeckettNECBYDGreensmith/Int’lBattery@SDG&E2010年测试了5套电池系统：–Greensmith/InternationalBattery:50kW,82kWh(Knoxville和SDG&E)–BYD:50kW,46kWh–NEC:25kW,40kWh–Beckett:25kW,30min–Greensmith/BostonPower:25kW,50kWhEPRI看法：•系统可以设计为不同电压与结构形式•通过一些调试，系统都可以通过电网兼容性测试•大多数系统在额定功率下提供的能量显著低于额定能量•系统可以进行基本操作(Greensmith/Beckett支持额外的使用情况)日本重视小型家庭储能电池产品小结储能演示已经显示出储能对电力部门的实际价值但是高的初始价格乃是储能在这些应用中面临最重要的挑战开发商必须了解电力部门的集成要求，做出更加切实可行的产品二、本次会议研讨的前沿技术1、什么是适合于发展的电池储能技术；2、什么是将要发展的下一代动力电池技术铅酸电池大规模储能应用举例与分析2001年中期，决定选择管式电池继续演示，2004年中期装成，但由于各种原因没有继续演示下去。另一特别有成效的实例是在美国，首次采用了GNB的阀控式密封铅酸电池，1MW，1.4MWh；用于电压调节和取代柴油发电机；使用期是1997年至今，其中到2008年9月已经有11年半时，比原先8年设计已经超过3年半。估算这一系统节约的维护费、柴油费用等近650万美元，收效显著。2008年9月已更换成最新的密封电池，并正在继续运行中，它将继续提供效能。由此不可忽视，铅酸电池在电力系统储能应用中依然有极强的竞争力。特别是新技术发展！新型铅酸电池原理与技术特点Pb-C电池的主要优点：1）循环寿命长2）快速充电（高倍率能力）3）负极没有硫酸盐化问题4）较轻的重量5）较高的动力容量新型铅酸电池原理与技术特点美国电力（AEP）开发出固定型Pb-C电池系统用于风能、太阳能的储能和通信后备电源。福特-底特律爱迪生电池与光伏集成演示XtremePower动态电源：•750kW,2MWh先进铅酸电池•安装于福特汽车工厂•平滑的光伏发电输出500kW•工厂不用电时储存起来•状况:•目前在稳定状态模式下操作PNM工程(PNMProsperityProject)PNM先进铅酸电池系统–500kWEcoult超级电池–250kWEastPenn电池同时安装500kW太阳电池板–创建一个调度调峰资源–储能系统让光伏输出平稳现状:–正在测试钠硫储能电池负极电极：2Na2Na++2e–正极电极：xS+2e–Sx–2全电池反应：2Na+xSNa2Sx（x=5～3）Eocv=2.076–1.78V工作温度310℃～350℃钠与硫都呈液态！电池系统技术·主要部件：隔热外套；主动或被动冷却系统；·在电池隔热外套内均匀分布热量的方法；·加热电池到工作温度的加热器以及电池本体与外部的接口，包括电连接、通信与控制连接等（实质上的BMS等）钠硫电池工作特点钠/硫电池技术特点分析特征说明与其它先进电池相比潜在的成本较低原材料便宜，结构密封，免维护。高的循环寿命使用液态电极，目前最长达到5000次，平均达到1500次高的能量和比功率活性物质的密度小，单体电池电压高工作范围弹性大单体电池可在不同充放电倍率，放电深度和放电温度等条件下工作高的能量效率由于100%的库伦效率和适中的内阻，能量效率超过80%对环境温度不敏感密封的高温系统充电状态可以鉴别充满电后内阻较高，且由于库伦效率为100%，可采用简单的电流时间积分钠硫电池工作缺点局限性热的维持管理维持能量效率并提供足够长的待命时间必须有高效的外部保温安全性熔融状态活性物质的电化学反应必须可控制持久密封在腐蚀环境下电池需密封耐固化—熔融性陶瓷电解质要经受大的热应力，而它的断裂韧度有限EPRI组织的ETTPresidio工程钠硫电池储能–4MW,32MWh电池系统•安装来提供传输畅通–改善电源质量和可靠性–同时提供频率调整•现况–目前关闭钠氯化镍电池--Zebra电池•与钠硫电池相似，钠氯化镍电池的化学反应式为：•Ni+2NaCl2Na+NiCl2•用NiCl2时，电池开路电压为2.58V,内阻一定时，可以得到更大的输出功率•Zebra电池允许发生过充电和过放电反应。其反应式为：•Na+2AlCl3+NiCl2Ni+2NaAlCl4（过充电）•3Na+NaAlCl4Al+4NaCl（过放电）•过放电反应允许电池装配中不必添加钠元素，因此不会有直接操作钠元素带来的安全风险。工作温度270℃～350℃钠呈液态，氯化镍与液态NaAlCl4呈混合体液流储能电池结构特征液流电池十分类似于燃料电池电堆结构，只不过由燃料电池的气体流动转变为含活性物质的液体流动，液体反应物在电极上反应，电极只是反应场所和电子的传输体。电极面积设计要符合总功率分解要求：I=S（电极面积）Xi（电流密度）；因为一般电流密度为40-60mA/cm2，因此100A，就需要1670-2500cm2。体积大！氢镍储能电池新技术•新材料发展新结构发展锂离子储能电池技术磷酸铁锂正极储能电池体系？A123等钛酸锂负极储能电池体系？储能是未来电池的大市场，但是究竟用哪种电池技术，或者在不同场合、不同要求下选用不同储能电池技术？这是我们通过本次会议能够得到启示的！不管哪种电池技术，都需要适应未来储能要求，坚持持续的技术发展----这些就是我们电池的前沿技术之一AEP电网智能演示工程社区能量储存–25kW,25kWh锂离子电池•80个系统安装在Ohio州中部–改善配电操作–向当地用户提供备用电源–实施当地再生能源发电的集成–支持PHEV车辆充电•现状:–2系统已部署，并正在进行完整的测试EPRI倡议演示1MW/2MWh锂离子电池电网储能系统作为对子电网的支持(3+MW)现况•演示的技术规范RFP完成;公开的规范将于2012年初公布•12月初已公布RFP信息下一步:•2012年选择3个顶级供应商•确保2012年二期演示费用的承诺•2012年一季度末完成系统订单•安装至演示现场的目标期为2012年第四季度二、本次会议研讨的前沿技术2、什么是将要发展的下一代动力电池技术美国认识到的电驱动带来的好处取决显著的市场穿透,可实现国家重大利益；对电池的负担能力及其性能是关键所在。实际市场发展慢于预期，为什么？对电动车的基本要求尚难以满足！电化学体系满足车辆基本应用要求的分析汽车界对纯电动车现有电池的评价与期待•现有技术仍需要优化方能用于纯电动车:1.大容量电池必须具有高比能量,但是需要在维护下得到高安全性2.证明可具有长服务寿命(10年)•现有技术只是有条件的在汽车上应用1.单体电池和电池零部件具有适用的标准2.能实现大规模生产•要使纯电动车广泛推广,必须延长行驶里程,由此今后需要发展新技术—下一代电池！下一代电池—以比特性为依据下一代电池—以价格下降为依据美国技术现况与下一代发展目标VTP先进电池材料与电池研究、开发目标:期待基于锂离子电池的先进电池材料和交通用电化学电对商品化电池材料研究先进负极(600mAh/g)先进正极(300+mAh/g)下一代电解质（5V）电池成本下降依赖技术升级换代日本NEDO电动车动力电池相关研究计划•在路线图中，日本提出了“新一代（电动车电池）技术”的预期目标：•2015年：200Wh/kg；•2020年：500Wh/kg；•2030年后：700Wh/kg，1000W/kg日本下一代动力电池发展目标与技术途径日本面向2015-2020年达到200-300Wh/kg目标的具体技术途径85十二五目标现在（200Wh/Kg）（-30~60C）比功率比能