高能环保镍锌电池技术简介

高能环保镍锌电池技术简介EndlessPowerBatteryProductIntroduction2013.06ForFutureGlobalSource源力镍电项目团队源力电池EndlessPowerBatteryForFutureGlobalSource目录12项目背景及市场分析高能环保镍锌电池简介3镍锌电池国内、外现状源力电池EndlessPowerBatteryForFutureGlobalSource二次电池全球市场简介：全球的二次电池市场总计约有4000多亿元RMB，我国的铅酸电池已经达到1300亿、锂离子电池达到200-300亿，在整个行业中占据了主导地位。二次电池全球市场分布如下图：一、项目背景及市场分析镍锌电池作为镍电池的一种，其综合性能极高，与铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池相比较，具有明显的优势，可以替代铅酸、镍镉、镍氢及锂离子电池的全部及部分市场，根据镍锌电池性能计算替代市场约有2200亿，而其在电动汽车领域也具有极大的优势，潜在的汽车电池市场1800亿以上。30001000150180铅酸电池锂离子电池镍镉电池镍氢电池单位：亿元源力电池EndlessPowerBatteryForFutureGlobalSource锌镍电池的产生有一百多年的历史。1887年Dun和Haslacher就申请过德国专利。1930年爱尔兰brumm已将锌镍电池用于列车动力和列车照明。但由于其锌电极循环寿命短、深度放电能力差及其它历史原因使得此种电池的研制工作进展缓慢。1950年，前苏联开始对锌镍电池进行研究，获得比能量46.2wh/kg、循环寿命约为24~70次的电池。1966年，美国charkey已在无线电装备中用密封型锌镍电池代替镉镍电池，循环寿命可达100~200次。1978年，美国雅德纳电气公司研制出寿命为200次循环、比能量为75wh/kg、0.5C率放电，60%深度放电的锌镍电池组用于电动车辆。20世纪90年代，锌镍电池以其优异的电气性能、原材料丰富、成本低等特点，是未来电动车车辆主要的候选电池，锌镍电池又被提到一个重要位置来研究，但是经过10余年研发，始终未能圆满解决枝晶问题，研发的热情下降。二、高能环保镍锌电池简介镍锌电池历史源力电池EndlessPowerBatteryForFutureGlobalSource镍锌电池反应机理二、高能环保镍锌电池简介源力电池EndlessPowerBatteryForFutureGlobalSource正极片（positive）、负极片（negative）、隔膜纸（separator）盖帽（Topcover）、外壳（can）、绝缘层（insulator）等。镍锌电池结构：二、高能环保镍锌电池简介源力电池EndlessPowerBatteryForFutureGlobalSource镍锌电池是一种安全、环保、低成本、电性能优异的电池。该类电池具有以下优点：1、环保，无铅、无镉、无有机溶剂、无PF5等有毒物质；2、安全，水系电解液，比任何一种锂离子电池都更加安全；3、成本低,能量密度高，可以达到80-110Wh/Kg，200-300Wh/L；4、耐过充过放能力强，耐滥用，无需高昂的精密BMS控制；5、倍率性能好、放电中压较高1.65-1.7V、无记忆效应；6、高低温循环性能好，使用范围-20℃-60℃；7、比容量高（661mAh/g），是目前较成熟二次电池中负极比容量最高的。镍锌电池势必会逐渐取代镍镉、镍氢和铅酸的大部分市场，锂离子电池的相当部分市场也会被其取代，整个前景市场可以达到数千亿。二、高能环保镍锌电池简介镍锌电池的特点源力电池EndlessPowerBatteryForFutureGlobalSource镍锌电池正极、负极生产工艺二、高能环保镍锌电池简介源力电池EndlessPowerBatteryForFutureGlobalSource电池名称镍镉电池镍锌电池LiFePO4NCM标称电压1.2V1.6V3.2V3.6V充放电压范围1.0-1.5V1.3-2.0V2.0-3.8V3.0-4.2V连续放电倍率10C-20C10-20C10-20C10-15C瞬间放电倍率30C25C25C20C1C/10C寿命500次以上400次以上500次以上300次以上1C/15C寿命200次以上200次以上200次以上100次以上安全性极好极好一般差高温性能好好一般差电池包安全控制不需特殊装置,只需恒流源及温控不需特殊装置,只需恒流源及温控需保护板控制较复杂需保护板控制较复杂18V工具电池数15PCS11PCS6PCS5PCS典型型号SC型(1500\2400mAh)SC型(1500\2000mAh)18650/1300mAh18650/1300mAh安全控制方式电池包带PCB板或将恒流恒压控制功能做在充电器内18V电池包成本45元35元65元50元控制板价格不需要不需要30-60元/PCS30-55元/PCS18V电池包价格65元/组暂无售价85元/组85元/组18V电池包重量约500g约300g约300g约200g倍率型电池性能比较镍锌电池的综合性能极高，在安全、成本方面的具有明显优势，循环寿命上与镍镉电池和磷酸亚铁锂电池差距进一步缩小，市场化前景可观。二、高能环保镍锌电池简介源力电池EndlessPowerBatteryForFutureGlobalSource与主流二次电池性能比较从上表可知，镍锌电池：与铅酸电池和镍镉电池相比，环保、能量密度高；与锂离子电池和镍氢电池相比，安全、成本低。根据与铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池相比较，分析得到总的替代市场约有2200亿，还有潜在的汽车电池市场1800亿以上。因此，镍锌电池是一种市场潜力极大的产品。二次电池分类锂离子电池(能量型)锂离子电池（倍率型）镍氢电池镍镉电池铅酸电池镍锌电池标称电压3.0V-----3.7V3.0V-----3.7V1.2V1.2V2.0V1.6V体积能量密度350-550wh/l200-350wh/l300-350wh/l160-180wh/l65-80wh/l200-300Wh/l重量能量密度150-250wh/kg100-150wh/kg80-100wh/kg60-80wh/kg40-60wh/kg80-110wh/kg安全性较差一般安全安全安全安全环保较环保较环保环保镉污染铅污染环保最佳工作温度0℃-45℃0℃-45℃-20℃-45℃-20℃-60℃-40℃-70℃-20℃-60℃成本(元/Wh)1.4-2.5/Wh2.0-3.0/Wh1.4-1.8/Wh0.9-1.2/wh0.55-0.7/Wh0.65-0.75/Wh二、高能环保镍锌电池简介源力电池EndlessPowerBatteryForFutureGlobalSource我国对镍锌电池的研究国内在锌镍电池的商业化方面最早推出的是福建厦门三圈益尔希公司。该公司和美国合作通过引进美国能源公司(ERC)的技术，已经批量化生产了锌镍电池，其产品主要为方型及圆柱型两大系列的锌镍电池。产品具有重量轻、功率大、循环寿命长及无污染等优势，可广泛应用于绿色交通工具(电动车、混合电动车、电动摩托车、电动自行车)、电动轮椅以及电动工具等产品。该公司的宣传资料显示其生产的锌镍电池的循环寿命突破了500次，比能量达到了50Wh/kg，但实际市场上至今都无批量供货。深圳沃特玛集团则利用国内的技术基础，于2008年多批次向市场推出了AA和AAA圆柱型锌镍电池和电池组，主要针对低端的玩具市场，其生产规模已经达到了日产3万只。该公司400mAh电池单体循环寿命在130次左右。后来由于种种原因这两家公司都没有继续生产密封锌镍电池。此外，江苏海四达公司、深圳格瑞普公司、河南环宇集团等都进行了大量的研究工作。中南大学、南开大学、武汉大学、浙江大学、天津十八所等高校科研机构对锌镍电池也都有较为深入的研究，在很多期刊杂志上都有相关的研究报道。三、镍锌电池国内、外现状国内镍锌电池现状源力电池EndlessPowerBatteryForFutureGlobalSource我国对镍锌电池的研究美国电化学公司使用新的电池体系降低了锌在碱液中的溶解度，并在电解液方面做了大量的研究，如在电解液中添加磷酸盐、硼酸盐、偏硼酸盐等电解质。减小了锌负极的变形和枝晶的生长问题。在上世纪80年代末，该公司推出的锌镍电池已接近实用化要求了。美国能源公司在锌负极及隔膜方面做了大量的研究工作。主要方法是在锌负极中添加氢氧化钙，氢氧化钡等物质，通过形成不溶性的锌酸盐来降低锌活性物质在电解液中的溶解腐蚀。该公司还在锌负极中添加高析氢过电位金属的氧化物，通过这些氧化物的还原来达到提高电池性能的目的。该公司使用的是正负极分开的多层隔膜。通过以上各项措施，锌镍电池性能得到了较大的改进，并将其技术转让给福建厦门三圈益尔希公司。通用汽车公司在负极中加入了氢氧化钙和四氧化三铅，使用聚乙烯作为负极粘结剂，负极和正极分别用不同的材料热封，并且使用低浓度的电解液，正负极容量比为1:3，其循环寿命能够达到300次左右。劳伦斯伯克利实验室从1980年开始进行相关研究，其负极组成主要为氧化锌、氧化铅、新闻纸和聚四氟乙烯。负极隔膜为聚丙烯微孔膜，正极为无纺尼龙。使用添加了氟化物和碳酸根离子的电解液，此电解液能降低Zn的溶解度。研发的锌镍电池比功率可达到200～300W/kg，循环寿命由100次提高到450次左右。欧美镍锌电池现状三、镍锌电池国内、外现状源力电池EndlessPowerBatteryForFutureGlobalSource松下研发较多：主要改进了正负电极、辅助电极和隔膜。负极采用橡胶作粘结制成网状，正极加导电材料，使用多层结构；粘结剂使用聚乙烯醇(PVA)、羧甲基纤维素(CMC)、橡胶和水玻璃等；隔膜用无纺尼龙和聚烷基砜叠加。汤浅在正负极、隔膜、电解液方面都开展了大量的工作。早在1973年制作了500Ah锌镍电池，小型的密封锌镍电池组样品电池标称容量30Ah，标称电压17V，比能量65Wh/kg，循环次数达到了400次，但无量产信息。三洋对锌镍电池正极、负极进行了大量研究。负极使用粘结法制备并添加氧化铊，正极加稀土添加剂，在隔膜上再涂一薄层聚氧乙烯烷基脂肪酸胺。蓄电池公司研制的大型密封锌镍电池用于驱动车和手提电子仪器。三星技术研究所生产的180Ah单体电池，总电压180V，正极采用烧结镍，隔膜使用聚丙烯无纺布，比能量65Wh/kg，比功率220W/kg，循环寿命300次(80％DOD)，组合电池可用于小型摩托车和电动车，但无量产信息。日韩镍锌电池现状三、镍锌电池国内、外现状源力电池EndlessPowerBatteryForFutureGlobalSource镍锌电池存在的问题1、锌负极枝晶---目前主流技术通过负极和电解液添加剂只能缓解，未根除2、锌负极变形---目前通过制备新类型的负极料已经解决该问题3、锌负极腐蚀---目前主流技术通过加入电解液添加剂基本已经解决4、锌负极钝化---通过负极配方中加入添加剂在很大程度削弱了该问题三、镍锌电池国内、外现状镍锌电池技术难题源力电池EndlessPowerBatteryForFutureGlobalSource技术难题解决方案电极添加剂Ca(OH)2，它能够显著改善锌镍电池的性能，Ca(OH)2的作用主要是与锌电极的放电产物ZnO形成锌酸钙(Ca(OH)2·2Zn(OH)2·2H2O)化合物，它的溶解度较小，能够降低锌化合物在电解液中的溶解度，从而减小锌形变，极大地改善了锌电极的状况。不过动力学研究表明锌酸钙的形成和分解速度较慢，因此电池的高倍率充放电性能较差。Pb、Bi和In等金属的氧化物在碱性溶液中的平衡电位较Zn正，在电极充电时比ZnO较早的形成金属，在电极放电时这些金属基本不会溶解，主要是Zn发生阳极溶解反应。这些外加金属改善了电极表面的导电性，也防止了锌电极钝化，而且由于这些金属具有较高的析氢过电位，抑制了阴极析氢反应的进行，因而