锂电池培训版

1PresentedbyDr.Mo-HuaYang(楊模樺博士)MaterialandChemicalResearchLaboratoriesIndustrialTechnologyResearchInstitute,Taiwan(台灣工業技術研究院)April27,2008从实际应用的角度看锂电池的技术发展从实际应用的角度看锂电池的技术发展PracticeViewofTech.DevelopmentofLiPracticeViewofTech.DevelopmentofLi--ionionBatteriesBatteries电动自行车锂电池应用技术国际研讨会InternationalSeminarofLithium-ionBatteriesTechnologyAppliedtoElectric-Bike2鋰電池的技術發展優勢鋰電池的技術發展優勢體積能量密度重量能量密度405060708090100110120130140030025020015010050鎳鎘電池鎳氫電池鋰電池鉛酸電池高功率高能量循環壽命長體積小鋰電池具備高功率、高能量、循環壽命長、體積小等優勢，將逐漸成為電池市場的主流3電動車可使用之各型電池性能比較表電動車可使用之各型電池性能比較表鉛酸電池Pb-acid鎳鎘電池Ni-Cd鎳氫電池Ni-MH鋰電池Li-ion商品化1890195619901992工作電壓2.0V1.2V1.2V3.3-3.7V能量密度100Wh/l30Wh/kg150Wh/l50Wh/kg250Wh/l60-80Wh/kg350-400Wh/l100-150Wh/kg循環壽命300次1000次500次500次自放電率20%/月20%/月20%/月5%/月記憶效應無有有無價格0.2$/Wh0.5$/Wh0.5-1$/Wh0.5-1$/Wh綠色產品否否是是優點1.技術成熟2.價格低1.可快速充電2.價格便宜3.循環壽命長1.可快速充電2.高功率放電3.能量密度稍高4.循環壽命長1.可快速充電2.可高功率放電3.能量密度高4.循環壽命長缺點1.不適快速充放電2.能量密度低(重量重/體積大)3.壽命短1.能量密度低2.具記憶效應3.環保問題(Cd)1.具些許記憶效應2.高溫環境下性能差3.充放電效率差1.價格高2.安全性4輕型電動車的系統輕型電動車的系統--關鍵組件關鍵組件電動馬達/馬達控制器+-電池充電器5電動車性能電動車性能續航力(行駛里程)、車重電池性能電池性能充電時間比能量（Wh/kg)或能量密度（Wh/l）比功率（W/kg）或功率密度（W/l）啟動、加速性、爬坡力充電速率(快速充電)停車期間電量損耗自放電率能量使用效率充放電效率購置價格(車價)電池成本平均使用成本($/km)循環壽命(充放電次數)電動車性能與電池性能的關聯性電動車性能與電池性能的關聯性6無貴重或限制性材料的使用高安全性好的環境相容性對不當使用的容忍性使用環境(條件)的限制小免保養低成本長充放電循環壽命/長使用壽命快速充電低自放電率高充放電效率高功率密度高能量密度電動車用電池電動車用電動車用電池電池電動車用電池性能的要求電動車用電池性能的要求7ChargerMotor/ControllerMotor/ControllerBattery電池是電動車的關鍵組件電池是電動車的關鍵組件CompactEfficient8電池是電動車的關鍵組件電池是電動車的關鍵組件Small&light當電池變得既小又輕9效率高效率高長行駛距離常使用壽命高功率(大動力)鉛酸電池24V,8.5kg,20-30km/charge36V,12kg,30-40km/charge鋰離子電池24V,6kg,80-140km/charge電池是電動車的關鍵組件電池是電動車的關鍵組件當電池的性能提升10可攜帶性電池是電動車的關鍵組件電池是電動車的關鍵組件當電池變為可攜帶性可改變：‧能源補充方式‧使用習慣‧防竊11ExcellentViVi119,800JPYDeluxeViVi89,800JPY第一台商品化鋰離子電池電動自行車第一台商品化鋰離子電池電動自行車日本NationalViVi,in2002PASinJapanmarket12BatteryfromNEC/Tokin第一台商品化鋰離子電池電動自行車第一台商品化鋰離子電池電動自行車動力型高分子鋰離子電池7串1並或7串2並13輕LightElectricCommuter“Passol”,ReleaseinNov.2002淨Clean智Smart靜Silence尺寸:L1530mm×H995mm重量:45kg馬達:ACsynchrotron電池:Li-ion,24V/14Ah平均功率:0.58kW最大功率:0.95kw/1830rpm第一台商品化鋰離子電池電動摩托車第一台商品化鋰離子電池電動摩托車14電池性能提升車輛騎乘距離變長電池電容量增加50%2003,25伏-14安时-6kg,15-20公里/一次充電2005,25伏-24安时-7kg,25-30公里/一次充電(batteryinterchangeable)商品化鋰離子電池電動摩托車商品化鋰離子電池電動摩托車2003電池技術演變200515電池蕊Cell電池包Module(pack)電壓Voltage3.7VVoltage25V電容量Capacity7AhCapacity14Ah尺寸Dimensionψ40mm╳L125mmDimensionL370╳H147mm重量Weight350gWeight6kg最大放電電流Max.dischargecurrent(cont.)35A(5Crate)電池蕊數目No.ofcells7串2並7S╳2P第一台商品化鋰離子電池電動摩托車第一台商品化鋰離子電池電動摩托車16商品化鋰離子電池電動摩托車商品化鋰離子電池電動摩托車17201020072015電動工具l$1億輕型電動車$1.5億油電混合車$12億能源儲存系統$38萬能源產業可攜式電子產品$44.5億1991-2007消費性電子產品動力鋰電池的未來市場發展機會動力鋰電池的未來市場發展機會功率/能量型系統成熟產業成熟產業未來新興市場未來新興市場18產品市場發展時程產品市場發展時程能量及功率平衡E-bike輕型電動車E-Scooter輕型電動車短期油電混合車通訊系統小型儲電系統中期高能量型高功率型能量及功率並重大型儲電系統能量及功率需求皆極高長期2010年2015年19正極:LiCoO2Li(1-x)CoO2+xLi++xe-負極:C6+xLi++xe-LixC6全反應:LiCoO2+C6Li(1-x)CoO2+LixC6充電放電鋰電池的工作原理鋰電池的工作原理高能量密度HighEnergyDensity•離子導電度Ionicconductivity•電子導電度Electronicconductivity高功率密度HighpowerDensity長循環壽命LongCycleLife鉛酸電池整體性能之鉛酸電池整體性能之22--33倍倍正極負極20鋰電池正極材料的應用發展鋰電池正極材料的應用發展材料結構鋰遷入/出空間主要產品開發預估電容量(mAh/g)平均工作電壓(V)安全性成本主要產品應用橄欖石(Olivine)1DLiFePO41603.4優低動力電池及大型電池層狀氧化物(layeredOxides)2DLiCoO2Li(Co-Ni)O2Li(Ni-Mn)O2LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O21601801601903.6~3.7尚可高小型電池尖晶石(Spinel)3DLiMn2O41103.7佳低動力電池及大型電池橄欖石層狀氧化物尖晶石21不同正極材料的鋰離子電池性能比較不同正極材料的鋰離子電池性能比較正極材料鋰鈷氧LiCoO2鋰鎳鈷氧LiNiCoO2鋰錳氧LiMn2O4磷酸鋰鐵LiFePO4工作電壓3.6V3.7V3.8V3.4V材料電容量(毫安時/克)145165110150安全性低低好優循環壽命500次500次500次1000次價格(美元/公斤)50301515-25**為量產預估值22電池蕊製作工藝電池蕊製作工藝正極負極活性物質+粘著劑+溶劑塗佈混漿漿料活性物質+粘著劑+溶劑混漿漿料正極捲正極片輾壓裁切分條Separator捲繞或疊片極捲或極片疊負極捲負極片輾壓材切分條塗佈極捲或極片疊入罐電解液注入電池蕊密封帶電電池蕊化成極片製作電池組裝Positiveelectrodecurrentcollector(+)SolidelectrodeSolidPolymerElectrolyteNegativeelectrodecurrentcollector(-)Solidelectrode鋁箔銅箔23電池極片組裝工藝電池極片組裝工藝(+)(-)(+)(-)捲繞捲繞WindingWinding捲繞捲繞++疊合疊合StackingStacking+Winding+WindingSeparatorAnodeCathode疊合疊合StackingStacking24電池的外觀設計電池的外觀設計圓柱型Cylindricaltype角型(方型)Prismatictype膠合型(軟包裝)Laminatedtype25電池模組電池模組((包包))設計技術設計技術散熱設計ThermalDesign管理電路設計ElectronicDesign機構設計MechanicalDesign26電池串並聯InterfaceSystem電池串並聯InterfaceSystem電池內組變化InternalResistance電池內組變化InternalResistance充電模式ChargingMethod充電模式ChargingMethod放電電流變化DischargeCurrent放電電流變化DischargeCurrent放電功率變化PowerRatio放電功率變化PowerRatio溫度變化Temperature溫度變化Temperature電池整體性能電池使用過程中影響電池性能的因子電池使用過程中影響電池性能的因子27電池包管理技術電池包管理技術(BatteryManagementSystem,BMS)(BatteryManagementSystem,BMS)¾安全性(Safety):•電池蕊的選用、保護電路板¾訊息溝通(Information):•電量狀態(SOC,stateofcharge)•健康狀態(SOH,stateofhealth)¾性能(Performance):•等化（容量平衡）：提高可用容量、壽命•PowerBooster:提高瞬間功率（扭力），延長壽命(Ultra-capacitor,Highpowercell)28電池管理系統架構（一）電池管理系統架構（一）──車輛電力與電子系統電池模組驅動電力電子中央管控微處理器人機介面路況監視與處理電力纜線通訊介面29電池管理系統架構（二）電池管理系統架構（二）──模組內部系統串並電池模組電池等化模組電壓、電流與溫度感測電力傳送安全開關中控微處理器記憶單元通訊介面30動力鋰離子電池的應用發展動力鋰離子電池的應用發展電池性能在不同應用產品的最佳化電池性能在不同應用產品的最佳化能量Energy功率/動力Power耐久性/使用壽命Durability安全性Safety成本Cost循環壽命CycleLife對的材料Rightmaterial對的電池設計Rightcelldesign對的應用Rightapplication31電池蕊電池蕊電池模組電池模組((包包))電動車製造廠電動車製造廠電動車市場電動車市場鋰電池在輕型電動車應用的機會與挑戰鋰電池在輕型電動車應用的機會與挑戰鋰離子電池鋰離子電池鎳氫電池鎳氫電池鉛酸電池鉛酸電池燃料電池燃料電池產品測試驗證Verification&Validation產品開發Development32新技術發展新技術發展TechnologyRevolutionTechnologyRevolution產品的測試與驗證時程Veri