電池的未來技術(shù)

1、江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 新能源汽車電池的未來方向 清華大學(xué)核研院鋰離子電池實(shí)驗(yàn)室 何向明 2013.5.23 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 電驅(qū)動車輛電驅(qū)動車輛 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 面向汽車用途的電池開發(fā) 汽車用途今后將迅速擴(kuò)大，因此電池開發(fā)也開始發(fā) 生巨變。不僅是高容量化，從安全性和壽命的角度 出發(fā)，全固體電池開始受到關(guān)注。此外，由于資源 問題，鈉離子電池的開發(fā)加速。 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 鈉離子電池 鈉在地殼中儲量豐富，約占 2.74%，為第 6豐富元素，且分布廣泛 鈉具有和鋰相似的物理化學(xué)性質(zhì)，期望室溫鈉離子電池具有與鋰離子電池相 似的性能 2005年，九州大學(xué)的研

2、發(fā)小組采用-nafeo2為正極材料，實(shí)現(xiàn)了鈉離子的可 逆脫/嵌，放電平均電壓高達(dá)3.3v，由此開啟了室溫鈉離子電池的廣泛研發(fā)。 目前，室溫鈉離子電池關(guān)鍵材料的研究獲得持續(xù)進(jìn)展，電池容量不遜色于鋰 離子電池。 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 理論能量密度為180wh/kg（基于正負(fù)極活材料的質(zhì)量計(jì)算） 中科院物理所的鈉離子電池 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 u 負(fù)極：低成本活性炭，具有電化學(xué)電容效應(yīng)； u 正極：na0.44mno2，倍率性能良好； u 電解液：na2so4中性水溶液； u 隔膜：無紡布； u 極板厚度為幾毫米；聚丙烯外包裝，方形疊堆結(jié)構(gòu)； u 30wh，可用電壓為0.5-1.8v 美國aqu

3、ion energy公司 $300/kwh，鋰電成本1/3； 5000次保持率85% 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 東京理科大學(xué)試制的鈉離子電池 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 材料成本為鋰的材料成本為鋰的2020分之分之1 1 鈉離子電池成本將是鋰離子電池的一半鈉離子電池成本將是鋰離子電池的一半 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 從論文發(fā)表量看研究方向 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 電池開發(fā)路線圖 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 鈉電池，從正極到固體電解質(zhì)鈉電池，從正極到固體電解質(zhì) 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院江蘇華東鋰電技術(shù)

4、研究院 鈉電池，硬碳負(fù)極鈉電池，硬碳負(fù)極 通過改變電解液提高充放電循環(huán)特性 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 正極采用nani1/2mn1/2o2、負(fù)極采用硬碳 高速充放電特性出色的鈉離子充電電池 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 鐵類層狀正極材料na2/3（fe1/2mn1/2）o2 比容量為190mah/g 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 高電壓鈉離子電池高電壓鈉離子電池 na4co3（po4）2p2o7 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 鈉離子全固體電池 固體電解質(zhì)采用na3ps4 na3ps4: 鈉離子導(dǎo)電率為10-4 s/cm nas

5、icon：anm2(xo4)3 (a=堿金屬，m=過渡金屬，x=si4+、p5+、s6+等） na1-xzr2sixp3-xo12(0 x500 商品鋰硫電池 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 美國： polyplus公司 sion power公司 英國：dxis公司 德國：basf 公司 韓國：samsung公司 擁有100余項(xiàng)美國及國際專利 2010年7月，太陽能電池充電、鋰 硫電池放電，無人機(jī)連續(xù)飛行14天 的記錄：350 wh/kg 美國doe資助sion power 加強(qiáng)鋰 硫電池研究 鋰硫電池產(chǎn)業(yè)動態(tài) 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 li/s 軟包裝電池： 2ah電池比能量為250wh/kg 60次

6、后容量保持率為70% 首次循環(huán)效率為86% xm he et al., ecs transactions, 2(2007) 47 hitachi maxell: 750mah/g (cs1.5)n 硫化聚丙烯腈：600-900mah/g xie jy, yang j, wang jl et al. he xm, wang l et al. 硫化聚合物：中國的研究實(shí)力最強(qiáng) 硫化導(dǎo)電高分子 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 1.sulfur composite 2.span 3.span-composite polyacrylonitrile (pan) structure and mechanism ar

7、e not clear poly(pyridinopyridine) pyrolytic pan matrix + nano sulfur 1. nano-composite 1.wang jl et al. adv. funct. mater. 2003,13, 487; 2.wang jl et al. adv. mater. 2002, 14, 963; 3.wang jl et al. j. power sources , 2004,138,271. 1.yu xg et al. j. electroanal. chem. 2004, 573, 121. 2.yu xg et al.

8、j. power sources 2005, 146, 335. 2. sulfurized polymer (span) conductive chain + grafted sulfur fanous j et al. chem. mater. 2011, 23, 5024. 3. span - nanocomposite sx side chains change into nano-sulfur after 1st cylce 硫化聚合物-span 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 有機(jī)電極材料 低成本，易于大規(guī)模生產(chǎn) 容量最大提高到容量最大提高到1000mah/g 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 有機(jī)

9、電極材料 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 水熱法磷酸鐵鋰 特點(diǎn)：特點(diǎn)：(1)反應(yīng)物在分子水平混合反應(yīng)物在分子水平混合 (2)超細(xì)顆粒超細(xì)顆粒 (3)擇向生長擇向生長 （4）易于連續(xù)化生產(chǎn)）易于連續(xù)化生產(chǎn) （5）易于控制產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定）易于控制產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定 （6）無污染）無污染 （7）低能耗）低能耗 （8）成本低廉，）成本低廉，3-5萬元萬元/噸噸 韓華化學(xué)、清華大學(xué)韓華化學(xué)、清華大學(xué) 南方化學(xué)、四川大學(xué)南方化學(xué)、四川大學(xué) 河北工業(yè)大學(xué)、天津斯特林河北工業(yè)大學(xué)、天津斯特林 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 水熱法是典型的“化工廠” 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 水熱法磷酸鐵鋰材料性能 首次充電容量 (mah) 首次放

10、電容量 (mah) 0.2c放電比容 量(mah/g) 內(nèi)阻（mohm） 德國南方化學(xué)p1 （磷酸鐵法） 34373177138.922.6 臺灣長園 （鐵紅法） 33522980128.011.3 德國南方化學(xué)p2 （水熱法） 34493345144.219.2 河北工業(yè)大學(xué)35103386142.018.6 1.1.容量和內(nèi)阻容量和內(nèi)阻 測試條件：26650型電池，25c。 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 國產(chǎn)水熱材料性能 容量保持率%容量恢復(fù)率%內(nèi)阻增加率% 德國南方化學(xué)p1 93.1694.164.6 臺灣長園 96.997.6- 德國南方化學(xué)p2 93.2794.0810.4 河北工業(yè)大學(xué)

11、96.2397.102.9 3.3.高溫儲存性能（測試條件：高溫儲存性能（測試條件：6060c c，7 7天，天，1c1c放電）放電） -20 c0 c25 c45 c 德國南方化學(xué)5 臺灣長園506590100 德國南方化學(xué)p28594100100.3 河北工業(yè)大學(xué)8392100100.6 2.2.溫度敏感性溫度敏感性（以不同溫度下的容量保持率計(jì)，%） 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 國產(chǎn)水熱材料性能國產(chǎn)水熱材料性能( (測試電池：測試電池：2665026650型型) )（續(xù)）（續(xù)） 優(yōu)秀的倍率性能：優(yōu)秀的倍率性能：0.2c充電，倍率放電，容量保持率（充電，倍率放電，容量保

12、持率（%）：）： 0.5c-99.14, 1.0c-98.46, 3c-98.00, 5c-97.6, 8c-93.14 4. 倍率性能倍率性能 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 國產(chǎn)水熱材料性能國產(chǎn)水熱材料性能( (測試電池：測試電池：2665026650型型) )（續(xù)）（續(xù)） 優(yōu)秀的高低溫性能：優(yōu)秀的高低溫性能：-20 82.99%-20 82.99%， 0 93.22%0 93.22%， 10 96.69% 10 96.69%， 45 100.60%45 100.60% 5. 高低溫性能高低溫性能 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 32 competitorhcc lfp high capacityhigh

13、 powerlong life 020406080100120140160180 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 lfp100315-2 cs1 hm(l) n 11:3512:35 feed30% air6bar 750 rhk 0.1c/0.1c 0.1c/0.1c 0.2c/0.2c 0.2c/0.5c 0.2c/1.0c voltage (v) capacity (mah/g) 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 清華大學(xué)納米磷酸鐵鋰 nano lett., 2012, 12 (11), pp 56325636 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 (100) - 納米化納米化 類球形納米顆粒類球形納米顆粒 d1 d2 前景展望前景展望 納米化提高性能納米化提高性能 理理 論論 形形 貌貌 擇擇 向向 生生 長長 一維納米顆粒一維納米顆粒 010010方向方向 d d2 2d 3,500 噸噸/年 (global market share: 5%) 15,000 噸噸/年 (global market share: 20%) * market share: m/s of cathode materials for mid & large scale lib 江蘇華東鋰電技術(shù)研究院 結(jié)論 u鈉電池將成為鋰離子電