2020儲能鋰離子電池關(guān)鍵材料

儲能鋰離子電池關(guān)鍵材料、應(yīng)用及失效模式研究進(jìn)展1

目錄全球儲能市場與技術(shù)分析鋰離子儲能材料的開發(fā)儲能鋰離子電芯的開發(fā)鋰電池成本優(yōu)化及失效模式分析儲能鋰離子電池系統(tǒng)的應(yīng)用示范國內(nèi)儲能電池市場的展望

2

一、全球儲能市場與技術(shù)分析1.1

儲能總體情況概述儲能的主要作用是通過發(fā)電站和其他電力能源基礎(chǔ)設(shè)施的負(fù)荷峰谷調(diào)節(jié)來優(yōu)化電力生產(chǎn)。截至2018年12月底，全球已投運儲能項目的累計裝機規(guī)模為182.5GW，抽水蓄能的累計裝機規(guī)模最大為170.7GW（93.5%），電化學(xué)儲能6.5GW（3.56%），新增4.6GW，儲熱2.8GW（1.53%）。

3

在諸多儲能技術(shù)中，電化學(xué)儲能相對于其他儲能形式在規(guī)模和場地上擁有較好的靈活性和適應(yīng)性，同時在調(diào)度響應(yīng)速度、控制精度、電力系統(tǒng)調(diào)頻以及建設(shè)周期多方面具有比較的優(yōu)勢，有著不可替代的重要作用，具有更廣闊的應(yīng)用前景，在近兩年全球儲能市場發(fā)展勢頭強勁。一、全球儲能市場與技術(shù)分析1.2

電化學(xué)儲能的發(fā)展

4

一、全球儲能市場與技術(shù)分析2017年，全球新增投運的電化學(xué)儲能項目分布在30多個國家和地區(qū)，覆蓋亞洲、美洲、歐洲、大洋洲和非洲。其中，新增裝機規(guī)模前十的國家分別為：美國、澳大利亞、韓國、英國、中國、德國、加拿大、日本、荷蘭和新西蘭。51.2

電化學(xué)儲能的發(fā)展2018年中國新增投運電化學(xué)儲能項目裝機規(guī)模約為650MW，同比增長437.2%

一、全球儲能市場與技術(shù)分析儲能技術(shù)供應(yīng)商向客戶提供儲能技術(shù)本體、電池模組以及電池系統(tǒng)。2017年全球新增電化學(xué)儲能規(guī)模排名前五的儲能技術(shù)供應(yīng)商分別是：LGChem,

三星SDI，南都電源、比亞迪和松下。61.2

電化學(xué)儲能的發(fā)展2018年鋰電池前3大供應(yīng)商分別為：LG化學(xué)、三星、比亞迪

電池能量密度

（W

h/kg）功率密度（W

/kg）循環(huán)壽命

次/

單體

電壓使用

年限能量效率/%月自放電率/%安全

性價 格

使用溫

（￥/w

h）

度/℃鋰電90~

330100~

20001000~

2

萬3~

4.55~

1590~

95<

2中等1.5~

1.0-20~

+

55鉛酸35~

5575~

300500~

50002.13~

1050~

754~

50好0.5~

1-40~

+

60鎳氫50~

85150~

10001000~

30001.25~

1050~

751~

10好2~

4-20~

+

60超電容5~

301000~

1005000~

10

萬1~

35~

1595~

99>

10好40~

120-40~

+

7000全釩液25~

4050~

1405000~

1

萬1.45~

1065~

823~

9好6~

20+

15~

+

40流鈉硫130~

15090~

2304000~

50002.110~

175~

900好1~

3+

300~

+

3550一、全球儲能市場與技術(shù)分析71.3

鋰離子電池儲能的應(yīng)用

8電化學(xué)儲能技術(shù)形式包括鋰離子電池、鎳氫電池、Na基電池、Na-S電池、液釩電池、超級電容器以及鉛酸電池等。鋰離子電池儲能性能較好，能量密度高、使用壽命長、循環(huán)次數(shù)高。一般情況下，鋰電池可循環(huán)3000次左右，鈦酸鋰電池則高達(dá)25000次左右。同時鋰離子電池自放電損耗小、能量轉(zhuǎn)換效率較高（＞95%），與其他電池相比，在各項性能方面都有較大的提高，成為當(dāng)前電化學(xué)儲能發(fā)展的主流，占據(jù)2017年新增電化學(xué)儲能量的93%。一、全球儲能市場與技術(shù)分析1.3

鋰離子電池儲能的應(yīng)用

一、全球儲能市場與技術(shù)分析9目前由于成本、技術(shù)、政策等原因，鋰離子電池儲能電池市場仍處于導(dǎo)入階段。2017年全球儲能鋰電池出貨量為10.4GWh，同比增長38%。相信隨著未來鋰離子電池制造和使用維護(hù)成本的進(jìn)一步降低，鋰離子在全球儲能市場中將持續(xù)占據(jù)更大的份額。2011~2017年全球鋰電儲能市場的發(fā)展（單位：GWh）1.3

鋰離子電池儲能的應(yīng)用

目錄全球儲能市場與技術(shù)分析鋰離子儲能材料的開發(fā)儲能鋰離子電芯的開發(fā)鋰電池成本優(yōu)化及失效模式分析儲能鋰離子電池系統(tǒng)的應(yīng)用示范國內(nèi)儲能電池市場的展望

10

2.1

常規(guī)NCM523三元材料的研究——燒結(jié)工藝11二、鋰離子儲能材料的開發(fā)在合成前驅(qū)體的基礎(chǔ)上與各類鋰源進(jìn)行摩爾比例的混合，通過控制各類燒結(jié)工藝（預(yù)燒結(jié)、高溫煅燒溫度時間、升溫速率、氣氛控制等）合成鎳鈷錳酸鋰材料，并對合成材料進(jìn)行摻雜和包覆修飾（Ti、Mo和F），4.3V截止電壓下1C容量為157m

Ah/g，在3.0~4.6V電壓范圍

1C倍率充放電時，100次循環(huán)后容量保持率達(dá)

92.9%。

2.1

常規(guī)NCM523三元材料的研究——摻雜改性工藝二、鋰離子儲能材料的開發(fā)4060801001201401602000.1C5C

3C

2C1C0.5CCapacity

(mAh/g)0 10 20 30 40 50 60 70 80Cycle

NumberNCMNCM-Mo-1%(a)1800.1C

0.2C并對NCM523材料進(jìn)行摻雜和包覆修飾（Ti、Mo和F），4.3V截12止電壓下，Mo摻雜后材料倍率性能明顯提升，500周容量保持率＞89%。

2.1

常規(guī)NCM523三元材料的研究——高振實密度改性二、鋰離子儲能材料的開發(fā)NCM523材料是目前主流的正極材料，但其振實密度相對鈷酸鋰還較低。通過簡單的物料混合，控制三種粒徑的比例，能夠獲得體積比容量高，循環(huán)穩(wěn)定，倍率性能優(yōu)異的NCM材料。振實密度提升，比能量提升。優(yōu)化復(fù)合正極材料振實密度2.57g/cm3，體積比容量高達(dá)394.3mAh/cm3，提升8.5%，綜合電化學(xué)性能（倍率/穩(wěn)定性）也得到提高。13

2.1

常規(guī)NCM523三元材料的研究——工業(yè)化生產(chǎn)二、鋰離子儲能材料的開發(fā)在西安某正極材料公司進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，完成三元材料出貨量186.68噸。產(chǎn)品批次均一性較好，1

C克容量>155mAh/g，壓實3.45-3.6g

cm-3，全電1000次循環(huán)容量保持率＞80%，形貌呈對稱型集中分布的類球形顆粒，材料表面殘余堿<0.08%，振實密度高，加工性能優(yōu)異、與電解液兼容性好，主要面向市場為動力和儲能領(lǐng)域。0200 400 6008001000160020002400280032003600NCM01NCM02NCM03NCM04Capacity/

mAhCycleNumber(1

C)708090100110120130140NCM02capacity

retention14

二、鋰離子儲能材料的開發(fā)NCM622材料與NCM523材料設(shè)備通用，而比容量提升8~15mAh，是近期國內(nèi)外要主流化的正極材料。本課題組在2015年完成NCM622材料的中試工作，并對其進(jìn)行了Al摻雜改性，改善了材料的高溫穩(wěn)定性，高溫下10C容量保持率提高10%。2.2

新型鋰離子正極材料的研究——NCM622材料15

2.2

新型鋰離子正極材料的研究——NCA材料16二、鋰離子儲能材料的開發(fā)高鎳系正極材料LiNi0.8Co0.15Al0.05O2具有高比容量和高比能量，是未來鋰離子電池正極材料的首選。課題組對具有優(yōu)勢的共沉淀法（pH、溫度、配比）及合成工藝進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化（溫度、氣氛等）,

并進(jìn)行表面修飾（鈦、伲、氟、鈰）和混合電極（

LiMn2O4

）改性。改性混合電極0.1C初容量為177.2

mAh·g

-1，

1C循環(huán)200次容量保持率提高了11.0%。

二、鋰離子儲能材料的開發(fā)3.63.84.04.25.04.84.64.4Voltage/

V020406080100120

140Specificcapacity/mAh

g-1Ni

0.5Ni0.5

annealedNi

0.45Ni0.45

annealedNi

0.4Ni0.4

annealed尖晶石鎳錳酸鋰具有4.75V的放電平臺，比容量146mAh/g，能量密度高、倍率性能優(yōu)異，與鈦酸鋰負(fù)極相匹配可以做超長壽命(20000次)儲能電池。通過控制前驅(qū)體的形貌來控制鎳錳酸鋰的形貌，煅燒后得到實心，中空，多孔的鎳錳酸鋰材料。多孔鎳錳酸鋰同時具有優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能，15

C大倍率容量為0.2

C時的82.1%，5

C循環(huán)3000次容量保持了76.2%。172.2

新型鋰離子正極材料的研究——5V高壓鎳錳酸鋰

18二、鋰離子儲能材料的開發(fā)針對富鋰錳基正極材料電導(dǎo)率偏低、倍率性能差、電壓衰減等問題，制備了不同形貌、組分和結(jié)構(gòu)的富鋰錳基材料，對材料進(jìn)行了復(fù)合、改性。自支撐CNT/尖晶石混合導(dǎo)電層改性富鋰錳基材料的首次放電容量與庫倫效率分別為304

mAh

g-1與91.7%；1、3、5、10

C放電容量分別為266、238、215、166

mAhg-1；在3C下循環(huán)400次的容量保持率為87.7%；1

C下循環(huán)200次后能量密度為809

Wh

kg-1，保持率為85.2%。2.2

新型鋰離子正極材料的研究——高比能富鋰錳基材料

目錄全球儲能市場與技術(shù)分析鋰離子儲能材料的開發(fā)儲能鋰離子電芯的開發(fā)鋰電池成本優(yōu)化及失效模式分析儲能鋰離子電池系統(tǒng)的應(yīng)用示范國內(nèi)儲能電池市場的展望

19

三、儲能鋰離子電池研究進(jìn)展3.1

電芯合作開發(fā)情況的總體簡介20目前課題組與西安瑟福、山東奧冠、浙江天能等軍民電芯制造企業(yè)展開了深度的技術(shù)開發(fā)與產(chǎn)品合作生產(chǎn)，開發(fā)的產(chǎn)品主要針對軍用低溫、大功率充放電，無人機電池，電動汽車及儲能用大型電池系統(tǒng)以及其他新型化學(xué)電源等。

項目規(guī)格標(biāo)稱容量≥20Ah標(biāo)稱電壓3.2V交流內(nèi)阻≤2mΩ電池重量~420g質(zhì)量能量密度（@1C)~150Wh/Kg持續(xù)最大充電電流3C持續(xù)最大放電電流8C常溫1C/1C循環(huán)4000周，容量保持率＞81%三、儲能鋰離子電芯的開發(fā)21磷酸鐵鋰電芯安全性高、價格低廉、循環(huán)壽命長，適用于安全要求高、使用年限長且對電池體積不敏感的儲能領(lǐng)域。3.2

高安全長壽命LFP/C儲能電池的開發(fā)

該體系具有較好的高低溫放電及倍率充放電能力：-20℃1C放電比例大于75%；55

℃1C放電比例大于99%；3C倍率充電，恒流充電比例為79%；8C倍率放電比例為97%。22三、儲能鋰離子電芯的開發(fā)3.2

高安全長壽命LFP/C儲能電池的開發(fā)

三、儲能鋰離子電芯的開發(fā)該體系具有優(yōu)良的循環(huán)性能：循環(huán)4000周，容量保持率＞81%。233.2

高安全長壽命LFP/C儲能電池的開發(fā)

項目規(guī)格標(biāo)稱容量≥37Ah標(biāo)稱電壓3.7V交流內(nèi)阻≤1mΩ電池重量~620g質(zhì)量能量密度（@1C)~220Wh/Kg持續(xù)最大充電電流3C持續(xù)最大放電電流8C常溫1C/1C循環(huán)2500周，容量保持率~87%三、儲能鋰離子電芯的開發(fā)24高比能三元電芯能量密度高、價格相對低廉，適用于對電池系統(tǒng)體積和重量較為敏感的儲能領(lǐng)域。3.3

高比能NCM/C儲能電池的開發(fā)

25該體系具有較高的質(zhì)量能量密度，以及較好的高低溫放電及倍率充放電能力：-20℃1C放電比例大于82%；55

℃1C放電比例大于102%；5C倍率充電，恒流充電比例為73%；8C倍率放電比例為85%。三、儲能鋰離子電芯的開發(fā)3.3

高比能NCM/C儲能電池的開發(fā)

三、儲能鋰離子電芯的開發(fā)該體系具有較好的循環(huán)性能：循環(huán)2500周，容量保持率＞85%。263.3

高比能NCM/C儲能電池的開發(fā)

項目規(guī)格標(biāo)稱容量≥10Ah標(biāo)稱電壓2.2V交流內(nèi)阻≤1.5mΩ電池重量~300g質(zhì)量能量密度（@1C)~72Wh/Kg持續(xù)最大充電電流15C持續(xù)最大放電電流15C常溫6C/10C循環(huán)7800周，容量保持率＞81%三、儲能鋰離子電芯的開發(fā)27三元/鈦酸鋰電芯倍率性能極佳、低溫性能和循環(huán)壽命優(yōu)異，適用于充放電倍率要求高、工作環(huán)境溫度低以及體積價格不敏感、低維護(hù)要求的儲能領(lǐng)域。3.4

高倍率低溫NCM/LTO儲能電池的開發(fā)

該體系具有優(yōu)秀的高低溫放電及優(yōu)秀的倍率充放電能力：-40℃1C放電比例大于62%；55

℃1C放電比例大于105%；15C倍率充電比例為92.7%；15C倍率放電比例為96%。三、儲能鋰離子電芯的開發(fā)283.4

高倍率低溫NCM/LTO儲能電池的開發(fā)

三、儲能鋰離子電芯的開發(fā)該體系具有良好的倍率循環(huán)性能：3C充3C放循環(huán)11000周，容量保持率＞80%；6C充10C放循環(huán)7800周，容量保持率＞81%。293.4

高倍率低溫NCM/LTO儲能電池的開發(fā)

目錄全球儲能市場與技術(shù)分析鋰離子儲能材料的開發(fā)儲能鋰離子電芯的開發(fā)鋰電池成本優(yōu)化及失效模式分析儲能鋰離子電池系統(tǒng)的應(yīng)用示范國內(nèi)儲能電池市場的展望

30

四、鋰電池成本優(yōu)化及失效模式分析4.1

工藝技術(shù)影響鋰電池整個制造環(huán)節(jié)和和結(jié)果

31

四、鋰電池成本優(yōu)化及失效模式分析4.2

分散影響混料不均勻：電池內(nèi)阻較大、倍率性能差電池局部自放電高漿料粘度偏大，流動性差正極光亮、無顆粒，柔韌性好分散效果差，輥壓后表面粗糙、滾壓后顆粒，對折極片發(fā)脆32

四、鋰電池成本優(yōu)化及失效模式分析4.3

裝配影響300028002600240022002000180016001400120010000放電容量（mAh)200

400

600

800

1000

1200

1400循環(huán)次數(shù)裝配比對電池的容量發(fā)揮、內(nèi)阻、倍率性能及一致性有非常大的影響18650電池不同裝配比循環(huán)對比裝配比大裝配比小比較典型的裝配比過大，導(dǎo)致局部提前失效33

四、鋰電池成本優(yōu)化及失效模式分析4.3

裝配影響日本湯淺卷繞電池，中間略呈現(xiàn)凸起狀，保證裝配比的內(nèi)部一致性方形卷繞電池卷心，容易產(chǎn)生不平整問題，導(dǎo)致電池容量發(fā)揮不出來及電池一致性極差軟包電池形狀隨著極片伸縮，發(fā)生變化，該電池已經(jīng)發(fā)生凹陷34

35四、鋰電池成本優(yōu)化及失效模式分析4.4

過程控制影響負(fù)極過烘烤導(dǎo)致掉料正極粘結(jié)性差導(dǎo)致掉料毛刺影響自放電及安全粉塵影響自放電及安全制袋引起短路負(fù)極不干導(dǎo)致輥壓粘輥

軟包疊片電池局部較嚴(yán)重的析鋰36四、鋰電池成本優(yōu)化及失效模式分析4.5

水分：對性能影響

軟包卷繞電池容易產(chǎn)生批量死區(qū)及析鋰110.00%105.00%100.00%95.00%90.00%85.00%80.00%75.00%70.00%65.00%

60.00%0 100 200坐標(biāo)軸標(biāo)題300 400 500 600 700 800循環(huán)壽命鐵鋰軟包卷繞20Ah電池1C/1C循環(huán)（析鋰導(dǎo)致循環(huán)跳水）

以產(chǎn)量為1GWh的磷酸鐵鋰產(chǎn)量而言，在不同露點下封口注液，每年用電量差異巨大。37四、鋰電池成本優(yōu)化及失效模式分析4.5

水分：對性能影響及動力消耗電芯內(nèi)部水分含量高，負(fù)極

表面泛白電池內(nèi)阻大、容量低電解液消耗速度大，電池循環(huán)性能差電池使用中，易發(fā)熱導(dǎo)致安全問題露點要求干燥及冷卻功率（KW）年用電量/300天（萬度)—20℃10072—25℃200144—30℃400288—35℃700504—40℃1200864—45℃20001440

38四、鋰電池成本優(yōu)化及失效模式分析4.5

水分：消除水分影響的措施鋁殼真空化成軟包熱封PP管滿足真空化成軟包高溫夾板化成

方形鐵鋰電池4000次左右39四、鋰電池成本優(yōu)化及失效模式分析4.6

結(jié)構(gòu)對循環(huán)性能的影響軟包三元電池循環(huán)可達(dá)4000次300025002000150010005000放電容量（mAh）523三元18650-2400電池1C/1C循環(huán)0 500 1000 1500 2000

循環(huán)次數(shù)

三元圓柱電池2000次左右20000.018000.016000.014000.012000.010000.08000.06000.04000.02000.00.00 10006000放電容量（mAh)2000 3000

4000

5000循環(huán)次數(shù)磷酸鐵鋰軟包電池1C/1C循環(huán)軟包鐵鋰電池循環(huán)可達(dá)8000次55000.050000.045000.040000.035000.030000.025000.020000.015000.010000.05000.00.0050020002500100循0

環(huán)次1數(shù)500放電容量（mAh)

鋁殼鐵鋰電池1C/1C循環(huán)

壽命：軟包＞鋁殼＞圓柱

目錄全球儲能市場與技術(shù)分析鋰離子儲能材料的開發(fā)儲能鋰離子電芯的開發(fā)鋰電池成本優(yōu)化及失效模式分析儲能鋰離子電池系統(tǒng)的應(yīng)用示范國內(nèi)儲能電池市場的展望

40

5.1

JY設(shè)備異型特種儲能電源41五、儲能鋰離子電池系統(tǒng)的應(yīng)用示范

五、儲能鋰離子電池系統(tǒng)的應(yīng)用示范425.2

JY設(shè)備中型低溫特種保障電源

目錄全球儲能市場與技術(shù)分析鋰離子儲能材料的開發(fā)儲能鋰離子電芯的開發(fā)鋰電池成本優(yōu)化及失效模式分析儲能鋰離子電池系統(tǒng)的應(yīng)用示范國內(nèi)儲能電池市場的展望

43

6.1

國內(nèi)電化學(xué)儲能相關(guān)政策及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)國家相關(guān)政策及標(biāo)準(zhǔn)（部《關(guān)于促進(jìn)電儲能參與“三北”地區(qū)分電）力輔助服務(wù)補償(市場)機制試點工作的通知》，2016年；《國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》，2016年；《中國制造2025—能源裝備實施方案》，2016年；《關(guān)于促進(jìn)儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見》，2017年，

國內(nèi)儲能行業(yè)發(fā)展元年；《南方區(qū)域電化學(xué)儲能電站并網(wǎng)運行管理及輔助服務(wù)管理實施細(xì)則(試行)》

，2017年《完善電力輔助服務(wù)補償(市場)機制工作方案》，2017年；《GB/T

34210

電化學(xué)儲能系統(tǒng)儲能變流器技術(shù)規(guī)范》，2018年；《GB/T

34133儲能變流器檢測技術(shù)規(guī)程》，2018年；《GB/T

34131電化學(xué)儲能電站用鋰離子電池管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》，2018年2016年被視為國內(nèi)電化學(xué)儲能行業(yè)發(fā)展的元年，電化學(xué)儲能行業(yè)正式得到國家層面的政策支持，被納入“十三五”規(guī)劃綱要。隨后國家和地方均出臺了各類電化學(xué)儲能補貼和規(guī)范的相關(guān)政策，至2018年2月儲能行業(yè)的國家標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布，未來幾年國內(nèi)將迎來電化學(xué)儲能增長的爆發(fā)期。44六、國內(nèi)儲能電池市場的展望

自2016年起，在國家和地方政策的大力推動下，國內(nèi)電化學(xué)儲能行業(yè)迎來了爆發(fā)式的增長，2017年國內(nèi)電化學(xué)裝機量達(dá)到389.8MW，同比增長超過60%。

2018年電化學(xué)儲能行業(yè)裝機容量將達(dá)到560MW，預(yù)計到2022年規(guī)模將能達(dá)到2592MW，年復(fù)合增長率超過46%。六、國內(nèi)儲能電池市場的展望6.2

國內(nèi)電化學(xué)儲能相關(guān)政策及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)45

六、國內(nèi)儲能電池市場的展望截至2017年，國內(nèi)鋰離子電池的儲能規(guī)模占總裝機容量的58%，同時與國際市場相比還有相當(dāng)多的鉛酸電池儲能市場。2017年國內(nèi)新增電化學(xué)儲能裝機容量121MW，應(yīng)用領(lǐng)域分布為集中式可再生能源并網(wǎng)（25%）、輔助服務(wù)（25%）、用戶側(cè)（59%），鋰離子電池在上述領(lǐng)域的占比分別為83%、100%和23%。隨著鋰離子儲能成本的進(jìn)一步降低，未來幾年鋰離子電池儲能也將占據(jù)我國電化學(xué)儲能市場的主流。6.3

國內(nèi)電化學(xué)儲能技術(shù)現(xiàn)狀和趨勢46

2017年國內(nèi)儲能鋰離子電池出貨量超過5GWh，預(yù)計2018年儲能電池市場鋰電需求將會超過8.21GWh，2020年鋰電儲能市場需求量將達(dá)到16.64GWh，與之相對應(yīng)的鋰離子電池市場規(guī)模在2020年將會超過87億元。六、國內(nèi)儲能電池市場的展望6.4

國內(nèi)鋰離子電池儲能行業(yè)的發(fā)展47

六、國內(nèi)儲能電池市場的展望2017年國內(nèi)新投入運營的電化學(xué)儲能項目主要分布在全國20多個省市，覆蓋華東、西北、華北、華南等地區(qū)。江蘇、北京、廣東等經(jīng)濟(jì)較為