鋰離子動力與儲能電池及其產(chǎn)業(yè)鏈

關(guān)于鋰離子動力與儲能電池及其產(chǎn)業(yè)鏈1前言內(nèi)容提要第2頁,共66頁，2024年2月25日，星期天ET時代新能源核能風(fēng)能氫能生物能海洋能能源危機(jī)金融危機(jī)生態(tài)危機(jī)低碳經(jīng)濟(jì)太陽太陽能

新能源產(chǎn)業(yè)第3頁,共66頁，2024年2月25日，星期天新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)溫家寶總理在2009年11月3日講話指出：我國要致力發(fā)展五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，搶占經(jīng)濟(jì)科技制高點(diǎn)。發(fā)展新能源列在首位全球：第四次工業(yè)革命——新能源革命風(fēng)起云涌美國奧巴馬“能源新政”：通過新能源產(chǎn)業(yè)革命的方式再造美國經(jīng)濟(jì)增長，再續(xù)美國在高科技領(lǐng)域的壟斷和霸主地位新能源革命驅(qū)動的綠色經(jīng)濟(jì)浪潮席卷大地，德國和法國都在大力發(fā)展新能源汽車歐洲中國第4頁,共66頁，2024年2月25日，星期天石油與國家能源安全我國石油儲量不足世界的2%；我國自產(chǎn)石油在1.8億噸/年左右；2007年我國凈進(jìn)口原油1.63億噸，成品油0.338億噸，原油對外依存度達(dá)到46.05%；每年新增1000萬輛汽車，石油需求新增2000萬噸左右。空氣污染與溫室氣體排放大城市空氣污染的50%來自汽車；1億噸油產(chǎn)生CO2約3億噸。發(fā)展電動汽車大勢所趨第5頁,共66頁，2024年2月25日，星期天我國現(xiàn)狀：與發(fā)達(dá)國家?guī)缀跬瑫r起步，國家大力扶持，有望將來參與國際競爭?！叭龣M”、“三縱”。電動汽車和混合動力汽車比亞迪雙模本田豐田Prius第6頁,共66頁，2024年2月25日，星期天鋰離子電池應(yīng)用領(lǐng)域BYDhybridcarOlympicE-busGolfcartSolarE-bicycleSolarroadlampsHeadlamps第7頁,共66頁，2024年2月25日，星期天電動汽車新興產(chǎn)業(yè)鏈以電動車的生產(chǎn)、運(yùn)行為主體以動力電池生產(chǎn)為核心的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)群電動車電動機(jī)電控系統(tǒng)動力電池正極材料電源管理供電體系電池回收充電服務(wù)電動技術(shù)產(chǎn)業(yè)能量回收充電設(shè)施負(fù)極材料電解液資源再生電池復(fù)用膜年產(chǎn)2000萬輛電動車（2020），年產(chǎn)值數(shù)萬億元！維持幾千萬輛電動車運(yùn)行，年產(chǎn)值千億元！第8頁,共66頁，2024年2月25日，星期天2鋰離子電池知識簡介內(nèi)容提要第9頁,共66頁，2024年2月25日，星期天電池是一種利用電化學(xué)的氧化-還原反應(yīng)，進(jìn)行化學(xué)能------電能之間轉(zhuǎn)換的儲能裝置。

電池一次電池二次電池鋅錳干電池紐扣電池鋰原電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池化學(xué)電源分類第10頁,共66頁，2024年2月25日，星期天鋰離子電池鉛酸電池鋰離子電池一次電池第11頁,共66頁，2024年2月25日，星期天干電池

上圖是鋅－錳干電池第12頁,共66頁，2024年2月25日，星期天鉛蓄電池第13頁,共66頁，2024年2月25日，星期天第14頁,共66頁，2024年2月25日，星期天80年代，由Armand提出了“搖椅式”鋰離子二次電池的新概念。提出電池的正、負(fù)極材料采用可以儲存和交換鋰離子的材料，利用充放電時，鋰離子的來回移動進(jìn)行能量交換。

層狀化合物L(fēng)iCoO2的合成，發(fā)現(xiàn)石墨可插入鋰離子生成石墨層間化合物L(fēng)ixC6。1991年由日本SONY公司生產(chǎn)出以LiCoO2為正極材料，碳黑為負(fù)極材料的商業(yè)化鋰離子電池。鋰離子電池第15頁,共66頁，2024年2月25日，星期天鋰離子電池充放電示意圖LoadElectrolytee-e-正極負(fù)極Li+Li+ChargeDischargeLixC6Li1-xCoO2

電池:(

)C|LiPF6-(EC+DEC)|LiCoO2(+)

正極:LiCoO2Li1-xCoO2+xLi++xe-

負(fù)極:6C+xLi++xe-LixC6

總反應(yīng):LiCoO2+6CLi1-xCoO2+LixC6CDDCDCEC:ethylenecarbonateDEC:dimethylcarbonate第16頁,共66頁，2024年2月25日，星期天電池正極負(fù)極電解質(zhì)LiCoO2、LiNiO2

、LiMn2O4等人造石墨系列、天然石墨系列、焦炭系列等有機(jī)溶劑電解質(zhì)（液態(tài)）

聚合物電解質(zhì)（固態(tài)、凝膠）鋰離子電池的組成第17頁,共66頁，2024年2月25日，星期天

▲

LiFePO4LiNi2/3Mn1/3O2

▲鋰離子電池正極材料由小型電池向動力、儲能大型電池發(fā)展；傳統(tǒng)鈷酸鋰電池不安全、成本高、壽命短、有毒磷酸鐵鋰型高性能鋰離子電池：功率高、容量大、壽命長、成本低、環(huán)境友好、安全性好新型鋰離子動力電池發(fā)展趨勢及目前問題第18頁,共66頁，2024年2月25日，星期天質(zhì)子交換膜燃料電池HeatHeatElectrolyteAnodeCathodee-

2e-Air1/2O2H+conductorH2O2e-+H22H+H2OH2e-

H2+?O2H2O+Electricity+HeatCatalyst<100°C第19頁,共66頁，2024年2月25日，星期天HeatHeatElectrolyteAnodeCathodee-

6e-Air3/2O2H+conductor6e-+6H+H2Oe-

CO2MeOH(aq)3H2O直接甲醇燃料電池CH3OH+3/2O2=CO2+2H2O第20頁,共66頁，2024年2月25日，星期天3鋰離子動力與儲能電池內(nèi)容提要第21頁,共66頁，2024年2月25日，星期天動力–儲能電池

燃料電池氫能動力二次電池鋰離子電池超級電容器儲能電池燃料電池二次電池超級電容器能量類型化學(xué)能

電能化學(xué)能

電能能量傳送能量儲存與轉(zhuǎn)換開放系統(tǒng)密閉系統(tǒng)電雙層應(yīng)用潛在(商用電源、電動車、發(fā)電)廣泛(電子器件、電動車等)潛在(電動車等)第22頁,共66頁，2024年2月25日，星期天不同電池比較kWh/tkWh/m3Drivingrange/kmSpecificPower/Wkg-1Specificenergy/Whkg-1第23頁,共66頁，2024年2月25日，星期天大型化電動汽車電動自行車太陽能發(fā)電

動力電池鋰離子電池

儲能電池風(fēng)力發(fā)電

小型電池電子電器手機(jī)通訊傳統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢航空航天鋰離子動力與儲能電池第24頁,共66頁，2024年2月25日，星期天Points-lines-AreasstructureandtransportationmeanschoiceE-bike050200townBigcityInter-cityBEVSubwayE-busE-RailwayAirlineWaterwayMicroEVE-buskmIndustryProspectofChineseNewEnergyVehicleE-bikeE-bike第25頁,共66頁，2024年2月25日，星期天

0 100 200 300 400 500Wh/l0 100 200 300Wh/kgPanasonic20083.6Ah740Wh/lLi-IonNi-MHNi-CdLeadAcidPrimaryLithiumAlkaline

PrimaryNi-Zn儲能體系比較誰掌控了鋰電池，誰就掌控了未來電動汽車100年！第26頁,共66頁，2024年2月25日，星期天只有鋰離子電池才能滿足電動汽車和混合動力汽車的要求CanLi-IonpowerHEVsandEVs?第27頁,共66頁，2024年2月25日，星期天新能源產(chǎn)業(yè)儲能(動力)電池風(fēng)能光能電網(wǎng)瞬時性、流動性能源時間上移動電動汽車電動摩托車軍用電源能源空間上移動動力和儲能電池發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)必須大力發(fā)展高安全、長壽命、高能量密度的動力和儲能電池！第28頁,共66頁，2024年2月25日，星期天NATURE|Vol456|27NEWSFEATURE7November2008風(fēng)電和光伏電都是不連續(xù)的電源，需要解決電能的儲能問題。BEV成為分布式儲能系統(tǒng)，儲能效率可達(dá)90%,遠(yuǎn)高于抽水蓄能電站的效率(70%)。

By2010Windelectricitywillbe5MKW,2020:Windelectricitywillbe3%(30MKw)ofthetotal.2008windpowerreached12.21MKW.第29頁,共66頁，2024年2月25日，星期天高性能儲能電池–鋰離子電池020406080100比功率比能量工作溫度范圍壽命安全成本

今后目標(biāo)國際水平現(xiàn)狀水平（2000W/Kg）（200Wh/Kg）（-30-60C）（10~15年）（車用:2元/Wh

儲能1元/Wh）第30頁,共66頁，2024年2月25日，星期天鋰離子電池生產(chǎn)設(shè)計第31頁,共66頁，2024年2月25日，星期天鋰離子電池生產(chǎn)設(shè)計第32頁,共66頁，2024年2月25日，星期天鋰離子電池生產(chǎn)設(shè)計第33頁,共66頁，2024年2月25日，星期天材料評測材料采購條碼標(biāo)識物料儲存正極配料負(fù)極配料正極分散負(fù)極初混正極初混負(fù)極分散二次攪拌二次攪拌漿料過濾漿料過濾漿料除鐵漿料除鐵漿料檢測漿料檢測入周轉(zhuǎn)桶入周轉(zhuǎn)桶自動上料自動上料涂布準(zhǔn)備涂布準(zhǔn)備涂布涂布卷片烘干卷片烘干去離子水制備去離子水制備鋰離子電池生產(chǎn)工藝流程第34頁,共66頁，2024年2月25日，星期天殼體準(zhǔn)備激光制片激光制片吸塵檢測吸塵檢測壓片壓片疊片檢漏注液極耳連接芯包裝殼裝安全閥正極制袋短路檢測熱熔焊接芯包包扎焊縫修整烘干極耳沖孔短路檢測靜置鋰離子電池生產(chǎn)工藝流程第35頁,共66頁，2024年2月25日，星期天我國鋰離子動力電池技術(shù)差距鋰離子電池制備技術(shù)當(dāng)前我國在動力電池結(jié)構(gòu)設(shè)計、極片制造技術(shù)、電極與電解液相容性、高功率電池設(shè)計以及電池性能評估與預(yù)測技術(shù)方面尚存在差距。鋰離子電池裝備

日本在電池生產(chǎn)專用設(shè)備方面至少領(lǐng)先我國5年。如600L攪拌制漿機(jī)，高速Filmics分散設(shè)備，Slitdie（噴涂）涂敷機(jī)，冷熱碾壓機(jī)，日產(chǎn)6000只全自動生產(chǎn)線。我國通過引進(jìn)消化吸收實(shí)現(xiàn)了大部分單機(jī)設(shè)備國產(chǎn)化，但單機(jī)生產(chǎn)能力和制造精度上和日本設(shè)備還有較大差距，尚無國產(chǎn)全自動電芯裝配線。

第36頁,共66頁，2024年2月25日，星期天4鋰離子電池關(guān)鍵材料內(nèi)容提要第37頁,共66頁，2024年2月25日，星期天Prius電動汽車鋰離子動力電池核心電源磷酸鐵鋰正極材料關(guān)鍵瓶頸鉛酸電池鎳氫電池鈷酸鋰錳酸鋰第38頁,共66頁，2024年2月25日，星期天鋰離子動力與儲能電池大功率鋰電池安全性好成本低壽命長無污染第39頁,共66頁，2024年2月25日，星期天正極材料主要正極材料Co-based

LiCoO2Mn-basedLiMn2O4LiNi0.5Mn1.5O4Multi-elementsLiNixCo1-x-yMyO2P-basedLiMPO4第40頁,共66頁，2024年2月25日，星期天類別安全性能比容量mAh/g循環(huán)壽命/次電壓平臺材料成本所占成本比重適合領(lǐng)域鈷酸鋰差145＞5003.6高40%中小型移動電池錳酸鋰較好105＞5003.7低25%對體積不敏感的中型動力電池三元素較好160＞8003.6較高33%中小型號動力電池磷酸鐵鋰很好150＞15003.2低廉25%對體積不敏感的大型動力電源幾種正極材料應(yīng)用優(yōu)劣勢比較

磷酸鐵鋰材料最適合制作大型動力電池已成為世界各國競相研究和開發(fā)的重要方向！第41頁,共66頁，2024年2月25日，星期天J.B.GoodenoughandK.Padhi,J.Electrochem.Soc.,1997,144,1188.OlivineStructure

(LiFePO4)HeterositeStructure(FePO4)(1)導(dǎo)電性差；(2)堆積密度較小。

理論比容量高(170mAh/g)；電壓穩(wěn)定(3.4V)；循環(huán)性能好(壽命長)；成本低；環(huán)境友好；安全性好。

磷酸鐵鋰電池是混合動力汽車、儲能理想的新一代鋰電池磷酸鐵鋰正極材料缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)第42頁,共66頁，2024年2月25日，星期天磷酸鐵鋰單電池動力電池產(chǎn)品指標(biāo)：比容量150mAh/g倍率10C(6分鐘)循環(huán)壽命：3000次（0.2C）工藝導(dǎo)電高分子復(fù)合磷酸鐵鋰免碳包覆納米磷酸鐵鋰特殊的低溫制備工藝，無碳包覆。電解液性能負(fù)極具有自主知識產(chǎn)權(quán)，避開碳包覆專利壁壘！鋰離子動力電池關(guān)鍵材料及技術(shù)Li4Ti5O12LiFSI第43頁,共66頁，2024年2月25日，星期天磷酸鐵鋰性能優(yōu)化需解決的問題：(1)倍率性能差；(2)振實(shí)密度較??；(3)低溫性能差；(4)批次穩(wěn)定性差。我們的策略性能優(yōu)化電活性導(dǎo)電高分子復(fù)合M-摻雜納米化第44頁,共66頁，2024年2月25日，星期天

正極中活性物質(zhì)含量減少；振實(shí)密度降低；體積能量密度降低；磷酸鐵鋰顆粒核心無包覆，導(dǎo)電無改進(jìn)；侵犯專利（中國專利ZL01816319.X）碳包覆的缺點(diǎn)磷酸鐵鋰碳包覆第45頁,共66頁，2024年2月25日，星期天磷酸鐵鋰-導(dǎo)電高分子復(fù)合正極材料第46頁,共66頁，2024年2月25日，星期天0.1C充電至4.1V,再在不同電流下放電充電性能比較(0.1

20C充電,0.1C放電，ED：原位電聚合，Chem：化學(xué)聚合)比容量提高快速充放電（6分鐘充電至94%）黃云輝等，中國發(fā)明專利，CN101630729；中國發(fā)明專利，CN101630728

磷酸鐵鋰-導(dǎo)電高分子復(fù)合正極材料第47頁,共66頁，2024年2月25日，星期天產(chǎn)品特點(diǎn)：（1）無碳包覆、100納米；（2）比容量（實(shí)驗(yàn)室接近160mAh/g）；（3）倍率特性好；（4）循環(huán)壽命長；（5）低溫合成，成本低。目前正在進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和放大。免碳包覆的納米磷酸鐵鋰第48頁,共66頁，2024年2月25日，星期天電活性物質(zhì)包覆錳酸鋰正極材料第49頁,共66頁，2024年2月25日，星期天負(fù)極材料我國負(fù)極材料產(chǎn)品主要集中在低成本石墨材料這一類，需要豐富適應(yīng)于不同用途電池的碳負(fù)極材料品種。硬碳、鈦酸鋰等汽車電池負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)還未形成規(guī)模。第50頁,共66頁，2024年2月25日，星期天不同的碳負(fù)極材料MCMBelectrodeoffersgoodpackingdensityMesocarbon-microbeads(MCMB)

Materialmicrostructureandprocessingarekeyfactorsforratecapableelectrode.Mesophasepitch-basedcarbonfibers

(MPCF)Orientationanddensificationarekeyknow-howformakinggoodelectrode第51頁,共66頁，2024年2月25日，星期天NaturalgraphiteelectrodeState-of-the-arttechniqueshavebeendevelopedformakinghighqualityelectrodeswithdifferenttypesofanodematerials.不同的碳負(fù)極材料第52頁,共66頁，2024年2月25日，星期天FromLithiumandLithiumIonbatteries,2000byD.MacArthuretal.OptimizingtheperformanceofgraphiteVs.improvingstructureofpitchcokeandhardcarbons.負(fù)極材料的挑戰(zhàn)第53頁,共66頁，2024年2月25日，星期天容量372mAh/gforgraphiteand550-650mAh/gfornongraphiteNon-carbonmaterialsofferupto1200-1400mAh/gcapacity可逆性Morphologies(particlesize,shape,surface,porestructureetc.)Removingimpurities,reducingreactionwithelectrolyteChangingcelldesign倍率性能MaterialmicrostructureElectrodeporosity&conductivity(polarization)循環(huán)壽命VolumetricexpansionBindingadhesion&conductivity安全性負(fù)極材料的挑戰(zhàn)第54頁,共66頁，2024年2月25日，星期天碳納米管HRTEMimagesofMWNTs.G.X.Wangetal./JournalofPowerSources119–121(2003)16–23負(fù)極材料的挑戰(zhàn)第55頁,共66頁，2024年2月25日，星期天錫基合金負(fù)極材料負(fù)極材料的挑戰(zhàn)第56頁,共66頁，2024年2月25日，星期天

Li4Ti5O12+3Li===Li7Ti5O12鈦酸鋰負(fù)極材料Goodcyclability:noSEI;Highsafety:noLideposition;Highenergydensity:90-100Wh/kg.Problems:(1)Highvoltage(1.5V);(2)Lowcapacity(150mAh/g).負(fù)極材料的挑戰(zhàn)第57頁,共66頁，2024年2月25日，星期天電解液

目前我國已有10多家企業(yè)生產(chǎn)鋰離子電解液，但絕大多數(shù)企業(yè)主要從事溶劑提純和電解液配制，而電解質(zhì)鹽、添加劑等關(guān)鍵材料大部分依靠進(jìn)口。LiPF6的95%以上由日本幾家企業(yè)生產(chǎn)，電解質(zhì)鋰鹽的供應(yīng)已開始制約我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。第58頁,共66頁，2024年2月25日，星期天動力鋰離子電池用新型鋰鹽產(chǎn)業(yè)化2008年1月－2009年1月，完成合成工藝路線(1kg/批次，已有訂單)。2009年2月－2010年6月，設(shè)計和建設(shè)中試生產(chǎn)線，年產(chǎn)2噸。LiFSI的突出優(yōu)點(diǎn)：

熱穩(wěn)定性比LiPF6好，如上右圖TGA曲線，在150oC未分解。

在使用溫度范圍內(nèi)，LiFSI電解液的電導(dǎo)率比相應(yīng)LiPF6高，滿足動力鋰離子電池大電流快速充放電要求。

國內(nèi)權(quán)威單位測試表明：低溫電導(dǎo)率高（-50oC達(dá)到1mScm-1），解決動力鋰離子電池低溫性能瓶頸。名稱：雙（氟磺酰）亞胺鋰結(jié)構(gòu)式：Li[N(SO2F)2]簡稱：LiFSI性狀：白色固體粉末；含量：大于99.5％；雜質(zhì)：Cl-含量小于5ppm。第59頁,共66頁，2024年2月25日，星期天

隔膜目前，世界上僅日本、美國能大規(guī)模生產(chǎn)鋰離子電池隔膜，我國已有幾家企業(yè)能生產(chǎn)單層膜，但與美、日產(chǎn)品相比，還存在質(zhì)量均勻性和穩(wěn)定性問題。適用于車用動力電池的三層結(jié)構(gòu)隔膜和陶瓷/塑料復(fù)合膜尚不能生產(chǎn)，全部依賴進(jìn)口。第60頁,共66頁，2024年2月25日，星期天5發(fā)展與展望內(nèi)容提要第61頁,共66頁，2024年2月25日，星期天誰掌握了磷酸鐵鋰及其電池核心技術(shù)，誰就掌控了動力與儲能領(lǐng)域的先機(jī)！專利原始專利(J.B.Goodenough)碳包覆專利(加拿大魁北克水電公司)碳熱還原(美國Valence公司)納米技術(shù)(美國A123公司)技術(shù)草酸亞鐵、磷酸鐵、磷酸二氫鋰、液相低溫結(jié)晶法市場正在形成中磷酸鐵鋰正極材料及其電池第62頁,共66頁，2024年2月25日，星期天磷酸鐵鋰市場分析北美：加拿大Phostech公司最早生產(chǎn)磷酸鐵鋰材料；美國A123公司、Valence公司。日本：三井公司、索尼公司。

中國臺