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陈永翀-储能锂电池的技术发展方向



  陈永翀-储能锂电池的技术发展方向_能源/化工_工程科技_专业资料。HAWAGA 第六届中国国际储能大会,中国深圳,2016年5月24-26日 陈永翀 手机: 156 0105 6829 电邮中国科学院电工研究所 储能技

  HAWAGA 第六届中国国际储能大会,中国深圳,2016年5月24-26日 陈永翀 手机: 156 0105 6829 电邮: .ac.cn 中国科学院电工研究所 储能技术研究组 Institute of Electrical Engineering, CAS Energy Storage Technology Research Group 电池、储能电池、电网储能电池 陈永翀 中科院电工所 陈永翀 中科院电工所 锂电池 + 伏打电堆 = ? 锂电池 + 液流电池 = ? 锂电池 + 铅酸电池 = ? 高能量材料 + 大电池结构 = 储能锂电池 陈永翀 中科院电工所 应用场景需求分析 1.1 电动汽车VEG模式 1.2 低速电动汽车模式 三个可能的发展方向 2.1 双极性锂动力电池 2.2 半固态锂液流电池 2.3 半固态锂浆料电池 总结与展望 5 一、应用场景需求分析 电动汽车的VEG模式 陈永翀 中科院电工所 一、应用场景需求分析 Vehicle__Energy station__Grid 停车场/车库 (Park/Garage) 储能电池 慢速充电 slow charge 电动汽车 快速充电 (Vehicle) fast charge (低成本、长寿命) 能量站 (Energy station) 储电 storage 馈电 feedback 新能源电网 (Grid) 动力电池 (安全、快速可充) 7 陈永翀 中科院电工所 一、应用场景需求分析 陈永翀 中科院电工所 据统计,低速电动汽车2012年至2015年连续四年保持 高速增长,同比增幅分别为196.4%、45.8%、54.4%、 85.6%。2015年全国低速电动气车销量达到60万辆,而且进 入2016年,低速电动汽车前两个月仅山东就达到7.48万辆, 而全世界高速电动汽车销量为5.26万辆,可见低速电动汽车 井喷趋势明显,预计2016年全年将会达到100万辆。 一、应用场景需求分析 陈永翀 中科院电工所 一、应用场景需求分析 陈永翀 中科院电工所 低速电动车国家标准项目公开征求意见 2016年4月14日,国家标准化管理委员会在其网站上对2016 年第一批拟立项国家标准项目公开征求意见。2016年第一 批拟立项标准,《四轮低速电动乘用车技术条件》在列。 一、应用场景需求分析 陈永翀 中科院电工所 目前中国微型电动汽车的动力电池主要是铅酸电池。 根据益普索行业报告,预计2020年中国微型电动汽车保有量可达 500万辆,整车销售规模超过500亿元人民币,动力电池市场需求 超过200亿元人民币。 一、应用场景需求分析 (1)新能源汽车动力电池:能量密度和安全快充之 间存在矛盾,是否存在解耦的思路和方法? (2)能量站储能电池:满足低成本、长寿命、高安 全、易回收的要求 (3)低速电动车动力电池:铅酸电池和锂电池之 间存在市场空白(回收容易、成本较低、动态寿命 长的环保型电池) 应用场景需求分析 1.1 电动汽车VEG模式 1.2 低速电动汽车模式 三个可能的发展方向 2.1 双极性锂动力电池 2.2 半固态锂液流电池 2.2 半固态锂浆料电池 总结与展望 14 三、总结与展望 陈永翀 中科院电工所 锂电池 + 伏打电堆 = 双极性锂电池 (1)新能源汽车动力电池:能量密度和安全快充之 间存在矛盾,是否存在解耦的思路和方法? 高能量材料 + 大电池结构 = 储能锂电池 二、储能锂电池技术方向 陈永翀 中科院电工所 双极性电池(Bipolar Battery)是一种具有层叠结构 的电池。最初将这种双极性的层叠结构应用于化学电源的是 电化学科学史上著名的“伏打电堆”(1800年,意大利),因 而双极性电池又被称为“双极性电堆”。 “伏打电堆”实物图及示意图 二、储能锂电池技术方向 陈永翀 中科院电工所 Effpower双极性铅酸电池产品 Effpower双极性铅酸电池内部结构图 二、储能锂电池技术方向 陈永翀 中科院电工所 “薄饼式(Wafer)”电池结构示意图 30V/2.5Ah双极性镍氢电池 二、储能锂电池技术方向 Temperature Distribution at Time of Highest Temperature of 50Ah hardcase ?The hardcase is 110*220*25 ATL ?The highest temp. is about 188℃ 假设电池均匀产热, 全部 电能转化为焦尔热. Q=160Wh, Wt=1.7kg, S=650 cm2, Q/S=0.24 双极性电极对的制备技术 电池结构及注液量可控技术 第20页电池结构及密封技术 双极性电池组应用结构技术 双极性锂电池技术特点 陈永翀 中科院电工所 二、储能锂电池技术方向 双极性锂电池技术特点 陈永翀 中科院电工所 13 5 4 2 在中国布局的专利数量 二、储能锂电池技术方向 陈永翀 中科院电工所 第23页 二、储能锂电池技术方向 陈永翀 中科院电工所 三、总结与展望 陈永翀 中科院电工所 锂电池 + 液流电池 = 锂液流电池 (2)能量站储能电池:满足低成本、长寿命、高安 全、易回收的要求 高能量材料 + 大电池结构 = 储能锂电池 动力/储能锂离子电池组系统成本: 二、储能锂电池技术方向 20% 正负极材料、电解液、隔膜、集流体等关键材料 45% 生产组装单个电池芯 30% 把多个电池芯封装成电池组,包含电子管理元件 5% 多个电池组集成电池包,配备功率管理系统、充放电 半固态锂液流电池的概念来源:保护、温度传感等 锂离子电池 优势:环保、能量密度高、转换效率高 劣势:成本高,存在安全问题 (20%材料+ 75%制造+5%系统管理) (全钒)液流电池 优势:安全,功率与容量可独立设计 劣势:成本高,效率偏低 (73%材料+ 20%制造+7%系统管理) 正极 集流体 隔膜 负极 集流 体 正极 悬浮液 + 泵 电源/负载 负极 悬浮液 泵 锂离子液流电池系统原理示意图 26 二、储能锂电池技术方向 陈永翀 中科院电工所 二、储能锂电池技术方向 半固态锂液流电池的特性: 陈永翀 中科院电工所 难点 1、粘度(600-1200厘泊)大于纯液体电解液的粘度(纳米流 体),对电池反应腔室有特殊要求(劣势); 2、电化学反应区域在流体内部发生,不是在固定的电极表面, 因此电极悬浮液可以间歇或连续流动(驱动能耗低); 3、目前的能量密度介于全钒液流电池和锂离子电池之间,电 极悬浮液容量成本(2100元/KWh),功率密度有待进一步提 高; 4、提供了发挥嵌锂材料优势的一个独特方式:只要材料晶格 不坍塌,颗粒体积的反复膨胀与收缩导致材料粉化并不会恶化 材料的循环性能(理论循环性能高于锂电池); 5、电池可维护、易回收(长寿命和低成本); 6、与大规模锂电池组相比,安全性大大提高。 二、储能锂电池技术方向 陈永翀 中科院电工所 Li+ e- e- Li+ 集流内阻解耦模型 倍率特性 陈永翀 中科院电工所 Voltage (V) Voltage (V) 170 17 7 170 17 7 W/m2 4.5 4.0 0.1 mA/cm2 4.5 0.2 mA/cm2 0.3 mA/cm2 0.4 mA/cm2 0.5 mA/cm2 4.0 0.1 mA/cm2 0.2 0.3 mmAA//ccmm22 0.4 0.5 mmAA//ccmm22 1.0 mA/cm2 2.0 mA/cm2 3.5 3.5 3.0 3.0 2.5 2.5 2.0 17 7 3.5 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 Capacity (mAh) (a) 已有电池结构 2.0 0.0 70 35 17 3.5 W/m2 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 Capacity (mAh) (b) 新型电池结构 不同结构锂离子液流电池的容量和倍率性能比较(单液流,间歇流动) 陈永翀 中科院电工所 二、储能锂电池技术方向 半固态锂液流电池的特性: 难点 1、粘度(600-1200厘泊)大于纯液体电解液的粘度(纳米流 体),对电池反应腔室有特殊要求(劣势); 2、电化学反应区域在流体内部发生,不是在固定的电极表面, 因此电极悬浮液可以间歇或连续流动(驱动能耗低); 3、目前的能量密度介于全钒液流电池和锂离子电池之间,电 极悬浮液容量成本(2100元/KWh),功率密度有待进一步提 高; 4、提供了发挥嵌锂材料优势的一个独特方式:只要材料晶格 不坍塌,颗粒体积的反复膨胀与收缩导致材料粉化并不会恶化 材料的循环性能(理论循环性能高于锂电池); 5、电池可维护、易回收(长寿命和低成本); 6、与大规模锂电池组相比,安全性大大提高。 中国科学院电工研究所 储能技术研究组 Energy Storage Technology Research Group, Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences 三、总结与展望 锂电池 + 铅酸电池 = 锂浆料电池 (3)低速电动车动力电池:铅酸电池和锂电池之 间存在市场空白(回收容易、成本较低、动态寿命 长的环保型电池) 高能量材料 + 大电池结构 = 储能锂电池 二、储能锂电池技术方向 陈永翀 中科院电工所 半固态锂液流电池的技术难点: 1、电极悬浮液粘度大,对电池反应腔结构和循环驱动方式 提出了挑战; 2、电池反应器的功率密度有待进一步提高,降低电池极化。 半固态锂浆料电池的技术难点: 1、能够实现低成本目的的电池结构、材料和生产技术方案; 2、有待成熟的工业化生产技术和装备。 二、国内外的发展现状 陈永翀 中科院电工所 中国,53篇申请专利: 1、电工所+北京好风光,45篇 申请,其中15篇授权; 2、中科院物理所,1篇有权, 1篇实审,1篇无权视撤; 3、大连丽昌新材料,1篇无权 视撤; 4、吉林晋吉锂电,1篇实审; 5、中科院青岛生物能源与过 程所,1篇无权视撤; 6、上海采科实业,1篇实审 7、上海电气+复旦大学,1篇 实审 日本夏普,1篇申请(3篇同族): US;CN102804470A; JP5417441B2 中国 日本 美国 新加坡 美国麻省理工学院+24M公司, 15篇申请 新加坡国立大学,1篇申请(6篇同族): US; CN103814470A; JP2014524124A; KR06; TW201312846; WO2013012391 已申请45项专利,其中含2篇国 际发明专利申请,获14项发明专 利授权,1项实用新型专利授权。 第一篇半固态锂电池申请专利,MIT 2009年通过PCT申请进入中国,在中国审查时被 拒,因为该专利存在重大缺陷,没有把握好半固 态锂液流电池的本质技术特征和创新点。 二、储能锂电池技术方向 陈永翀 中科院电工所 WO2013/166924A1 CN102664280A 原理 CN103187551A 交叉 结构 CN102931427A CN202259549U CN102945978A 电池控制系统 CN103094599A 8.4 7.6 2.8 CN104795583A 取消分流腔 PCT/CN2015/071125 集流内阻解耦 CN 103117406A 6.2 9.3 2.1 其他形式 集流体 1.3 电极 材料 CN 103219521A CN104201370A 7X CN103117406A CN102760887A 6.4 CN104064797A 储 动 能 力 电 电 池 池 CN104577132A 隔膜 CN 103178226A CN 102437304A 3.9 CN 102420312A CN 103094619A CN 104577184A CN104659289A 2.8 8.9 CN102760887A CN104577132A CN 102437304A CN 103178226A 三、总结与展望 基础科学研究 原始创新技术开发 只有品牌、创新、知识产权等方面的领导者,以及 世界资本的领导者,才真正地掌握价值链的最高端。 —— 从“贫困的形式”到“精神的解放” ,邱立波《在非洲发现中国》 三、总结与展望 陈永翀 中科院电工所 锂电池 + 伏打电堆 = 双极性锂电池 锂电池 + 液流电池 = 锂液流电池 锂电池 + 铅酸电池 = 锂浆料电池 高能量材料 + 大电池结构 = 储能锂电池 HAWAGA 第六届中国国际储能大会,中国深圳,2016年5月24-26日 陈永翀 手机: 156 0105 6829 电邮: .ac.cn 中国科学院电工研究所 储能技术研究组 Institute of Electrical Engineering, CAS Energy Storage Technology Research Group