动力磷酸铁锂电池研究报告讲解课件

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2020/8/24,1,动力磷酸铁锂电池研究报告讲解课件,2020/8/24,2,发展电动汽车用动力电池的社会意义 减少对石油的依赖程度; 减少CO2的排放量,减缓全球温室效应; 优良的电池性能有助于改善汽车的整体性能;,2020/8/24,3,减少对石油的依赖程度,中国石油总需求供需缺口,中国原油需求和消费图,BP世界能源统计2006的数据表明,以目前的开采速度计算,全球石油储量可供生产40年,煤炭可用160年,对于我国这样一个多煤少油的国家而言,发展锂电池新能源应用势在必行。 2009年我国石油对外依存度提高2.5个百分点,已到达53。 目前,我国原油消费60用于交通用油,所以如何降低交通用油量,减少对原油进口的依赖程度有重要的意义。,2020/8/24,4,减少CO2的排放量,中国目前是世界上第二大CO2排放国,WWF预测到2010年中国将成为全球第一大CO2排放国,中国面临着越来越大的碳减排压力。 从OICA的统计数据来看,汽车尾气排放已占据CO2排放总量 的16,因此,推广使用清洁能源汽车,是势在必行的一项 重大举措。,汽车占CO2排放量的16,FromOICA,2020/8/24,5,发展电动汽车用动力电池的经济意义 电池是目前新能源汽车技术和成本上最大的瓶颈,同时也是新能源汽车产业链中利润最丰厚的一环,而且丰厚利润将长期维持; 动力电池行业从无到有,市场容量从目前的十几亿到2018年的约325亿,未来几年是十几倍的增长,巨大的增长空间将使整个产业链受益。 电动汽车将带动与产业配套的相关设备产业飞速发展,如充电站,充电适配器,大功率充电设备连接器等。,2020/8/24,6,汽车用动力锂电池市场分析(一),目前全球锂电池主要满足手机,笔记本电脑,PDA等电子产品 需求,市场规模为50亿美元。 未来5年、10年左右,电动汽车将推动锂电池市场规模达约110、 550亿美元规模。,全球锂电池市场规模(亿美元)预测 From IIT 中信建设研发部,2020/8/24,7,国内已经有完整的锂电池产业链,比亚迪、比克等已居全球锂电池行业前列,且在动力电池关键的电池组成领域并不落后国外厂商(比亚迪全球第一个推出商用插电式混合动力汽车F3DM,天津力神将与迈尔斯合作生产动力电池),产业整体的规模和技术竞争力并不明显落后于国外。 动力电池和电动汽车目前面临的最大挑战是降低成本,中国企业在降低电池制造成本中能发挥比日、美企业更大的作用。 中国汽车产业在传统的发动机技术上与国外差距大,资产沉淀少,政府和企业有更大动力推动电动汽车产业的发展。,汽车用动力锂电池市场分析(二),2020/8/24,8,全球锂电池的产值增长趋势,FromIIT报告,上述数据表明,在2003年2018年锂电池产业将保持较好的增长态势,到2018年 锂电池产业的产值将达到320亿美元。锂电池市场未来的增长主要来源于电动汽 车等动力锂电池领域、笔记本电脑等小型锂电领域对锂电池需求的快速增长, 其中2018年电动汽车领域的锂电池产值将占50以上,超过160亿美元。,2020/8/24,9,全球动力锂电池的总容量需求增长趋势,FromIIT报告,20102013年全球动力锂电池汽车对锂电池的总容量需求的复合增长率为116, 20132018年的复合增长率将保持在26,2009年小型锂电的总容量需求约为 48亿Wh,预计2018年动力锂电池的总容量需求将达到350亿Wh,增长约6.3倍。,2020/8/24,10,全球主要锂电池企业08年Q4市场占有率,FromIIT 中信建设研发部,2020/8/24,11,全球主要锂离子电池企业的投产和生产计划,From 申万研究 2009、05,2020/8/24,12,目前国内锂电池生产结构分析,随着国内锂电池产业链的逐步完善,以及应用市场需求的逐步扩大,锂电池 市场将呈现持续性增长的趋势,加上中国作为一个低廉的劳动成本和丰富的 原材料资源大国,锂电池市场格局将不再被日韩厂商所主导。,2020/8/24,13,虽然国内锂电池产业历程并不长,但其产业发展得益于手机、NB市场的蓬勃 发展,加上国内快速发展的经济对能源需求的逐年增加,推动锂电池产业的 发展。例如比亚迪、深圳比克已在全球锂电池市场占相当大的市场比率,急 起直追日韩商。 目前中国大陆锂电池产业正处于优胜劣汰的发展过程,唯具有技术和品牌优 势的厂家,才有机会获得更大的市场空间。 电芯生产由于生产工艺和技术相对成熟,在有稳定的正极材料货源情况下, 国内大部分锂离子电池厂商均能生产出磷酸铁锂电芯。 由于制造动力电池 涉及到电芯的组合,必须保证电芯的一致性,这样对电池 的生产设备提出了更高更专业的要求,所以设备资金投入很大,一般来说, 建设一条磷酸铁锂电芯生产线至少需要 5000万元的启动资金。创业企业在进 入这一领域有一定的难度,传统的电池生产企业将具有较大的优势。,国内磷酸铁锂电池市场现状,2020/8/24,14,国内锂电池厂商多集中在广东、深圳、浙江、天津等地,其中,深圳是国内最大的锂电池生产基地,有代表性的是比亚迪、比克、ATL等。,2020/8/24,15,主流锂离子电池材料报价,2020/8/24,16,各国政府新能源汽车政策,2020/8/24,17,1.十城千辆工程 由科技部、财政部、发改委、工业和信息化部于2009年元月共同启动,主要内容是,通过提供财政补贴,计划用3年左右的时间,每年发展10个城市,每个城市推出1000辆新能源汽车开展示范运行,涉及这些大中城市的公交、出租、 公务、市政、邮政等领域,力争使全国新能源汽车的运营规模到2012年占到汽车市场份额的10。 2. 新能源汽车补贴政策 中国政府在2010年3月底推出私人补贴标准,补贴金额从3000到60000元不等, 被列入工信部“节能和新能源汽车产品公告”的1.6升和以下排量乘用车都将进入补贴范围,这些符合规定的节能小车预计能得到约3000元的补贴,新能源车的补贴范围以纯电动车和插入式电动车为主。纯电动车的补助从3万到6万元, 插入式电动车的补助从1.5万元到5万元。,中国对新能源汽车的政策,2020/8/24,18,3. 汽车产业调整和振兴规划 我国2009年3月发布的汽车产业调整和振兴规划中,对发展新能源汽车制定了大致目标未来三年,中国将形成50万辆纯电动混合动力和普通型混合动力新能源汽车产能。到2012年,新生产汽车中将有10是节能与新能源汽车,新能源汽车产值有望达到5000亿元。 汽车产业调整和振兴规划明确提出,要“实施新能源汽车战略,推动纯电动汽车、充电式混合动力汽车及其关键零部件的产业化;掌握新能源汽车的专用发动机和动力模块(电机、电池及管理系统等)的优化设计技术、规模生产工艺和成本控制技术;三年内建立动力模块生产体系,形成10亿安时(Ah)车用高性能单体动力电池生产能力这对国内动力电池生产企业及电池管理系统供应商提出了不小的挑战。,中国对新能源汽车的政策,2020/8/24,19,锂电池技术背景,定义 锂电池的全称应该叫锂离子电池(简称LIB),在20世纪90年代 初索尼公司将锂电池产业化。它以碳为负极,以含锂的化合物作 正极;在充放电过程中,没有金属锂存在,只有锂离子,这就是 锂离子电池名称的由来。 2.内部结构 锂离子电池由正极、负极、电解液和隔膜等组成。 正极由含锂的过渡金属氧化物组成,常用的 材料有钴酸锂、 锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂。 负极石墨、石墨化碳材料、改性石墨、石墨化中间相碳微粒 电解液一种有机电解液,大部分是由六氟磷酸锂(LiFL6)加上有机溶剂配成。(六氟磷酸锂由五氯化磷和溶解在无水氟化氢中的氟化锂反应结晶而成),2020/8/24,20,隔膜一种特殊的复合膜,它的功能是隔离正负极,阻止电子穿过,同时能够允许锂离子通过,从而完成在电化学充放电过程中锂离子在正负极之间的快速传输。目前主要是聚乙烯(PE)或者聚丙烯(PP)微孔膜。 3.工作原理 当外部电源给电池充电,此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上,锂离子Li从正极“跳进”电解液里,“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞,“游泳”到达负极,与早就跑过来的电子结合在一起。当电池放电时,机理与充电是刚好是相反的,以LiFePO4为例,其化学反应方程式为,2020/8/24,21,4.锂电池分类,聚合物锂电池和锂离子电池主要区别在电解质,锂离子电池的电解质是液态的,聚合物电池的电解质是胶体型、或者固态聚合物。聚合物锂电池的反应原理和锂离子电池一样,一般以软包的形式,形状可塑性强;锂离子电池一般做成圆柱形或者方形。从安全角度来讲,聚合物锂电池比锂离子电池更安全。,2020/8/24,22,5.锂电池充电曲线( cccv模式),,,恒压模式一般被称为涓流充电,其电流一般很小(降到0.1C以下) ,一般用整个充电时间的1/3充满容量的1/10。,2020/8/24,23,,6.锂电池产业链,在上游原材料中,正极材料是锂电池中最为关键的原材料, 直接决定了电池的安全性能和电池能否大型化,同时也是锂电池成本占比最高的材料,约占锂电池电芯材料成本的1/3左右。,2020/8/24,24,正极材料磷酸铁锂,磷酸铁锂(LiFePO4,简称LFP,也叫锂铁磷)电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池,其工作原理和锂离子电池是一样的。 LiFePO4正确的化学式为LiMPO4,(M 可以是任何金属,如 Fe,Co,Mn,Ti等)。 其物理结构为橄榄石结构,从结构来看,可以用在锂离子电 池的正极材料还有AyMPO4, Li 1-xMFePO4, LiFePO4.MO等都 可以做正极材料。 其特色是不含贵重元素,原料价格低且磷,铁,锂在地球上 的资源含量丰富,供料不会存在很大问题。 除具有锂电池的共性特点外,还有一些特有的优点,比如其 工作电压适中(3.2V),容量大170mAh/g,高放电功率,可 快速充电且循环寿命长(高达2000次),在高温与高热环境 下的稳定性高。,2020/8/24,25,磷酸铁锂工作原理图,宏观图,微观结构图,LiFePO4电池在充电时,正极中的锂离子Li通过 聚合物隔膜向负极迁移;在放电过程中,负极中 的锂离子Li通过隔膜向正极迁移。,2020/8/24,26,磷酸铁锂的特点分析(一) 优点 LiFePO4电池的标称电压是3.2 V(稳定的放电平台)、终止充电电压是3.6V、终止放电压是2.0V ; 比容量大,高效率输出标准放电为25C、连续高电流放电可达10C,瞬间脉冲放电(10S)可达20C; 3. 工作温度范围宽广(-20 75 ),高温时性能良好外部温度65时内部温度则高达95,电池放电结束时温度可达160,电池内部结构安全、完好; 4. 即使电池内部或外部受到伤害,电池不燃烧、不爆炸、安全性最好; 5. 极好的循环寿命,经500次循环,其放电容量仍大于95;实验室制备的磷酸铁锂单体电池在进行IC的循环测试时,循环寿命高达2000次。,2020/8/24,27,磷酸铁锂的特点分析(二) 优点 6. 过放电到零伏也无损坏,零电压存放7天后电池无泄漏,性能良 好,容量为100;存放30天后,无泄漏、性能良好,容量为 98;存放30天后的电池再做3次充放电循环,容量又恢复到 100。 7. 可快速充电,自放电少,无记忆效应可大电流2C快速充放 电,在专用充电器下,1.5C充电40分钟内即可使电池充满,起 动电流可达2C, ; 8. 低成本; 9. 对环境无污染。,2020/8/24,28,LFP电池放电曲线,以STL18650为例,在不同放电倍率和不同温度下放电曲线。,高效率输出,工作温度范围广,2020/8/24,29,磷酸铁锂的特点分析(三) 缺点 导电性差目前在实际生产过程中通过在前驱体添加有机碳源和高价金属离子联合掺杂的办法来改善材料的导电性(A123、烟台卓能正采用这种方法),研究表明,磷酸铁锂的电导率提高了7个数量级,使磷酸铁锂具备了和钴酸锂相近的电导特性。 2. 锂离子扩散速度慢。目前采取的解决方案主要有纳米化LiFePO4晶粒,从而减少锂离子在晶粒中的扩散距离,再者就是掺杂改善锂离子的扩散通道,后一种方法看起来效果并不明显。纳米化已经有较多的研究,但是难以应用到实际的工业生产中,目前只有A123宣称掌握了LiFePO4的纳米化产业技术 。,2020/8/24,30,磷酸铁锂的特点分析(四) 缺点 3. 振实密度较低。一般只能达到0.8-1.3,低的振实密度可以说 是磷酸铁锂的最大缺点。但这一缺点在动力电池方面不会突出。因此,磷酸铁锂主要是用来制作动力电池。 4. 磷酸铁锂电池低温性能差。在0时的容量保持率约6070,-10时为4055,-20时为2040。这样的低温性能显然不能满足动力电源的使用要求。当前一些厂家通过改进电解液体系、改进正极配方、改进材料性能和改善电芯结构设计等使磷酸铁锂的低温性能有所提升。,2020/8/24,31,正极材料磷酸铁锂与锰酸锂的电性能比较,生产锂离子动力电池必然要对正极材料进行选择。虽然从理论上讲,可以提供选择的正极材料品种繁多,但是目前真正可以应用商业生产用途的锂离子正极材料很少,归纳下来只有磷酸铁锂、锰酸锂材料。下面我们对两种材料进行一下对比,2020/8/24,32,,通过以上比较,两种正极材料各自存在的优势和劣势,但磷酸铁锂的原物料来源更广泛,价格更低廉,最重要的一点是它无环境污染。并且它存在的一些缺点现在已经有厂家通过技术手段已经大部分改进了,并且已经能够很好地商业化运作了。,2020/8/24,33,目前国际上在磷酸铁锂领域的领先企业主要有3家,分别是 美国的A123,加拿大的Phostech以及美国的Valence,掌握较为 成熟的量产技术。 2008年LFP全球供应量为1500吨左右,其中美国A123供应750吨,国内厂商供应500吨左右,其中斯特兰几乎占一半的份额。,LFP国际主要厂商及产能,2020/8/24,34,国内前9位LFP材料企业,LFP材料国内企业情况表,2020/8/24,35,国内前9位LFP材料企业,2020/8/24,36,美国A123和Valence公司报价在2030万/吨,而日本锰酸锂 产品也在2030万/吨。 磷酸铁锂目前国内厂家的产品报价一般在1518万/吨,产品 的毛利率在4070。 全国磷酸铁锂厂商产能约6400吨,但实际量产数远低于产能 数,不足产能的1/10。 国内磷酸铁锂虽然在价格上有优势,但在纯度、粒度、粒度 分布、工艺重复性与国外同类产品相比仍有差距。 斯特兰2009年,新建产能达产后,其具备2000吨/年的产能, 实际产能为500吨/年,计划在2年内达成4000吨/年的产能。,LFP材料国内外厂商市场状况总结(一),2020/8/24,37,目前磷酸铁锂产业化过程中成品率低,产品批次间稳定差,如果 磷酸铁锂电池的成品率能够提高到90,将会使它的成本降低 到目前的50左右,从而能够大规模商业化应用。 每一部电动汽车有大约200-300公斤重的锂电池,这些锂电池需 要60公斤的磷酸铁锂,年产100万辆电动汽车每年就需要6万吨磷 酸铁锂。但是,目前全球可查的产能是1500吨,潜在的供需缺 口非常大,导致磷酸铁锂的利润率高达70。相比之下,普通新 能源汽车只有20左右的利润 率,动力电池利润率达到30到 40,电池材料利润率是最高的,正极材料目前是整个锂电池产 业链发展的核心。,LFP材料国内外厂商市场状况总结(二),2020/8/24,38,正极材料的工艺极大地影响了电池的性能,因此提高和改良工艺是电池产业化的一个重要的因素。下面我们来了解几种工艺法,比较一下各自的优缺点 1. 高温固相法 高温固相法是磷酸铁锂生产的主要方法,也是最成熟的方法 。通 常以铁盐如草酸亚铁 FeC2O4 2H2 O、磷酸盐 如磷酸氢二铵NH4 2 HPO4 和锂盐如碳酸锂 Li2CO 3为原料,按化学计量比充分混匀后 ,在惰性气氛中先经过较低温预分解,再经高温 焙烧 ,研磨粉碎制成。 优点 高温 固相合成法操作及工艺路线设计简单,工艺参数易于控制,制备的材料性能稳定,易于实现工业化大规模生产。 缺点 粉体原料需要长 时问的研磨混合,且混合均匀程度有限,掺杂改性效果差 ; 要求较高的热处理温度和较长的热处理时间,能耗大; 产物在组成、结构、粒度分布等方面存在较大差别,易出现 Fe的杂质相; 材料电化学性能不易控制 ; 采用的草酸亚铁比较贵,材料制造成本较高;反应时需要大量的惰性保护气体,惰性气 体成本较高; 同时烧结过程中会产生氨气、水、二氧化碳,他们在炉膛内经过冷却的过程时会产生碳酸氢铵晶体颗粒而造成产品的污染。此外 ,氨气的产生不利于环保 ,应进一步增加尾气处理设备。,正极材料磷酸铁锂的生产工艺(一),2020/8/24,39,2. 碳热还原法 碳热还原法也是高温固相法中的一种,是比较 容 易 工 业 化 的 合 成 方 法,多 数 以磷 酸 二氢 锂 LiH2PO4 、三氧化二铁Fe2 O3 或四氧化三铁、蔗 糖为原料 ,均匀混合后,在高温和氩气或氮气保护下 焙烧 ,碳将三价铁还原为二价铁,也就是通过碳热还 原法合成磷酸铁锂。 优点解决了在原料混合加工过程中可能引发的氧化反应,使合成过程更为合理,同时改善了材料的导 电性。 缺点 反应时间相对过长,温度难以控制,产物一致性要求的控制条件更为苛刻,难以适应工业化生产。 3.水热合成法 水热合成法属于湿法范畴,它是以可溶性亚铁盐、锂盐和磷酸为原料,在水热条件下直接合成 LiFePO4 ,由于氧气在水热体系中的溶解度很小,水热体系LiFePO4 的合成提供了优良的惰性环境。 优点水热法可以在液相中制备超微细颗粒,原 料可以在分子级混合。具有物相均匀、粉体粒径小 以及操作简便等优点,且具有易量产、产品批量稳定性好、原料价廉易得的优点。同时生产过程中不需要惰性气氛。 缺点水热合成法制备的产物结构中常常存在着铁的错位,生成了亚稳态FePO4 ,影响了产物的化学及电化学性能。同时也存在粒径不均匀、物相不纯净、设备投资大耐高温高压反应器的设计制造难度大,造价也高或工艺较复杂的缺点。,正极材料的生产工艺(二),2020/8/24,40,,正极材料的生产工艺(三),总结 另外,溶胶凝胶合成法 、液相共沉淀法、微波合成法等也应用在制备LFP原材料上。 这些工艺都有各自的优缺点,但目前通过改良工艺后,应用比较广泛的还是前3种,美国的 A123和加拿大的 Phostech公司采用固相法 ,美 国的 Valence公司采用碳热还原法,LG化学利用连续水热合成法。 在材料制备过程中,导电碳包覆是LiFePO4制备过程中的一项关键技术。A123通过在箔体表面预先涂敷一层高品质导电碳层,有效的降低了电池的内阻,提升了磷酸铁锂电池的大倍率放电能力。,磷酸铁锂生产的工艺流程,2020/8/24,41,2020/8/24,42,,碳酸锂按照纯度可以分为工业级9899、医药级98.5、电池级99.5、 高纯级99.9999.999,国内厂商生产碳酸锂主要集中在工业级别,电池级 产能占总产能的1/3。 进入碳酸锂行业必须具备两大要素 碳酸锂主要原料是盐湖卤水(矿石法由于成本高在全球产能很小),进入企业必须拥有锂资源丰富的盐湖资源, 全球盐湖以高镁低锂型为主,提纯分离碳酸锂的工艺技术难度大,这些技术掌握在国外公司手中。 国内拥有大型盐湖、具有卤水制锂条件的仅有青海国安、西藏矿业和青海锂业,由于提纯工艺还存在一定差距,实际产能远未达到规划产能,且主要以工业级碳酸锂为主。 其中西藏矿业资源最丰富,保守估计有200万吨碳酸锂储量,08年产能2600吨,远期规划2万吨。,碳酸锂技术市场状况,2020/8/24,43,年产200吨磷酸铁锂设备和原材料预算,2020/8/24,44,锂电池原材料隔膜 一基本介绍 隔膜是关键的内层组件之一。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等,直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性,性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。 隔膜通俗点的描述就是一层多孔的塑料膜,是锂电材料中技术壁垒最高的一种高附加值材料,约占锂电池成本的20-30,毛利率可高达6070。 隔膜价格居高不下的主要原因是一些制作隔膜的关键技术被日本和美国所垄断,国产隔膜特别是高端隔膜的指标还未达到国外产品的水平。 隔膜技术难点在于造孔的工程技术以及基体材料。其中造孔的工程技术包括隔膜造孔工艺、生产设备以及产品稳定性。基体材料包括聚丙烯、聚乙烯材料和添加剂。,2020/8/24,45,二隔膜生产工艺介绍,2020/8/24,46,三基体材料,隔膜所采用基体材料对隔膜力学性能以及与电解液的浸润度 有直接的联系。 世界前三大隔膜生产商日本Asahi旭化成 、美国Celgard 、 Tonen东燃化学都有很强的研发实力。 Tonen东燃化学和美孚化工合作后,采用美孚化工研发的高熔 点聚乙烯材料后,Tonen推出熔点高达170的湿法PE锂电池隔 膜。采用特殊处理的基体材料,可以极大的提高隔膜的性能, 从而满足锂电池一些特殊的用途。 国内锂电池厂家所采用的基体材料90都是通过外购,自身研发 实力不强。 目前,隔膜的市场价格一般在100万元/吨左右。,2020/8/24,47,四国内外隔膜主要生产企业市场状况,2020/8/24,48,锂电池原材料电解液,一电解液材料组成,使用碳酸酯作为溶剂时,因为闪点较低,在较低的温度下即会闪燃,安全性较差。 氟代溶剂(包括氟代酯和氟代醚)具有较高的闪点甚至无闪点,有利于抑制电解液的燃烧。氟代剂对电池性能损害较小,抑制电解液燃烧效果明显,但氟化物的使用将大大增加锂离子电池的生产成本。 目前商用锂离子电池以EC2DMC为溶剂,以LiPF6为锂盐,具有较高的离子导电率与较好的电化学稳定性。,2020/8/24,49,电解液约占锂电池成本12,毛利率约40,是锂电产业链中盈利能力较强的环节之一。 目前全国产能约1.8万吨,供需基本平衡。目前国内电池生产商电解液配套已基本实现国产化,只有少部分使用进口电解液。,二电解液国内市场状况,国内锂离子电解液生产企业,面向高端市场,2020/8/24,50,核心原材料LiPF6有待突破。电解液主要原材料为LiPF6,占电解液成本的50左右, 售价超过30万元/吨,毛利率约60。 由于生产技术难度非常高,目前被关东电化学工业、SUTERAKEMIFA、森田化学等 几家日本企业垄断。森田化学在江苏扬子江化工园有年产600吨的生产线,其中300多 吨供给森田。 国内电解液生产厂家所用LiPF6基本都从日本企业采购,只有天津金牛拥有80吨产能, 全部自用。,三电解液核心原材料,LiPF6主要生产企业,2020/8/24,51,锂电芯(cell)生产流程图,锂电池模组生产流程简图,2020/8/24,52,锂电池生产设备,XTB9-321A型间隙式涂布机,LDHY500-N55连轧生产线,M12-500-2-DZ型涂布机,转盘式抽气封边机,2020/8/24,53,XKX7-110B型隔离式真空烤箱,手套箱及气体净化系统,锂电池生产设备,G45-100-2C-DZ型真空搅拌机,2020/8/24,54,磷酸铁锂电芯工艺中的问题 (一),关于配方的问题,铁锂材料的差异性比较大。比表面的大小影响了粘结剂 PVDF的用量和种类,材料本身的导电率又影响着导电炭黑的量。 关于粘结性的问题,Phostech和Valence基本代表了目前铁锂材料的最高水平。 关于加工性能的问题,就是通过溶剂NMP的量来大体判断,NMP的用量越 大,材料的比表面越大,反映出来的加工性能表现越不理想。 此外NMP的量对涂布过程的影响也是巨大的,而这点又和浆料粘度的控制有 关。在涂布之前还有一个浆料处理过程。 至于涂布过程,涂布速度和涂布温度也会有一定的影响。 关于极片的压实密度问题,这个参数与面密度有着密切的关系,极片的烘烤 温度也有重要影响。 至于电池卷芯的入壳以及内部并联,如何解决多芯内部并联所带来的一系列 问题。,2020/8/24,55,磷酸铁锂卷芯压芯的问题,对卷芯进行此项操作是很容易造成边缘极粉的 脱落,尤其是里层的脱落,如果极片较硬,此种现象更为明显,这对电池 性能有着及其恶化的影响。 关于电解液的注液量应该细化,太多了造成成本提升,太低影响容量的发 挥以及安全隐患。 关于注液后的活化问题,钴酸锂电池体系采用高温老化,对于铁锂能否采 用类似的办法我们还需要深入探讨。 电池的化成制度每个公司都不尽一样,但此工序的一个最重要的目的是SEI 的形成过程,在此过程会产生一部分气体,所以我们在制作钢壳电池有了 开口化成。SEI膜的形成对后续的电化学过程有着重要的影响,优良的化成 制度是重要的。对从事锂电池技术研发来说,这个过程很关键,我们可以考 察锂电池的首次库仑效率。 磷酸铁锂的电导率较低,建议采用小电流制度活化,这个是大有益处的。 电池的整个流程有了一个大致了解以后,我们必需强调一点水分是锂电池 的最大敌人,控制水分是最基本的要求。,磷酸铁锂电芯工艺中的问题 (二),2020/8/24,56,目前存在问题及现状 当前动力锂电池电源系统发展的主要问题是动力电池成组后安全性和使用寿命显著下降,甚至频繁发生电池燃烧、爆炸等严重事故。造成上述问题的主要原因是动力锂电池成组技术、成组应用技术和设备研究滞后;实现动力锂电池系统集成,为用户提供动力锂电池系统集成技术和产品,是解决当前面临的问题,推动动力锂电池发展的重要课题。目前,单体动力锂电池已经基本具备推广应用条件,但现有的成组技术、成组应用技术和设备水平还不成熟。也就是说,单体动力锂电池基本解决了安全和寿命问题,推动动力锂电池发展的关键是电池成组技术和BMS技术。 电源管理系统存在的必要性和重要性 过充过放对电池的损害都是致命的,不同之处仅在于过充产生大量气体、易自燃和爆炸、表象剧烈,过放外观变化和缓、但失效速度却极快,在正常使用中都应严格避免出现。 对于单体电池而言,在充放电的过程中,如果过充或者过放电都会造成电池内阻增大,负极析锂,容量减小等一系列问题 ,使电池在使用过程中存在安全和寿命缩短的问题。对于电池组而言,在成组之前就需要单体电池的电性能基本一致,在使用过程中也需要保持各个单体电池的性能一致性,这样电池才能尽量发挥111的效果。,动力电池电源管理系统,2020/8/24,57,动力电池电源管理系统,电源管理系统的构造 电池管理系统是对电池的性能和状态了解最为全面的设备,所以将电池管理系统和充电机之间建立联系,就能使充电机实时地了解电池的信息,从而更有效地解决电池的充电时产生一些的问题。目前电池管理系统都是基于单体电池的电压、电流、温度等SOC状态的。 电池管理系统对电池组的使用过程进行管理,对电池组中各单体电池的状态进行调整,可以在一定程度上维系电池组中各单体电池的状态一致性,避免电池状态差异造成电池组性能的加速衰退。动力锂电池发展需要电池生产工艺控制水平的提高,科学的电池筛选和配组方法及有效的电池管理系统共同推动。 BSMS不仅可实时跟踪采集数据记录,更能对充放电进行实时控制。,BSMS基本结构,2020/8/24,58,磷酸铁锂电池锂离子脱嵌与充电曲线对应关系,磷酸铁锂电池在快充满电时,锂离子几乎完全从正极脱嵌到负极,电池端电压会快速上升,出现充电曲线的上翘现象,这样会导致电池很容易达到过充电保护电压。因此磷酸铁锂电池组中某些电池充不满电的现象会很明显。 这个就需要电池管理系统的检测精度提高,这样可以很敏感地探测电压,可以极好的防止过充。,2020/8/24,59,动力电池电源管理系统,电源管理系统功能 监测功能 监测功能是电源管理系统功能最基本的功能,其为管理功能提高可靠的 数据。监测内容包括电池的端电压,电流,温度等参数。 保护功能 保护功能包括过充保护、过放保护、短路保护、反接保护、过载保护、 温度保护等。 计量功能 计量功能是对电池在使用过程中的SOC状态进行动态报告,从理论上 来讲,电池的电压和容量存在一定的对应关系,通过在使用过程中的SOC数 据和理论的SOC数据来对比,判断电池的寿命。 控制功能 通过接口和通讯协议将电池的状态与外接连接,实现自控或者远程遥控 的功能。,2020/8/24,60,2020/8/24,61,目前磷酸铁锂电池的出现推动了汽车业的发展,依照电池在汽车上的应用程度来分类,电动汽车分类如下表,电动汽车分类,2020/8/24,62,,汽车新动力系统发展roadmap,2020/8/24,63,HEV/PHEV/EV对电池电性能的要求,FROMStatus and prospects for zero emissions vehicle technology,2020/8/24,64,不同类型电动车对电池性能的需求(一),2020/8/24,65,HEV运行模式 电池始终处于荷电保持中,即不单独要求对电池充电,由此称为 CS(Charge Sustaining)单一型。要求电池系统在55SOC,3000 cycles寿命内,电池组能量输出保持300500Wh与脉冲功率保持 2540KW(10sec)输出能力,对电池的要求属于功率型电池。 Plugin HEV中的EV运行模式 电池需要单独运行和单独充电,称为荷电耗尽型(CD-B型 , Charge Depleting);要求电池提供的能量可以确保单独运行的 距离为1040英里,且在1000深循环中得到保持; Pure EV模式 全电工作和充电要求;称为荷电耗尽(DC charge depleting)单一 型;要求在1000次深循环中,可以输出确保车辆行使300英里以上 的距离,对电池的要求属于能量型。,不同类型电动车对电池性能的需求(二),2020/8/24,66,科技部863计纯电动车用锂离子电池技术指标要求,2020/8/24,67,USABC设定的纯电动汽车(EV)用电池达到商用化的性能、成本要求,美国能源建设部(USABC)设定锂电池成本发展目标是到2012年 降低到500/Wh、2014年降低到300/Wh。这一成本下降过程将使 电动续航里程1040km的PHEV获得经济有效性。 商用化的成本最低要求是150/Wh,考虑到物价因素,调整为 230 /Wh。,2020/8/24,68,动力电池分类(从材料来分),2020/8/24,69,动力电池原材料技术分析(一),铅酸电池由于自身性能限制了动力电源的发展且存在铅污染,逐渐推出市场; 镍镉也存在镉污染,记忆效益严重,也基本推出动力电池市场; 镍氢电池是镍镉电池的改进,比能量能达到6080Wh/kg,且具有充电速度快、基本无记忆效应、无环境污染,安全性高的特点,目前作为汽车动力电池的生产技术基本成熟。 目前在动力电池行业,镍氢电池占主导地位,而磷酸铁锂电池是处在产业发展初期。 较好的电池性能(尤其安全性)和制造技术成熟是镍氢电池目前在全球普通混合动力汽车(HEV)电池中占主导地位。,2020/8/24,70,动力电池原材料技术分析(二),镍氢动力电池目前占主导地位主要是现有混合动力车的电池能量仅12kWh, 不能纯电动行使或纯电动续航3km以下。从更长远来看,镍氢无法应用在PHEV、 EV上。主要因为 镍氢的比能量和能量密度无法满足PHEV,EV的要求; 原材料NiOH2价格较高,制造大能量的电池成本将会更高; 镍氢电池技术发展基本成熟,电池性能提高和成本降低的空间非常有限。 与镍氢电池比较,锂离子电池的优点主要体现在 比能量、能量密度高,约为镍氢电池的两倍,能大幅提高电动汽车的续航能力; 功率更高、自放电小、无记忆效应,这些特点都能提高电动车的使用便利性; 原材料成本价格低; 技术提升空间大,成本下降空间大。,2020/8/24,71,动力电池原材料市场分析,镍氢电池由于技术成熟和安全性好,是目前混合动力汽车(HEV)电池的 主要选择,但难以满足更高电动化程度需求;锂电池是下一代电动车电池的 最佳选择,预计未来三年左右将替代镍氢成为电动汽车电池的主流。 国内企业在镍氢动力电池市场的机会窗较小,日本企业从混合动力汽车到镍氢动力电池已建立绝对主导的产业链优势;镍氢动力电池市场规模继续成长的时间窗只有3年左右;并且镍氢市场总容量有限,高峰期估计不会超过20亿美元。 20102011年将是汽车厂商最新一代PHEV、EV推出的密集期,开始进入小批量生产阶段,预计到2015年全球PHEV、EV销量有望达到数十万甚至百万辆级别、正式进入规模生产阶段。 各种绿色汽车技术将长期共存、互为补充,综合考虑技术成熟度和节能减排潜力,电动汽车尤其是插电式混合动力(PHEV)和纯电动汽车(EV)很有可能成为中长期内(20152030年)最重要的技术路径。,2020/8/24,72,国家对电动汽车的补助从4000元到6万元不等,对电动大巴的补助 更多。,2020/8/24,73,纯电动汽车结构原理图,2020/8/24,74,锂电池成本分析,更具体来看,按照锂电池组合程度,可分为锂电池单元、锂电池模块、锂电池组/包,其原材料成本、制造成本等 。,2020/8/24,75,罗兰贝格对未来5年、10年的锂电池单元的成本(欧元/千瓦时)预测,在做出成本降低预测的基础上,罗兰贝格还预见到2015年全球(尤其是美国、 日本)的车用锂电池产能将达到实际需求的两倍。产能过剩的同时,也会造成 车用锂电池行业的兼并重组,其预计未来5-7年内全球将只剩6-7家大型的车用 锂电池生产商。,锂电池单元成本预测,,2020/8/24,76,日立混合动力车用锂离子电池量产线,2020/8/24,77,从产销规模上看,我国车用动力电池基本都处于研发、试验阶段,尚未实现批量生产,还没有大规模应用于电动汽车,短期内动力电池企业不太可能实现盈利。 1. 国外的动力电池采用自动化生产方式,而国内多以手工和半自动为主,不具备批量生产能力,精细度不高。从商品化程度看,我国还没有可以商业化的动力电池,而国外早已存在随意买卖的动力电池。从产品结构看,国外注重电池组整体设计和评价,包括对电池包的散热、能量管理、插接件的标准化,而我国电池企业关注的重点还停留在电池材料方面。此外,国外动力电池发展规范,标准化,系列化特征明显,而国内产品的尺寸、系列五花八门、庞杂混乱。 我国动力电池生产设备比较落后,很多企业将注意力放在材料上,忽略了制造装备的改善。目前,我国电池生产设备主要依靠进口,价格昂贵,这对我国车用动力电池的发展很不利,动力电池在大批量生产前,应该将先进的自动化设备研究放在第一位。 我国动力电池企业大多各自独立研发,其经费有限,资源也难以共享,仅能解决动力电池基本问题,很难技术深入推进,企业之间缺乏充分交流,存在普遍的地水平重复研究现象。我们应该学习日本和美国,建立电池联盟,推进共性技术发展。,我国动力电池产业存在问题,2020/8/24,78,对于这样一个处于即将井喷的电动汽车行业,关键技术在动力 电池这一块,动力电池利润率达到30到40,其中电池材料利润 是最高的,其中正极材料目前是整个锂电池产业链发展的核心。 2. 目前磷酸铁锂材料全球可查的产能是1500吨,如果按照未来5年内 年产100万辆电动汽车的需求,每年就需要6万吨磷酸铁锂,潜在的 供需缺口非常大,可以抢先进入这个市场。 3. 我国磷酸铁锂原材料丰富,价格低廉,这对于磷酸铁锂产业是一个极大的利好。 4. 对于磷酸铁锂材料的下游应用领域电动汽车而言,国家有很多补贴政策,这对于企业和国家都是双赢的。 5. 磷酸铁锂产业作为新能源的绿色能源
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