鋰離子動力電池安全性設計及壽命評估

1、鋰離子動力電池安全性設計及壽命評估北京鋰離子電池安全測評中心北京鋰離子電池安全測評中心主要內容鋰離子動力電池的現狀鋰離子動力電池的現狀目前市場上的混合動力車Toyota HighlanderLexus RX400hHonda InsightLexus GS450hToyota CamryHonda CivicToyota PriusHonda AccordSaturn VueChevy SilveradoFord Escapemore and more混合動力車ELECTRIC ACCESSORIESPETROLEUM ONLY76hp gasoline engine, 67hp electr

2、ic motor, 1.5kWh batterycomADVANCED ENGINEFuel Flexibility插電式混合動力車ELECTRIC ACCESSORIESADVANCED ENGINEPETROLEUMAND/ORELECTRICITYBATTERY RECHARGE76hp gasoline engine, 67hp electric motor, 9.0kWh battery (30mi)Percentage of Vehicle Fleet In Use (%)Cumulative Fuel Consumed (gallons)510152025001051520253

3、003010050150200250300PHEV40 8647 total miles driven 共行駛8647英里58 mpg &140 Wh/miPHEVs:40% reduction inoperating costs$500 annual savings37 mpg76 mpg &211 Wh/miAssumes $2.41/gal and 9/kWh$1.58$1.21$2.48$3.45$0.48$0.72-9.1PHEV20PHEV40HEVCV混合動力車的實際節(jié)油效果 40 Conventional35 E-Transportation

4、is the most significant technological revolutionafter the cellular and the internet.電動交通是移動電話和互聯網后的最重要的技術革命 。電動車對動力電池的需求在持續(xù)增長 MW reserve power plants. 兆瓦級儲能電站。鈦酸鋰電池移動儲能電站Electrovaya, International Battery, Ultralife, Valance, Saft. BYD磷酸鐵鋰電池固定儲能電站規(guī)模儲能是動力電池的又一重要市場 Manage fluctuations in electricity d

5、emand. 平抑電網波動。 Manufacturers to take a part: A123, Altairnano, Enerdel,different cell models.t 120 different cell models Ultra High power 超高功率(20C)- 19 manufacturers,Market grow of 15% CAGR(復合年均增長率) peryear driven by the EV growing market, Cell costsare decreasing by 8% per year (Source: IIT).Instit

6、ute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University動力電池的現狀 High power 高功率(10C)- 84 manufacturers, 1500 中日韓在動力電池制造方面占支配 Far-East manufacturers dominate the market臺灣 Pouch cells動力電池的包裝方式Prismatic cells 較好的傳熱安全性好使用壽命長Cylindrical ells CellSizemmCapAhCyclelifeTemprangeWeightgrWeightenergydensityWh/Kg

7、VolumeenergydensityWh/LWeightconstantpowerdensityW/Kg VolumepowerdensityW/LA123-AHR18700M1ULTRAD=18L=700.71000to90%-10to10038601291085523169A123-AHR32157M1HDD=32L=157101000to80%-30to603041082611085526148Saft-VL12VD=47L=17312500to80%-30to6064067144843718000功率最高的磷酸鐵鋰電池See also Beijing ChinaPowerel北京中潤

8、恒動電池有限公司850 x560 x71200500 to80%?7000102211028213Lionik深圳市龍鋰實業(yè)有限公司255 x145 x55100500 to80%-20to 60360010518610551868單體電池容量最高的高功率動力電池 Cell Size Cap Cycle Temp Weight Weight Volume mm Ah life range gr energy energy powerdensity density density densityWh/Kg Wh/L W/Kg W/Lt.CellVCapAhCyclelifeto80%Weight

9、grWeightenergydensityWh/KgVolumeenergydensityWh/L Weight powerdensityW/KgVolumePowerdensityW/LAdvancedbatteryfactory12010073.31.2100043922395525m14372Q-LiteIndustrialICR18650HH3.71.35004012027530066885CENSEnergyTechCo18650P3.21.12000457821228447742AmericanLithiumIncNo-P.N3.21.5200034.314029027985806

10、HenanBideliEnergyICR18650P3.71.45003813630627266129SamsungINR18650-15R3.61.55004512032620005443功率最高的18650電池High competitive market with almost 50 different cell models CellVCapAhCyclelifeto80%Highoper.Temp.cWeightenergydensityWh/KgVolumeenergydensityWh/LWeightpowerdensityW/KgVolumeent.cpoweromdensit

11、yW/LSaftVL32600-1254.2420012512325961129AdvancedBatteryFactory3.2v/60ah3.660300090801276661060操作溫度最高的動力電池EV needs batteries with up to 80C hightemperature operating rangem CellI.DWh/KgChargeRateCycleLifeGPLbattery,GE-32AH-02,32AH939.38C500GAIAUHE-341440,7.5AH8416C500ToshibaSCiB6511.9C6000StandardCha

12、rgeQuickChargeFastCharge UltraFastChargeC/3C/3,2C10C快速充電動力電池短問題的最經濟的方法。road charging stations.Current Market Ultra fast charging cellUltrafast charge Station 快速充電 (up to 5 min, 80% capacity) 是解決電動車續(xù)駛里程Toshiba Super Charge Lithium IonBattery - SCiB Lithium Manganese oxide Spinel cathode - LMO Lithium

13、 Titanate Oxide anode LTO Recharge to 90% of full capacity in less than 5 minutes. Excellent safety because of high level anode stability. 6000 cycles of full D.O.D to 90% of initial capacity. Low temperature discharge from -30C. SCIB is currently available on the Schwinn Tailwind electric bike.2.4V

14、oc65 Wh/Kg131 wh/l650 W/Kg1316 W/lhttp:/ VW & Toshiba 1stWill dominate the rechargeable market for the near and midfuture. 2ndGeneration Li-Ion Chemistries Better performance- Up to 300 Wh/kg with fast recharge.- Wider operating temperature range.- Fast Charging. Improved safety. Reduced cost.鋰空

15、氣電池？ 下一代鋰離子電池動力電池20Generation Li-Ion Chemistries動力電池的安全性問題將影響其市場命運If it is not safe it will not survive動力電池的安全性問題鋰離子鋰離子動力電池的安全性分析動力電池的安全性分析鋰離子電池關鍵技術材料合成，機理診斷，電極/電池工程化，數學模型電池模型從納米尺度到微米尺度，再到毫米尺度性能電極結構電池結構結構材料合成材料修飾表面/界面化學新工藝新材料安全性長壽命電極制造電池制備電極模型高性能鋰電池正極負極 安全性問題引起的損失Safety casesSafety cases安全性的概念濫用安全性

16、abuse thermal runaway Mechanical 機械的 crush, nail penetration 擠壓、針刺 Electrical 電的 short circuit, overcharge 短路、過充 Thermal 熱的 thermal ramp, simulated fire 熱箱、火燒現場安全性 field failure thermal runaway Manufacturing defects 由制造瑕疵引起 Loose connection, separator damage, foreign debris 連接問題、隔膜損壞、粉塵 Can develop

17、into an internal short circuit 隨機發(fā)生，引起內短路 Can lead to overheating and thermal runaway 引起過熱與熱失控Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University濫用安全性現場（隨機）安全性兩種安全性概念的差異現場安全性濫用安全性 Predictable 可預測的 Common to all cells 對每一個電池 Can/should be evaluatedat the cell level 可以通過測試進行評估 Time constants

18、 relativelylong 發(fā)生過程較長 Can be augmented byprotection devices 可以通過保護措施進行改善 Not predictable 不可預測的 One-in-a-million (or less) 隨機小概率發(fā)生 Difficult to evaluate at thecell level, or through QC 無法通過測試進行評估，也不能通過質量管理來完全消除 can occur quickly 發(fā)生很突然 PTC, CID, shutdownseparators, electroniccontrols not are effectiv

19、e 目前所有的安全性措施，均不能完全消除鋰離子電池安全隱患 發(fā)生安全事故的鋰離子電池，之前均通過UL安全認證。 發(fā)生原因基本上是不可預測的內短路所造成。而這種內短路似乎是不能完全消除。 引起安全事故的電池在制造時，均是合格品。 目前濫用安全性標準的測試結果，與發(fā)或者不發(fā)生安全性事故，之間沒有任何聯系。鋰離子電池安全性 對于筆記本電腦電池，發(fā)生概率在幾百萬分之一。 Major effort has been payed to improve the ways weaddress safety in lithium-ion batteries, however 在人們如此重視鋰離子電池安全性的今天

20、，嚴重的安全性問題還時有發(fā)生。 The battery community does not have adequate teststo evaluate safety as it relates to the safety incidentsthat have taken place or could take place. 人們還沒有找到合適的方法來預測和評測這類安全隱患問題 我們在做工作，希望“十二五”結束時，這個問題得到一定程度的解決。鋰離子電池的安全性 serious safety incidents can always occur. Energy Released (J)熱失控的

21、機理249.9378292.573.710.90300200100700600500400Anode/Binder Anode/Solvent SEIDecompnCathodeBreakdownSeparatorOxidnCathodeSolvent Oxdn JouleHeatingCathode鋰離子電池安全性9008000.8 Ah 鈷酸鋰手機電池826.2負極材料的安全性改進正極材料Heat releaseSafety of cathode Materials隔膜隔膜關閉的溫度范圍 Strength and physical integrity抗壓機械強度 Shrinkage all

22、owance熱收縮率 影響電池安全性的重要指標 Shutdown performance電解質Solvent，non-flamableSalts，high decomposition temperatureAdditives，Flame-RetardantGel electrolyte P(VdF-HFP)凝膠電解質在凝膠電解質 凝膠電解質的放熱量與放熱速率黃倩，廈門大學博士論文燃燒過程中的放熱總量非常接近于純液態(tài)電解液體系。并且隨著P(VdF-HFP)在凝膠電解質中濃度的增加，其相應的熱釋放速率逐漸降低。采用P(VdF-HFP)凝膠電解質比液態(tài)電解液更為安全 PMMA凝膠電解質體系中，情況卻

23、是相反:其燃燒反應的放熱總量和熱釋放速率都隨PMMA的加入而顯著增大。鋰離子電池的安全性是一個復雜的系統問題 動力電池安全性是一個系統問題。 從單純的電池材料改性（正極、負極、電解質、隔膜）是不能完全解決安全性問題，但可以大幅度地提高。鋰離子鋰離子動力電池的安全性設計動力電池的安全性設計安全性能設計安全性能設計正極材料包覆鈷酸鋰包覆磷酸鋁5-10nm AlPO4過充電前過充電后自制安全性手機電池過充電試驗未燃燒、未爆炸。市售品牌電過充電池電芯Energy 燃燒高性能高安全性動力電池采用正極材料表面與界面控制技術、電解質添加劑等技術，制備出高安全性動力電池。20V過充150熱箱5小時以上標稱容量

24、12Ah，三元氧化物正極材料。電池比能量大于160wh/kg，比功率大于1200W/kg， 安全很好的倍率性能目前市售三元動力電池的過充電 充電到5.2V時，發(fā)生劇烈燃燒目前市售三元動力電池 充電到4.15V，加熱到120，發(fā)生劇烈燃燒鋰離子動力電池的使用壽命 動力電池的使用壽命與成本 如何評測動力電池的使用壽命 現場檢測電池的壽命狀態(tài)（SOH）鋰離子動力電池的使用壽命 PHEV battery likely to deep-cycle each day driven: 15 yrs equates to 4000-5000 deep cycles Also need to consider

25、combination of high and low frequency cycling and calendarwlife 電池電池循環(huán)壽命70%50%4000Data presented by Christian Rosenkranz (Johnson Controls) at EVS 20, 200652% EV$4,005$2,865$2,919$3,002$1,998$1,992$2,004$2,020$2,079$2,407$2,454$2,433$5,117$8,433$663$-$2,000$4,000$6,000$10,000$8,000$14,000$12,000$18,

26、000$16,000CVHEVPHEV20PHEV40transmissionengine25%電池占電動車成本比例Projected Retail Powertrain Costs - Midsize Sedans1) including manufacturer and dealer markups2) all component costs assume projected statuscharger/plugbattery 40%motor/inverter60%$663動力電池的使用壽命 電池的成本占整個電動車成本的2560%。是一個非常重要的零部件。 車的使用壽命：10-15年 動力電池目前的使用壽命是3-7年，LG化學聲稱可以有10-15年的壽命保證。 因此大幅度地延長動力鋰離子電池的使用壽命，使之達到與電動車的壽命相當，是目前動力鋰離子電池發(fā)展的關鍵問題。 需要動力電池使用壽命評測技術做支撐。Ohmic Resistance Ohmic Resistance Ohmic Resistance large1.51.3 HighdeCycles50100 150 200 250 300 350 400 450Cycles 1Effects of charging/discharging depth2.521.51005