锂离子动力与储能电池及其产业链-非常清晰-推荐

内 容 提 要 前沿1 2 3 4 锂离子电池知识简介 锂离子电池关键材料 锂离子动力与储能电池 5 发展与展望 1 前 言 内 容 提 要 ET时代 新能源 核 能 风 能 氢 能 生 物 能 海 洋 能 能源危机能源危机 金融危机金融危机 生态危机生态危机 低碳经济 太 阳 太 阳 能 新 能 源 产 业 新能源产业的发展与挑战 温家宝总理在 2009年 11月 3日讲话指出： 我国要致力发展五大新兴战略性产业，抢占经济 科技制高点。发展新能源列在首位 全球： 第四次工业革命 —— 新能源革命风起云涌 美国 奥巴马 “能源新政 ”：通过新能源产业革命的方式 再造美国经济增长，再续美国在高科技领域的垄 断和霸主地位 新能源革命驱动的绿色经济浪潮席卷大地， 德国和法国都在大力发展新能源汽车欧洲 中国 石油与国家能源安全石油与国家能源安全 l 我国石油储量不足世界的 2%； l 我国自产石油在 1.8亿吨 /年左右； l 2007年我国净进口原油 1.63亿吨，成品油 0.338亿吨，原 油对外依存度达到 46.05%； l 每年新增 1000万辆汽车，石油需求新增 2000万吨左右。 空气污染与温室气体排放空气污染与温室气体排放 l 大城市空气污染的 50%来自汽车； l 1亿吨油产生 CO2约 3亿吨。 发展电动汽车大势所趋 我国现状 ： 与发达国家几乎同时起步，国家大力扶持，有望 将来参与国际竞争 。 “三横 ”、 “三纵 ”。 电动汽车和混合动力汽车 比亚迪双模 本田 丰田 Prius 锂离子电池应用领域 BYD hybrid car Olympic E-bus Golf cart Solar E-bicycle Solar road lamps Head lamps 电动汽车新兴产业链 以电动车的生产、运行为主体以电动车的生产、运行为主体 以动力电池生产为核心的高技术产业群以动力电池生产为核心的高技术产业群 •电动车电动车 •电动机电动机 •电控系统电控系统 •动力电池动力电池 •正极材料正极材料 •电源管理电源管理 •供电体系供电体系 •电池回收电池回收 •充电服务充电服务 电电 动动 技技 术术 产产 业业 •能量回收能量回收 •充电设施充电设施 •负极材料负极材料 •电解液电解液 •资源再生资源再生•电池复用电池复用 •膜膜 年 产 2000万辆电动车（ 2020），年产值数万亿元！ 维持几千万辆电动车运行，年产值千亿元！ 2 锂离子电池知识简介 内 容 提 要 电池是一种利用电化学的氧化 -还原反应，进行 化学能 ------电能之间转换的储能装置。 电池 一次电池 二次电池 锌锰干电池 纽扣电池 锂原电池 铅酸电池 镍氢电池 锂离子电池 化 学 电 源 分 类 锂离子电池铅酸电池 锂离子电池一次电池 干电池干电池 上图是锌－锰干电池 铅蓄电池铅蓄电池 80年代，由 Armand提出了 “ 摇椅式 ” 锂离子二 次电池的新概念。提出电池的正、负极材料采用可以 储存和交换锂离子的材料，利用充放电时，锂离子的 来回移动进行能量交换。 层状化合物 LiCoO2的合成，发现石墨可插入 锂离 子生成石墨层间化合物 LixC6。 1991年由日本 SONY公司生产出以 LiCoO2为 正极材 料，碳黑为负极材料的商业化锂离子电池。 锂离子电池锂离子电池 锂离子电池充放电示意图 Load Electrolyte e-e- 正极负极 Li+ Li+ Charge Discharge LixC6 Li1-xCoO2 电池 : () C | LiPF6-(EC+DEC) | LiCoO2 (+) 正极 : LiCoO2 Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- 负极 : 6C + xLi+ + xe- LixC6 总反应 : LiCoO2 + 6C Li1-xCoO2 + LixC6 C D D C D C EC: ethylene carbonate DEC: dimethyl carbonate 电池 正极 负极 电解质 LiCoO2、 LiNiO2 、 LiMn2O4等 人造石墨系列、天然石墨系列 、焦炭系列等 有机溶剂电解质（液态） 聚合物电解质（固态、凝胶） 锂离子电池的组成 ▲ LiFePO4 LiNi2/3Mn1/3O2 ▲ 锂离子电池正极材料 由小型电池向动力、储能大型电池发展；传统 钴酸锂电池不安全、成本高、寿命短、有毒 磷酸铁锂型高性能锂离子电池：功率高、容量 大、寿命长、成本低、环境友好、安全性好新型锂离子动力电池 发展趋势及目前问题 质子交换膜燃料电池 HeatHeat ElectrolyteAnode Cathode e- 2e- Air 1/2O2 H+ conductor H2O 2e- + H2 2H+ H2O H2 e- H2 + ½ O2 H2O + Electricity + Heat Catalyst 100 °C HeatHeat ElectrolyteAnode Cathode e- 6e- Air 3/2O2 H+ conductor 6e- + 6H+ H2O e- CO2 MeOH (aq) 3H2O 直接甲醇燃料电池 CH3OH + 3/2 O2 = CO2 + 2 H2O 3 锂离子动力与储能电池 内 容 提 要 动 力 – 储 能 电 池 1. 燃料电池  氢能动力 2. 二次电池  锂离子电池 3. 超级电容器  储能电池 燃料电池 二次电池 超级电容器 能量类型 化学能 电 能 化学能 电 能 能量 传 送 能量储存与转换 开放系 统 密 闭 系 统 电 双 层 应用 潜在 (商用 电 源 、 电动车 、 发 电 ) 广泛 (电 子器件 、 电动车 等 ) 潜在 (电动车 等 ) 不 同 电 池 比 较 kWh/t kWh/m 3 Driving range / km Specific Power / W kg -1 Specific energy / Wh kg-1 大型化 电 动 汽 车 电动自行车 太阳能发电 动力电池锂 离 子 电 池 储能电池 风 力 发 电 小型电池 电 子 电 器 手 机 通 讯 传统领域 发展趋势发展趋势 航 空 航 天 锂离子动力与储能电池 Points-lines-Areas structure and transportation means choice E-bike 0 50 200 town Big city Inter-city BEV SubwayE- bus E-Railway Airline Waterway Micro EV E- bus km Industry Prospect of Chinese New Energy Vehicle E-bike E-bike 0 100 200 300 400 500 Wh/l 0 100 200 300 Wh /kg Panasonic2008 3.6 Ah740 Wh/l Li-Ion Ni-MH Ni-Cd Lead Acid Primary Lithium Alkaline Primary Ni-Zn 储 能 体 系 比 较 谁掌控了锂电池，谁就掌控了未来电动汽车 100年！ 只有锂离子电池才能满足电动汽车和混合 动力汽车的要求 Can Li-Ion power HEVs and EVs? 新能源产业储能 (动力 )电池 风能 光能 电网 瞬时性、流动性 能源时间上移动 电动汽车 电动摩托车 军用电源 能源空间上移动 动力和储能电池 发展新能源产业必须大力发展高安全、长寿命 、高能量密度的动力和储能电池！ NATURE|Vol 456|27 NEWS FEATURE 7 November 2008 l风电和光伏电都是不连续的电源，需要解决电 能的储能问题。 lBEV成为分布式储能系统，储能效率可达 90%, 远高于抽水蓄能电站 的效率 (70%)。 By 2010 Wind electricity will be 5MKW, 2020: Wind electricity will be 3% (30MKw) of the total. 2008 wind power reached 12.21MKW. 高性能储能电池高性能储能电池 –锂离子电池锂离子电池 0 20 40 60 80 100 比功率 比能量 工作温度范围 寿命 安全 成本 今后目标今后目标 国际水平国际水平 现状水平现状水平 （（ 2000W/Kg ）） （（ 200Wh/Kg ）） （（ -30-60C）） （（ 10~15年）年） （车用（车用 :2元元 /Wh 储能储能 1元元 /Wh ））