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锂离子动力电池安全性 设计及寿命评估 北京锂离子电池安全测评中心 主要内容 Ø动力锂离子电池的动力锂离子电池的 发展现状发展现状 Ø锂离子动力电池的安全性锂离子动力电池的安全性 分析分析 Ø锂离子动力电池安全性锂离子动力电池安全性 设计设计 Ø锂离子动力电池的使用寿命锂离子动力电池的使用寿命 锂离子动力电池的现状 目前市 场 上的混合 动 力 车 Toyota Highlander Lexus RX400h Honda Insight Lexus GS450h Toyota Camry Honda Civic Toyota Prius Honda Accord Saturn Vue Chevy SilveradoFord Escape more and more 混合 动 力 车 ELECTRIC ACCESSORIES PETROLEUM ONLY 76hp gasoline engine, 67hp electric motor, 1.5kWh battery com ADVANCED ENGINE Fuel Flexibility 插 电 式混合 动 力 车 ELECTRIC ACCESSORIESADVANCED ENGINE PETROLEUM AND/OR ELECTRICITY BATTERY RECHARGE 76hp gasoline engine, 67hp electric motor, 9.0kWh battery (30mi) Percentage of Vehicle Fleet In Use (%) Cumulative Fuel Consumed (gallons) 5 10 15 20 2500 10 5 15 20 25 30 030 100 50 150 200 250 300 PHEV40 • 8647 total miles driven • 共行 驶 8647英里 58 mpg & 140 Wh/mi PHEVs: 40% reduction in operating costs $500 annual savings 37 mpg 76 mpg & 211 Wh/mi Assumes $2.41/gal and 9¢/kWh $1.58 $1.21 $2.48 $3.45 $0.48 $0.72 --- --- 5.4 5.1 6.5 9.1 PHEV20 PHEV40 HEV CV 混合 动 力 车 的 实际节 油效果 40 Conventional 35 E-Transportation is the most significant technological revolution after the cellular and the internet. 电动 交通是移 动电话 和互 联 网后的最重要的技 术 革命 。 电动车对动 力 电 池的需求在持 续 增 长 • MW reserve power plants. 兆瓦 级储 能 电 站。 钛 酸 锂电 池移 动储 能 电 站 Electrovaya, International Battery, Ultralife, Valance, Saft. BYD 磷酸 铁锂电 池固定 储 能 电 站 规 模 储 能是 动 力 电 池的又一重要市 场 • Manage fluctuations in electricity demand. 平抑 电 网波 动 。 • 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(复合年均增 长 率 ) per year driven by the EV growing market, Cell costs are decreasing by 8% per year (Source: IIT). Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 动 力 电 池的 现 状 • High power 高功率 (10C)- 84 manufacturers, 1500 中日 韩 在 动 力 电 池制造方面占支配 Far-East manufacturers dominate the market 台湾 Pouch cells 动 力 电 池的包装方式 Prismatic cells • 较 好的 传热 安全性好 使用寿命 长 Cylindrical ells Cell Size [mm] Cap [Ah] Cycle life Temp range Weight [gr] Weight energy density [Wh/Kg] Volume energy density [Wh/L] Weight constant power density [W/Kg] Volume power density [W/L] A123- AHR18700M1UL TRA D=18 L=70 0.7 1000to 90% -10to 100 38 60 129 10855 23169 A123- AHR32157M1HD D=32 L=157 10 1000to 80% -30to60 304 108 261 10855 26148 Saft- VL12V D=47 L=173 12 500to 80% -30to60 640 67 144 8437 18000 功率最高的磷酸 铁锂电 池 See also ‐ www.advancedbatteryfactory.com Beijing China Powerel 北京中 润 恒 动电 池有限公司 850 x 560 x 71 200 500 to 80% ? 7000 102 21 1028 213 Lionik 深圳市 龙锂实业 有限公司 255 x 145 x 55 100 500 to 80% -20 to 60 3600 105 186 1055 1868 单 体 电 池容量最高的高功率 动 力 电 池 Cell Size Cap Cycle Temp Weight Weight Volume [mm] [Ah] life range [gr] energy energy power density density density density [Wh/Kg] [Wh/L] [W/Kg] [W/L] t. Cell V Cap [Ah] Cycle lifeto 80% Weight [gr] Weightenergy density [Wh/Kg] Volume energy density [Wh/L] Weight power density [W/Kg] Volume Power density [W/L] Advancedbattery factory1201007 3.3 1.2 1000 43 92 239 5525 m 14372 Q-LiteIndustrial ICR18650HH 3.7 1.3 500 40 120 275 3006 6885 CENSEnergyTechCo 18650P 3.2 1.1 2000 45 78 212 2844 7742 AmericanLithiumInc No-P.N 3.2 1.5 2000 34.3 140 290 2798 5806 HenanBideliEnergy ICR18650P 3.7 1.4 500 38 136 306 2726 6129 Samsung INR18650-15R 3.6 1.5 500 45 120 326 2000 5443 功率最高的 18650电 池 High competitive market with almost 50 different cell models Cell V Cap [Ah] Cycle lifeto 80% High oper. Temp. [c] Weight energy density [Wh/Kg] Volume energy density [Wh/L] Weight power density [W/Kg] Volumeen t. c powerom density [W/L] Saft VL32600-125 4.2 4 200 125 123 259 61 129 AdvancedBattery Factory 3.2v/60ah 3.6 60 3000 90 80 127 666 1060 操作温度最高的 动 力 电 池 EV needs batteries with up to 80C high temperature operating range… m CellI.D Wh/Kg Charge Rate Cycle Life GPLbattery,GE- 32AH-02,32AH 93 9.38C 500 GAIAUHE-341440, 7.5AH 84 16C 500 ToshibaSCiB 65 11.9C 6000 StandardCharge QuickCharge FastCharge UltraFastCharge 2C 10C 快速充 电动 力 电 池 • 短 问题 的最 经济 的方法。 road charging stations. Current Market Ultra fast charging cell Ultra‐fast charge Station 快速充 电 (up to 5 min, 80% capacity) 是解决 电动车续驶 里程 Toshiba Super Charge Lithium Ion Battery - SCiB • Lithium Manganese oxide Spinel cathode - LMO • Lithium 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. 2.4Voc 65 Wh/Kg 131 wh/l 650 W/Kg 1316 W/l http://www.toshiba.com/ind/data/tag_files/SCiB_Brochure_5383.pdf VW & Toshiba • 1st •Will dominate the rechargeable market for the near and mid future. • 2nd Generation Li-Ion Chemistries • Better performance - Up to 300 Wh/kg with fast recharge. - Wider operating temperature range. - Fast Charging. • Improved safety. • Reduced cost. 锂 空气 电 池？ 下一代 锂 离子 电 池 动 力 电 池 20 Generation Li-Ion Chemistries 动 力 电 池的安全性 问题 将影响其市 场 命运 If it is not safe it will not survive… 动 力 电 池的安全性 问题 锂离子 动力电池的安全性分析 锂 离子 电 池 关 键 技 术 材料合成，机理 诊 断， 电 极 /电 池工程化，数学模型 电 池 模型 从 纳 米尺度到微米尺度，再到毫米尺度 性能 电 极结 构 电 池结 构结 构 材料合成 材料修 饰 表面 /界 面化学 新工 艺 新材料 安全性 长 寿命 电 极制造 电 池制 备 电 极 模型 高性能 锂电 池 正极负 极 安全性 问题 引起的 损 失 Safety cases Safety cases • 安全性的概念 滥 用安全性 abuse thermal runaway – Mechanical 机械的 • crush, nail penetration 挤压 、 针 刺 – Electrical 电 的 • short circuit, overcharge 短路、 过 充 – Thermal 热 的 • thermal ramp, simulated fire 热 箱、火 烧 • 现场 安全性 field failure thermal runaway – Manufacturing defects 由制造瑕疵引起 • Loose connection, separator damage, foreign debris 连 接 问题 、隔 膜 损 坏、粉 尘 • Can develop into an internal short circuit 随机 发 生，引起内短路 • Can lead to overheating and thermal runaway 引起 过热 与 热 失控 Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University 滥 用安全性 现场 （随机）安全性