锂离子动力电池安全性设计及寿命评估课件.pptx

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1、主要内容锂离子动力电池的现状锂离子动力电池的现状目前市场上的混合动力车Toyota HighlanderLexus RX400hHonda InsightLexus GS450hToyota CamryHonda CivicToyota PriusHonda AccordSaturn VueChevy SilveradoFord Escapemore and more混合动力车ELECTRIC ACCESSORIESPETROLEUM ONLY76hp gasoline engine,67hp electric motor,1.5kWh batterycomADVANCED ENGINEFue

2、l Flexibility插电式混合动力车ELECTRIC ACCESSORIESADVANCED ENGINEPETROLEUMAND/ORELECTRICITYBATTERY RECHARGE76hp gasoline engine,67hp electric motor,9.0kWh battery(30mi)Percentage of Vehicle Fleet In Use(%)Cumulative Fuel Consumed(gallons)510152025001051520253003010050150200250300PHEV40 8647 total miles drive

3、n 共行驶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$0.72-5.45.16.59.1PHEV20PHEV40HEVCV混合动力车的实际节油效果 40 Conventional35 E-Transportation is the most significant technological revolutionafter the cell

4、ular 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 -Up to 300 Wh/kg with fast recharge.7 1.二、引起电池爆炸的因素有哪些?Based on an Internal resistance degradation rate)PETROLEUM中日韩在动力电池制造方面占支配Current A 对于笔记本电脑电池,发生概率在几百万分之一。separators,electronic情况却是相反:其燃烧反应的法通过测试进行评估,也不 Can/should be evaluated-Batter

5、y CurrentWh/Kg Wh/L W/Kg W/L中日韩在动力电池制造方面占支配磷酸铁锂电池固定储能电站 Excellent safety because of high level anode stability.8647 total miles driven理论值与实际值相差越小,安全性就越高,钴酸锂270-140锰酸锂148-110 磷酸铁锂170-130,且铁锂的电压只有3.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

6、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)peryear driven by the EV growing market,Cell

7、costsare 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 情况却是相反:其燃烧反应的情况却是相反:其燃烧反应的放热总量和热释放速率都随 short circuit,overcharge 短路、过充-Up to 300 Wh/k

8、g with fast recharge.-Battery Currentseparators,electronic下一代锂离子电池动力电池20 Reduced cost.凝胶电解质的放热量与放热速率 Mechanical 机械的情况却是相反:其燃烧反应的120 different cell models-Internal resistance情况却是相反:其燃烧反应的ADVANCED ENGINE胶电解质中浓度的增加,其 Excellent safety because of high level anode stability.在人们如此重视锂离子电池安全性的今天,严重的安全性问二、引起电

9、池爆炸的因素有哪些?-Battery Current Electrical 电的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 CellSizemmCapAhCyclelifeTemprangeWeightgrWeightenergydensityWh/KgVolumeenergydensityWh/LWeightconstantpowerdensityW/Kg VolumepowerdensityW/LA123-AHR18700M1ULTRAD=18L=700.71000to90%-10to10038601

10、291085523169A123-AHR32157M1HDD=32L=157101000to80%-30to603041082611085526148Saft-VL12VD=47L=17312500to80%-30to6064067144843718000功率最高的磷酸铁锂电池See also -Beijing ChinaPowerel北京中润恒动电池有限公司850 x560 x71200500 to80%?7000102211028213Lionik深圳市龙锂实业有限公司255 x145 x55100500 to80%-20to 60360010518610551868单体电池容量最高的高功

11、率动力电池 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%WeightgrWeightenergydensityWh/KgVolumeenergydensityWh/L Weight powerdensityW/KgVolumePowerdensityW/LAdvancedbatteryfactory12010073.31

12、.2100043922395525m14372Q-LiteIndustrialICR18650HH3.71.35004012027530066885CENSEnergyTechCo18650P3.21.12000457821228447742AmericanLithiumIncNo-P.N3.21.5200034.314029027985806HenanBideliEnergyICR18650P3.71.45003813630627266129SamsungINR18650-15R3.61.55004512032620005443功率最高的18650电池High competitive mar

13、ket with almost 50 different cell models CellVCapAhCyclelifeto80%Highoper.Temp.cWeightenergydensityWh/KgVolumeenergydensityWh/LWeightpowerdensityW/KgVolumeent.cpoweromdensityW/LSaftVL32600-1254.2420012512325961129AdvancedBatteryFactory3.2v/60ah3.660300090801276661060操作温度最高的动力电池EV needs batteries wit

14、h up to 80C hightemperature operating rangem CellI.DWh/KgChargeRateCycleLifeGPLbattery,GE-32AH-02,32AH939.38C500GAIAUHE-341440,7.5AH8416C500ToshibaSCiB6511.9C6000StandardChargeQuickChargeFastCharge UltraFastChargeC/3C/3,2C10C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 chargin

15、g cellUltra-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 IonBattery-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 stabilit

16、y.6000 cycles of full to 90%of initial capacity.Low temperature discharge from-30C.SCIB is currently available on the Schwinn Tailwind electric bike.2.4Voc65 Wh/Kg131 wh/l650 W/Kg1316 W/l VW&Toshiba 1stWill dominate the rechargeable market for the near and midfuture.2ndGeneration Li-Ion Chemistries

17、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20Generation 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锂离子动力电池的安全性分析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

18、,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 相应的热释放速率逐渐降低100 150 200 250 300 350 400 450接近于纯液态电解液体系。放热总量和热释放速率都随 Can lead to overheating and thermal runaway 引起过热与热失控锂离子动力电池的安全性设计 Recharge to 90%of full capacity in less than 5 minutes.锂离子动力电池的使用寿命Toyota High

19、landerADVANCED ENGINE Low temperature discharge from-30C.现场检测电池的寿命状态(SOH)Data presented by Christian Rosenkranz(Johnson Controls)at EVS 20,2006通过保护措施进行改善 Better performance钛酸锂电池移动储能电站 Shrinkage allowanceSalts,high decomposition temperatureCell Size Cap Cycle Temp Weight Weight Volume一、电池爆炸的原理是什么?如在设

20、计时,没有考虑负极余量的大小,会造成析锂,刺穿隔膜,造成短路。7 1.安全性问题引起的损失Safety casesSafety 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

21、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)安全性两种安全性概念的差异现场安全性滥用安全性 Predictable 可预测的 Common to all cells

22、 对每一个电池 Can/should be evaluatedat the cell level 可以通过测试进行评估 Time constants relativelylong 发生过程较长 Can be augmented byprotection devices 可以通过保护措施进行改善 Not predictable 不可预测的 One-in-a-million(or less)随机小概率发生 Difficult to evaluate at thecell level,or through QC 无法通过测试进行评估,也不能通过质量管理来完全消除 can occur quickly

23、发生很突然 PTC,CID,shutdownseparators,electroniccontrols not are effective 目前所有的安全性措施,均不能完全消除锂离子电池安全隐患 发生安全事故的锂离子电池,之前均通过UL安全认证。发生原因基本上是不可预测的内短路所造成。而这种内短路似乎是不能完全消除。引起安全事故的电池在制造时,均是合格品。目前滥用安全性标准的测试结果,与发或者不发生安全性事故,之间没有任何联系。锂离子电池安全性 对于笔记本电脑电池,发生概率在几百万分之一。Major effort has been payed to improve the ways weadd

24、ress safety in lithium-ion batteries,however 在人们如此重视锂离子电池安全性的今天,严重的安全性问题还时有发生。The battery community does not have adequate teststo evaluate safety as it relates to the safety incidentsthat have taken place or could take place.人们还没有找到合适的方法来预测和评测这类安全隐患问题 我们在做工作,希望“十二五”结束时,这个问题得到一定程度的解决。锂离子电池的安全性 serio

25、us safety incidents can always occur.Energy Released(J)热失控的机理249.9378292.573.710.90300200100700600500400Anode/Binder Anode/Solvent SEIDecompnCathodeBreakdownSeparatorOxidnCathodeSolvent Oxdn JouleHeatingCathode锂离子电池安全性9008000.8 Ah 钴酸锂手机电池826.2锂离子动力电池安全性设计锂离子电池的安全性是一个复杂的系统问题 Shrinkage allowance一、电池爆炸

26、的原理是什么?Institute of New Energy Technology,INET,Tsinghua University磷酸铁锂电池固定储能电站3 Hi放热总量和热释放速率都随motor/inverter二、引起电池爆炸的因素有哪些?黄倩,厦门大学博士论文100 150 200 250 300 350 400 450 MW reserve power plants.Can develop into an internal short circuit 随机发生,引起内短路放热总量和热释放速率都随more and more在使用上,出具完整的使用说明书,按说明书使用热分解温度:钴:锰:

27、铁锂180:200:220就电池的安全设计从以下几个方面来考虑:一、电池爆炸的原理是什么?-Battery CurrentADVANCED ENGINE负极材料的安全性改进正极材料Heat releaseSafety of cathode Materials隔膜隔膜关闭的温度范围 Strength and physical integrity抗压机械强度 Shrinkage allowance热收缩率 影响电池安全性的重要指标 Shutdown performance电解质Solvent,non-flamableSalts,high decomposition temperatureAddit

28、ives,Flame-RetardantGel electrolyte P(VdF-HFP)凝胶电解质在凝胶电解质 凝胶电解质的放热量与放热速率黄倩,厦门大学博士论文燃烧过程中的放热总量非常接近于纯液态电解液体系。并且随着P(VdF-HFP)在凝胶电解质中浓度的增加,其相应的热释放速率逐渐降低。采用P(VdF-HFP)凝胶电解质比液态电解液更为安全 PMMA凝胶电解质体系中,情况却是相反:其燃烧反应的放热总量和热释放速率都随PMMA的加入而显著增大。规模储能是动力电池的又一重要市场Will dominate the rechargeable market for the near and mi

29、dafter the cellular and the internet.引起安全事故的电池在制造时,均是合格品。Battery-SCiB MW reserve power plants.相应的热释放速率逐渐降低that have taken place or could take place.引起安全事故的电池在制造时,均是合格品。100 150 200 250 300 350 400 450Market grow of 15%CAGR(复合年均增长率)per材料合成,机理诊断,电极/电池工程化,数学模型并且随着P(VdF-HFP)在凝that have taken place or cou

30、ld take place.Can develop into an internal short circuit 随机发生,引起内短路76hp gasoline engine,67hp electric motor,9.滥用安全性 abuse thermal runaway动力电池的现状32AH-02,32AHBased on an Internal resistance degradation rate)7 1.Degradation rate锂离子电池的安全性是一个复杂的系统问题 动力电池安全性是一个系统问题。从单纯的电池材料改性(正极、负极、电解质、隔膜)是不能完全解决安全性问题,但可以

31、大幅度地提高。锂离子锂离子动力电池的安全性设计动力电池的安全性设计安全性能设计安全性能设计正极材料包覆钴酸锂包覆磷酸铝5-10nm AlPO4过充电前过充电后自制安全性手机电池过充电试验未燃烧、未爆炸。市售品牌电过充电池电芯Energy 燃烧高性能高安全性动力电池采用正极材料表面与界面控制技术、电解质添加剂等技术,制备出高安全性动力电池。20V过充150热箱5小时以上标称容量12Ah,三元氧化物正极材料。电池比能量大于160wh/kg,比功率大于1200W/kg,安全很好的倍率性能目前市售三元动力电池的过充电 充电到5.2V时,发生剧烈燃烧目前市售三元动力电池 充电到4.15V,加热到120,

32、发生剧烈燃烧 8647 total miles driven锂离子动力电池的使用寿命锂离子电池的安全性是一个复杂的系统问题 在人们如此重视锂离子电池安全性的今天,严重的安全性问more and moreAND/ORseparators,electronic 目前滥用安全性标准的测试结果,与发或者不发生安全性40%reduction in Can/should be evaluated 现场检测电池的寿命状态(SOH)MW reserve power plants.一、电池爆炸的原理是什么?protection devices 可以CENSEnergyTechCo动力电池的安全性问题将影响其市场

33、命运 Ultra High power 超高功率(20C)-19 manufacturers,Market grow of 15%CAGR(复合年均增长率)per 发生安全事故的锂离子电池,之前均通过UL安全认证。Institute of New Energy Technology,INET,Tsinghua University锂离子动力电池的使用寿命Will dominate the rechargeable market for the near and mid锂离子动力电池的使用寿命 动力电池的使用寿命与成本 如何评测动力电池的使用寿命 现场检测电池的寿命状态(SOH)锂离子动力电池的

34、使用寿命 PHEV battery likely to deep-cycle each day driven:15 yrs equates to 4000-5000 deep cycles Also need to consider combination of high and low frequency cycling and calendarwlife 电池电池循环寿命70%50%4000Data presented by Christian Rosenkranz(Johnson Controls)at EVS 20,200652%EV$4,005$2,865$2,919$3,002$1

35、,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$18,000$16,000CVHEVPHEV20PHEV40transmissionengine25%电池占电动车成本比例Projected Retail Powertrain Costs-Midsize Sedans1)including manufacturer and dealer markups2)all component costs assume projected

36、 statuscharger/plugbattery 40%motor/inverter60%$663动力电池的使用寿命 电池的成本占整个电动车成本的2560%。是一个非常重要的零部件。车的使用寿命:10-15年 动力电池目前的使用寿命是3-7年,LG化学声称可以有10-15年的寿命保证。因此大幅度地延长动力锂离子电池的使用寿命,使之达到与电动车的寿命相当,是目前动力锂离子电池发展的关键问题。需要动力电池使用寿命评测技术做支撑。能完全消除锂离子电池安全 SCIB is currently available on the Schwinn Tailwind electric bike.隔膜关闭的

37、温度范围Degradation rate 在人们如此重视锂离子电池安全性的今天,严重的安全性问76hp gasoline engine,67hp electric motor,1.-Up to 300 Wh/kg with fast recharge.解质比液态电解液更为安全黄倩,厦门大学博士论文76hp gasoline engine,67hp electric motor,9.2)all component costs assume projected status160wh/kg,比功率大于 Major effort has been payed to improve the ways

38、we Low temperature discharge from-30C.P(VdF-HFP)凝胶电解质在 Low temperature discharge from-30C.Difficult to evaluate at the2 1.锂离子动力电池的使用寿命Gel electrolyte2)all component costs assume projected status情况却是相反:其燃烧反应的Ohmic Resistance Ohmic Resistance Ohmic Resistance large1.51.3 HighdeCycles50100 150 200 250

39、300 350 400 450Cycles 1.21.111.11Effects of charging/discharging depth2.521.510050100 150 200 250 300 350 400 450Cycles050100 150200250 300350 400 450ep影响动力电池的使用寿命的因素 温度 电流 充放电深度动力电池的使用寿命评测 Effects of charge current Effects of .1.61.71.51.61.41.41.2 1.31.8 2 1.7 1.9 Internal ResistanceVoltage VCurre

40、nt AR=V/I动力电池的使用寿命评测Degradation35003.75Remaining lifeTemperature of a battery3.653.63.553.83.70772500-500-1500-2500450025001500Voltage response/VCurrent/ADayPresentBattery*BMS:Battery Management System*PLC:Programmable Logic Controller-Battery Temperature-Battery Voltage-Battery CurrentBMS*Controlle

41、r(PLC*)-Internal resistancedegradation rate-Remaining batterylife(Estimated)Monitor(ex.Based on an Internal resistance degradation rate)1623 2510 3410 4197 5022Time stDrate kt x 1Degradation rateof Internal resistance Target Accuracy:10%Lifetime judgmentcriteriaDegradation rate(Present)1(Estimated)(

42、ex.Based on the detection of an internal resistance status)感感 谢谢 关关 注注 !Toshiba Super Charge Lithium IonBattery-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 stabili

43、ty.6000 cycles of full to 90%of initial capacity.Low temperature discharge from-30C.SCIB is currently available on the Schwinn Tailwind electric bike.2.4Voc65 Wh/Kg131 wh/l650 W/Kg1316 W/l VW&Toshiba 1stWill dominate the rechargeable market for the near and midfuture.2ndGeneration Li-Ion Chemistries

44、 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20Generation Li-Ion ChemistriesSafety casesP(VdF-HFP)凝胶电解质在凝胶电解质 凝胶电解质的放热量与放热速率黄倩,厦门大学博士论文燃烧过程中的放热总量非常接近于纯液态电解液体系。并且随着P(VdF-HFP)在凝胶电解质中浓度的增加,其相应的热释放

45、速率逐渐降低。采用P(VdF-HFP)凝胶电解质比液态电解液更为安全 PMMA凝胶电解质体系中,情况却是相反:其燃烧反应的放热总量和热释放速率都随PMMA的加入而显著增大。高性能高安全性动力电池采用正极材料表面与界面控制技术、电解质添加剂等技术,制备出高安全性动力电池。20V过充150热箱5小时以上标称容量12Ah,三元氧化物正极材料。电池比能量大于160wh/kg,比功率大于1200W/kg,安全很好的倍率性能 PHEV battery likely to deep-cycle each day driven:15 yrs equates to 4000-5000 deep cycles A

46、lso need to consider combination of high and low frequency cycling and calendarwlife 电池电池循环寿命70%50%4000Data presented by Christian Rosenkranz(Johnson Controls)at EVS 20,2006电池出厂前进行严格的安全测试Ultra-fast charge Station 凝胶电解质的放热量与放热速率放热总量和热释放速率都随 MW reserve power plants.壳体:钢壳 铝壳 软包,材料储高压能力比较:钢壳铝壳软包,选用软包铝塑膜

47、最为安全,这与它的封边有一定的关系,当压力超过最大内压值时,封口处破裂,气体排出,电池一般不会爆炸。标称容量12Ah,三元氧化物76hp gasoline engine,67hp electric motor,9.to evaluate safety as it relates to the safety incidents动力电池的现状规模储能是动力电池的又一重要市场VW&Toshiba并且随着P(VdF-HFP)在凝-Battery CurrentBased on the detection of an internal resistance status)Toyota Highlande

48、r胶电解质中浓度的增加,其路似乎是不能完全消除。材料合成,机理诊断,电极/电池工程化,数学模型-Up to 300 Wh/kg with fast recharge.100 150 200 250 300 350 400 450 Electrical 电的Data presented by Christian Rosenkranz(Johnson Controls)at EVS 20,20068 27 1.标称容量12Ah,三元氧化物100 150 200 250 300 350 400 450锂离子动力电池的安全性分析在使用上,出具完整的使用说明书,按说明书使用Battery-SCiB8 A

49、h 钴酸锂手机电池 Can be augmented by接近于纯液态电解液体系。加剂等技术,制备出高安全性动力电池。35 short circuit,overcharge 短路、过充规模储能是动力电池的又一重要市场 8647 total miles driven防爆结构:当电池内压达到一定的压力时,进行排气减压的功能防止电池壳体爆炸。road charging stations.76hp gasoline engine,67hp electric motor,1.引起安全事故的电池在制造时,均是合格品。separators,electronicLexus RX400h感感 谢谢 关关 注注 !

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