鋰離子動力電池安全性設(shè)計及壽命評估北京鋰離子電池安全測評中心主要內(nèi)容動力鋰離子電池的發(fā)展現(xiàn)狀鋰離子動力電池的安全性分析鋰離子動力電池安全性設(shè)計鋰離子動力電池的使用壽命

鋰離子動力電池的現(xiàn)狀目前市場上的混合動力車Toyota

Highlander

Lexus

RX400hHonda

Insight

Lexus

GS450hToyota

Camry

Honda

Civic

Toyota

PriusHonda

AccordSaturn

VueChevy

SilveradoFord

Escapemore

and

more混合動力車ELECTRIC

ACCESSORIESPETROLEUM

ONLY

76hp

gasoline

engine,

67hp

electric

motor,

1.5kWh

battery

comADVANCED

ENGINEFuel

Flexibility插電式混合動力車

ELECTRIC

ACCESSORIESADVANCED

ENGINE

PETROLEUM

AND/OR

ELECTRICITY

BATTERY

RECHARGE76hp

gasoline

engine,

67hp

electric

motor,

9.0kWh

battery

(30mi)

Percentage

of

Vehicle

Fleet

In

Use

(%)Cumulative

Fuel

Consumed

(gallons)5101520250

010

515202530

03010050150200250300PHEV40?

8647

total

miles

driven?

共行駛8647英里58

mpg

&140

Wh/mi

PHEVs:>40%

reduction

in

operating

costs>$500

annual

savings37

mpg

76

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

混合動力車的實際節(jié)油效果

40

Conventional35

E-Transportation

is

the

most

significant

technological

revolution

after

the

cellular

and

the

internet.

電動交通是移動電話和互聯(lián)網(wǎng)后的最重要的技術(shù)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

demand.

平抑電網(wǎng)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)

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

動力電池的現(xiàn)狀

?

High

power

高功率(>10C)-

84

manufacturers,

>

1500

中日韓在動力力電池制造方方面占支配Far-Eastmanufacturersdominatethemarket臺灣Pouchcells動力電池的包包裝方式Prismaticcells?較好的傳熱安全性好使用壽命長Cylindrical

ellsCellSize[mm]Cap[Ah]CyclelifeTemprangeWeight[gr]Weightenergydensity[Wh/Kg]Volumeenergydensity[Wh/L]Weightconstantpowerdensity[W/Kg]Volumepowerdensity[W/L]A123-AHR18700M1ULTRAD=18L=700.71000to90%-10to10038601291085523169A123-AHR32157M1HDD=32L=157101000to80%-30to603041082611085526148Saft-VL12VD=47L=17312500to80%-30to6064067144843718000功率最高的磷磷酸鐵鋰電池池BeijingChinaPowerel北京中潤恒動動電池有限公司850x560x71200500to80%?7000102211028213Lionik深圳市龍鋰實實業(yè)有限公司255x145x55100500to80%-20to60360010518610551868單體電池容量量最高的高功功率動力電池池CellSizeCapCycleTempWeightWeightVolume[mm][Ah]liferange[gr]energyenergypowerdensitydensitydensitydensity[Wh/Kg][Wh/L][W/Kg][W/L]t.CellVCap[Ah]Cyclelifeto80%Weight[gr]Weightenergydensity[Wh/Kg]Volumeenergydensity[Wh/L]

Weightpowerdensity[W/Kg]VolumePowerdensity[W/L]Advancedbatteryfactory12010073.31.2100043922395525m14372Q-LiteIndustrialICR18650HH3.71.35004012027530066885CENSEnergyTechCo18650P3.21.12000457821228447742AmericanLithiumIncNo-P.N3.21.5200034.314029027985806HenanBideliEnergyICR18650P3.71.45003813630627266129SamsungINR18650-15R3.61.55004512032620005443功率最高的18650電電池Highcompetitive

market

with

almost50

different

cell

modelsCellVCap[Ah]Cyclelifeto80%Highoper.Temp.[c]Weightenergydensity[Wh/Kg]Volumeenergydensity[Wh/L]Weightpowerdensity[W/Kg]Volumeent.cpoweromdensity[W/L]SaftVL32600-1254.2420012512325961129AdvancedBatteryFactory3.2v/60ah3.660300090801276661060操作溫度最高高的動力電池池EVneedsbatterieswithupto80Chightemperatureoperatingrange……mCellI.DWh/KgChargeRateCycleLifeGPLbattery,GE-32AH-02,32AH939.38C500GAIAUHE-341440,7.5AH8416C500ToshibaSCiB6511.9C6000StandardChargeQuickChargeFastCharge

UltraFastCharge<C/3C/3<,<2C>2C>10C快速充電動力力電池?短問題的最經(jīng)經(jīng)濟的方法。。roadchargingstations.CurrentMarketUltrafastchargingcellUltra‐‐fastcharge

Station快速充電(upto5min,>80%capacity)是解決電動車車續(xù)駛里程ToshibaSuperChargeLithiumIonBattery-SCiB?LithiumManganeseoxideSpinelcathode-LMO?LithiumTitanateOxideanode–LTO?Rechargeto90%offullcapacityinlessthan5minutes.?Excellentsafetybecauseofhighlevelanodestability.?6000cyclesoffullD.O.Dto90%ofinitialcapacity.?Lowtemperaturedischargefrom-30C.?SCIBiscurrentlyavailableontheSchwinnTailwindelectricbike.2.4Voc65Wh/Kg131wh/l650W/Kg1316W/lVW

&Toshiba?1st?Willdominatetherechargeablemarketforthenearandmidfuture.?2ndGenerationLi-IonChemistries?Betterperformance-Upto300Wh/kgwithfastrecharge.-Wideroperatingtemperaturerange.-FastCharging.?Improvedsafety.?Reducedcost.鋰空空氣氣電電池池？？下一一代代鋰鋰離離子子電電池池動動力力電電池池20GenerationLi-IonChemistries動力力電電池池的的安安全全性性問問題題將將影影響響其其市市場場命命運運Ifitisnotsafeitwillnotsurvive……動力力電電池池的的安安全全性性問問題題鋰離離子子動力力電電池池的的安安全全性性分分析析鋰離離子子電電池池關(guān)鍵鍵技技術(shù)術(shù)材料料合合成成，，機機理理診診斷斷，，電電極極/電電池池工工程程化化，，數(shù)數(shù)學學模模型型電池池模型型從納納米米尺尺度度到到微微米米尺尺度度，，再再到到毫毫米米尺尺度度性能能電極極結(jié)構(gòu)構(gòu)電池池結(jié)構(gòu)構(gòu)結(jié)構(gòu)構(gòu)材料料合合成成材料料修修飾飾表面面/界界面化化學學新工工藝藝新材材料料安全全性性長壽壽命命電極極制制造造電池池制制備備電極極模型型高性性能能鋰電電池池正極極負極極安全全性性問問題題引引起起的的損損失失SafetycasesSafetycases?安全全性性的的概概念念濫用用安安全全性性abusethermalrunaway–Mechanical機械械的的?crush,nailpenetration擠壓壓、、針針刺刺–Electrical電的的?shortcircuit,overcharge短路路、、過過充充–Thermal熱的的?thermalramp,simulatedfire熱箱箱、、火火燒燒?現(xiàn)場場安安全全性性fieldfailurethermalrunaway–Manufacturingdefects由制制造造瑕瑕疵疵引引起起?Looseconnection,separatordamage,foreigndebris連接接問問題題、、隔隔膜損損壞壞、、粉粉塵塵?Candevelopintoaninternalshortcircuit隨機機發(fā)發(fā)生生，，引引起起內(nèi)內(nèi)短短路路?Canleadtooverheatingandthermalrunaway引起過過熱與與熱失失控InstituteofNewEnergyTechnology,INET,TsinghuaUniversity濫用安安全性性現(xiàn)場（（隨機機）安安全性性兩種安安全性性概念念的差差異現(xiàn)場安安全性性濫用安安全性性Predictable可預測測的Commontoallcells對每一個電電池Can/shouldbeevaluatedatthecelllevel可以通通過測試進進行評評估Timeconstantsrelativelylong發(fā)生過過程較較長Canbeaugmentedbyprotectiondevices可以通過保保護措措施進進行改改善Notpredictable不可預預測的的One-in-a-million(orless)隨機小概概率發(fā)發(fā)生Difficulttoevaluateatthecelllevel,orthroughQC無法通過過測試試進行行評估估，也也不能通過過質(zhì)量量管理理來完完全消消除canoccurquickly發(fā)生很很突然PTC,CID,shutdownseparators,electroniccontrolsnotareeffective目前所有有的安安全性性措施施，均均不能完全全消除除鋰離離子電電池安安全隱患?發(fā)生安安全事事故的的鋰離離子電電池，，之前前均通通過UL安全認認證。。?發(fā)生原原因基基本上上是不不可預預測的的內(nèi)短短路所所造成成。而而這種種內(nèi)短短路似乎乎是不不能完完全消消除。。?引起安安全事事故的的電池池在制制造時時，均均是合合格品品。?目前濫濫用安安全性性標準準的測測試結(jié)結(jié)果，，與發(fā)發(fā)或者者不發(fā)發(fā)生安安全性性事故，，之間間沒有有任何何聯(lián)系系。鋰離子子電池池安全全性?對于筆筆記本本電腦腦電池池，發(fā)發(fā)生概概率在在幾百百萬分分之一一。?Majorefforthasbeenpayedtoimprovethewaysweaddresssafetyinlithium-ionbatteries,however?在人們們?nèi)绱舜酥匾曇曚囯x離子電電池安安全性性的今今天，，嚴重重的安安全性性問題還時時有發(fā)發(fā)生。。?Thebatterycommunitydoesnothaveadequateteststoevaluatesafetyasitrelatestothesafetyincidentsthathavetakenplaceorcouldtakeplace.?人們還還沒有有找到到合適適的方方法來來預測測和評評測這這類安安全隱隱患問問題?我們在在做工工作，，希望望“十二五五”結(jié)束時時，這這個問問題得得到一一定程程度的解解決。。鋰離子子電池池的安安全性性serioussafetyincidentscanalwaysoccur.EnergyReleased(J)熱失控控的機機理249.9378292.573.710.90300200100700600500400Anode/BinderAnode/SolventSEIDecompnCathodeBreakdownSeparatorOxidn@CathodeSolventOxdnJouleHeating@Cathode鋰離子子電池池安全全性9008000.8Ah鈷酸鋰鋰手機機電池池826.2負極材材料的的安全全性改改進正極材材料HeatreleaseSafetyofcathodeMaterials隔膜隔膜關(guān)關(guān)閉的的溫度度范圍圍?Strengthandphysicalintegrity抗壓機械強度度?Shrinkageallowance熱收縮率影響電池安全全性的重要指指標?Shutdownperformance??電解質(zhì)Solvent，non-flamableSalts，highdecompositiontemperature??Additives，F(xiàn)lame-RetardantGelelectrolyteP(VdF-HFP)凝凝膠電解質(zhì)在在凝膠電解質(zhì)?凝膠電解質(zhì)的的放熱量與放放熱速率黃倩，廈門大大學博士論文文?燃燒過程中的的放熱總量非非常接近于純液態(tài)態(tài)電解液體系系。并且隨著P(VdF-HFP)在凝凝膠電解質(zhì)中濃濃度的增加，，其相應的熱釋放放速率逐漸降降低。采用P(VdF-HFP)凝膠電電解質(zhì)比液態(tài)電電解液更為安安全?PMMA凝膠膠電解質(zhì)體系系中，情況卻是相反反:其燃燒反反應的放熱總量和熱熱釋放速率都都隨PMMA的加加入而顯著增增大。鋰離子電池的的安全性是一一個復雜的系系統(tǒng)問題?動力電池安全全性是一個系系統(tǒng)問題。?從單純的電池池材料改性（（正極、負極極、電解質(zhì)、、隔膜…）是不能完全全解決安全性性問題，但可可以大幅度地地提高。鋰離子動力電池的安安全性設(shè)計電池的設(shè)計，，一方面要滿滿足電性能的的要求，另一一方面必須滿滿足安全性的的要求，一個個產(chǎn)品的安全全性成為重中中之重，那么么電池的不安安全因素主要要的表現(xiàn)是什什么？那就就是電池的：：爆炸起火火！我們常常常聽說哪兒的的電池爆炸，，傷人，電池池召回，電視視新聞報到的的也很多。就就電池的安全全設(shè)計從以下下幾個方面來來考慮：一、電池池爆炸的原原理是什么么？二、引起起電池爆炸炸的因素有有哪些？三、如何何來保證電電池的安全全？安全性能設(shè)設(shè)計一、電池池爆炸的原原理是什么么？電池在受到到熱沖擊、、過充、過過放、短路路、振動、、擠壓等濫濫用狀態(tài)下下，電池內(nèi)內(nèi)部的活性性物質(zhì)及電電解液等組組分間將發(fā)發(fā)生化學、、電化學反反應，產(chǎn)生生大量的熱熱量與氣體體，引起電電池的升溫溫，如果鋰鋰離子電池池內(nèi)部的熱熱生成速率率大于熱散散失速率,則體系內(nèi)的的反應溫度度就會不斷斷上升，當當熱量和內(nèi)內(nèi)壓累積到到一定程度度的時候，，就會引起起電池的燃燃燒或爆炸炸。簡單的說：：就是電池池內(nèi)部出現(xiàn)現(xiàn)高溫高高內(nèi)壓，超超過電池殼殼體的儲壓壓極限，殼殼體爆裂，，內(nèi)容物噴噴出，起火火燃燒。引起爆炸燃燃燒的主要要原因：短路高溫溫高電壓壓二、引起起電池爆炸炸的因素有有哪些？電池的系統(tǒng)統(tǒng)制作過程程，及各材材料的配比比和電池的的使用，都都有可能引引起電池爆爆炸隱患，，可從：材材料設(shè)設(shè)計使使用三方方面來來進進行分析。。1、材料：A.正極材料：：（1），從材料本本身安全性性來說，熱熱穩(wěn)定性LiNiO2＜LiNi0.8Co0.2O2＜LiCoO2＜LiMn2O4＜LiFePO4＜LiNi3/8Co1/4Mn3/8O2當溫度升高高到一定值值后，材料料分解，產(chǎn)產(chǎn)生大量的的熱其二二從正極極標的理論論容量與實實際發(fā)揮的的容量來看看，沒有脫脫嵌的鋰離離子越多，，過充時，，產(chǎn)生枝晶晶的可能性性就越大，，刺穿隔膜膜引起短路路。理論值值與實際值值相差越小小，安全性性就越高，，鈷酸鋰270-140＜錳酸鋰148-110＜磷酸鐵鐵鋰170-130，且鐵鋰的的電壓只有有3.2V，安全性最最高。熱熱分解解溫度：鈷鈷：錳：鐵鐵鋰＝180：200：220正極材料包包覆鈷酸鋰包覆覆磷酸鋁5-10nmAlPO4過充電前過充電后自制安全性手機電池過充電試驗驗未燃燒、未未爆炸。市售品牌電電過充電池電芯Energy燃燒高性能高安安全性動力力電池采用正極材材料表面與與界面控制制技術(shù)、電電解質(zhì)添加劑等技術(shù)術(shù)，制備出出高安全性性動力電池池。20V過充充150℃熱熱箱5小時以上上標稱容量12Ah，三元氧化化物正極材料。。電池比能能量大于160wh/kg，比功率大大于1200W/kg，安全很好的倍率率性能目前市售三三元動力電電池的過充充電?充電到5.2V時，發(fā)生劇劇烈燃燒目前市售三三元動力電電池?充電到4.15V，加熱到120℃，發(fā)生劇劇烈燃燒B.隔膜：隔膜熱閉孔孔性對電池池的安全有有很大的影影響，當溫溫度超過120-135度，如隔膜膜沒有閉孔孔，電池繼繼續(xù)升溫，，內(nèi)壓升高高到極限，，電池就會會爆炸。如如溫度過高高，隔膜會會熔化，從從而引起電電池大面積積的短路，，這就要求求隔膜要有有很高的熔熔點。C.電解液：電解液在電電池內(nèi)即起起到導電作作用，同時時又要能起起到保護作作用，當充充電電壓到到一定值時時，形成絡(luò)絡(luò)合物，在在電池內(nèi)部部形成大面面積的斷路路，使正負負極通過電電流減小，，電池溫度度降低。D.極耳（鋁鎳鎳帶）：在設(shè)計時，，可能大家家都沒有太太多的去考考慮這一因因素，其實實極耳是連連接電池內(nèi)內(nèi)外的橋梁梁，當短路路時，會承承受很大的的電流，其其通過的電電流密度當當超過極耳耳最大電流流密度時，，會產(chǎn)生大大量的熱，，致電池內(nèi)內(nèi)部溫度升升高，內(nèi)壓壓增大。E.殼體:鋼殼鋁殼殼軟包，，材料儲高高壓能力比比較：鋼殼殼＜鋁殼＜＜軟包，選選用軟包鋁鋁塑膜最為為安全，這這與它的封封邊有一定定的關(guān)系，，當壓力力超過最大大內(nèi)壓值時時，封口處處破裂，氣氣體排出，，電池一般般不會爆炸炸。2、安全性性設(shè)計A.正負極容量量比：電池在使用用的過程中中，在不同同程度都會會有所破壞壞，那就要要求負極的的嵌鋰空間間至始至終終都要比正正極的脫嵌嵌的鋰離子子空間大。。如在設(shè)計計時，沒有有考慮負極極余量的大大小，會會造成析鋰鋰，刺穿隔隔膜，造成成短路。B.尺寸：電池的隔膜膜收縮與極極片的寬度度，當隔膜膜收縮過大大，極片會會引起短路路。C.放電電流：：在設(shè)計時根根據(jù)產(chǎn)品的的使用放電電電流來設(shè)設(shè)計極片的的面密度壓壓實極極耳類型等等。當面密密度過大，，壓實過高高，極耳截截面較小時時，大電流流放電，會會產(chǎn)生析鋰鋰，產(chǎn)生大大量的熱造造成電池爆爆炸。D.防爆結(jié)構(gòu)：：當電池內(nèi)壓壓達到一定定的壓力時時，進行排排氣減壓的的功能防止止電池殼體體爆炸。目目前采用的的有刻痕防防爆，排氣氣閥部件。。E.保護系統(tǒng)：：對電池進行行保護過過充過放放過流短短路3、使用A.過充電：當電壓超過過4.2V以上時，電電解液分解解，產(chǎn)生大大量氣體，，電池內(nèi)壓壓升高，過過充負極表表面析鋰，，電池爆炸炸。B.高溫環(huán)境：：高溫環(huán)境使使用電池脹脹氣，電解解液分解。。C.保護系統(tǒng)失失效外線線路短路：：用戶在使用用時，外線線路短路，，造成電池池爆炸。D.機械性的：：刺穿碰撞撞造成電電池短路爆爆炸。三、如何來保證證電池的安安全？材料和設(shè)設(shè)計上兩個個方面的考考慮，電池出廠前前進行嚴格格的安全測測試在使用上，，出具完整整的使用說說明書，按按說明書使使用鋰離子動力力電池的使使用壽命?動力電池的的使用壽命命與成本?如何評測動動力電池的的使用壽命命?現(xiàn)場檢測電電池的壽命命狀態(tài)（SOH）鋰離子動力力電池的使使用壽命?PHEVbatterylikelytodeep-cycleeachdaydriven:15yrsequatesto4000-5000deepcycles?Alsoneedtoconsidercombinationofhighandlowfrequencycyclingandcalendarwlife電池池電池池循循環(huán)環(huán)壽壽命命70%50%4000DatapresentedbyChristianRosenkranz(JohnsonControls)atEVS20,200652%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$18,000$16,000CVHEVPHEV20PHEV40transmissionengine25%電池占電電動車成成本比例例ProjectedRetailPowertrainCosts-MidsizeSedans1)includingmanufactureranddealermarkups2)allcomponentcostsassumeprojectedstatuscharger/plugbattery40%motor/inverter60%$663動力電池池