动力电池产业与我司气凝胶材料关联报告

第一篇：动力电池产业与我司气凝胶材料关联报告

动力电池产业与我气凝胶材料关联报告

（一）动力电池

1.1动力电池主要包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂电池。

1.1．1铅酸蓄电池：已有100多年的研发、生产历史，目前通过技术改造升级，已广泛用作内燃机汽车的起动动力源。也是成熟的电动汽车蓄电池，它可靠性好、原材料易得、价格便宜；比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求。但它有两大缺点；一是比能量低【比能量指的是单位重量或单位体积的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L来表示。Wh是能量的单位，W是瓦、h是小时；kg是千克(重量单位)，L是升(体积单位)】，所占的质量和体积太大，且一次充电行驶里程较短；另一个是使用寿命短，使用成本过高。

1.1.2镍镉电池：应用广泛程度仅次于铅酸蓄电池，其比能量可达55W·h/kg，比功率超过190W/kg。可快速充电，循环使用寿命较长，是铅酸蓄电池的两倍多，可达到2000多次，但价格为铅酸蓄电池的4～5倍。它的初期购置成本虽高，但由于其在能量和使用寿命方面的优势，因此其长期的实际使用成本并不高。缺点是有“记忆效应”，容易因为充放电不良而导致电池可用容量减小。须在使用十次左右后，作一次完全充放电，如果已经有了“记忆效应”，应连续作3～5次完全充放电，以释放记忆。另外镉有毒，容易造成环境污染。

1.1.3镍氢蓄电池：属于碱性电池，镍氢蓄电池循环使用寿命较长，无记忆效应，但价格较高。它的初期购置成本虽高，但由于其在能量和使用寿命方面的优势，因此其长期的实际使用成本并不高。目前国外生产电动汽车镍氢蓄电池的公司主要是Ovonie、丰田和松下的一个合资公司。Ovonie现有80A·h和130A·h两种单元电池，其比能量达75－80W·h/kg，循环使用寿命超过600次。这种蓄电池装在几种电动汽车上试用，其中一类车一次充电可行驶345公里。由于价格较高，目前尚未大批量生产。国内已开发出55A·h和100A·h单元电池，比能量达65 W·h/kg，功率密度大于800W/kg的镍氢蓄电池。1.1.4锂离子电池：作为新型高电压、高能量密度的可充电电池，其突出的特点是：重量轻、储能大、无污染、无记忆效应、使用寿命长。在同体积重量情况下，锂电池的蓄电能力是镍氢电池的1.6倍，是镍镉电池的4倍，并且目前人类只开发利用了其理论电量的20%～30%，开发前景非常光明。我国从二十世纪九十年代开始开发和利用锂离子电池，至今已取得突破性进展，研制出了完全拥有自主知识产权的锂离子电池。专家预测未来欧美市场需求将达到一万亿欧元，而国内市场亦会达到上万亿人民币，磷酸铁锂目前正处于高速增长的态势。同时，国家发改委最新发布的《产业结构调整指导目录》，把锂离子电池等高技术绿色电池的制造作为高新技术产业放在了优先发展的位置。

其中锂电池主要分两大类：（1）锂离子电池（2）锂聚合物电池

聚合物锂电池和锂离子电池主要区别在电解质，锂离子电池的电解质是液态的，聚合物电池的电解质是胶体型、或者固态聚合物。聚合物锂电池的反应原理和锂离子电池一样，一般以软包的形式，形状可塑性强；锂离子电池一般做成圆柱形或者方形。从安全角度来讲，聚合物锂电池比锂离子电池更安全。

1.2.锂电池技术背景 1.2.1定义：

锂电池的全称应该叫锂离子电池（简称LIB），在20世纪90年代 初索尼公司将锂电池产业化。它以碳为负极，以含锂的化合物作 正极；在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是 锂离子电池名称的由来。1.2.2内部结构：

锂离子电池由正极、负极、电解液和隔膜等组成。

正极：由含锂的过渡金属氧化物组成，常用的 材料有钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂。

负极：石墨、石墨化碳材料、改性石墨、石墨化中间相碳微粒

电解液：一种有机电解液，大部分是由六氟磷酸锂（LiFL6）加上有机溶剂配成。（六氟磷酸锂由五氯化磷和溶解在无水氟化氢中的氟化锂反应结晶而成）隔膜：一种特殊的复合膜，它的功能是隔离正负极，阻止电子穿过，同时能够允 从而完成在电化学充放电过程中锂离子在正负极之间的快速传输。目前主要是聚乙烯（PE）或者聚丙烯（PP）微孔膜。

（二）新能源汽车与磷酸铁锂电池

新能源汽车主要包括混合动力汽车（HEV）、插电式混合电动汽车（PHEV）、纯电动汽车（EV）、燃料电池汽车（FCV）。

新能源汽车对电池要求很高，必须具有高比能量、高比功率、快速充电和深度放电的性能，而且要求成本尽量低、使用寿尽量长。动力电池主要有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂电池。

传统的铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池本身技术比较成熟，但它们用在汽车上作为动力电池则存在较大的问题。铅酸电池作为比较成熟的技术，因其成本较低，而且能够高倍率放电，依然是唯一可供大批量生产的电动车用电池。但是铅酸电池的比能量、比功率和能量密度都很低，以此为动力源的电动车不可能拥有良好的车速及续航里程。其它较成熟的电池，如镍镉电池和镍氢电池，虽然性能好于铅酸电池，但含有重金属，价格较高，且用完遗弃后对环境会造成严重污染，都不适宜大批量生产。

目前，越来越多的汽车厂家选择采用锂电池作为新能源汽车的动力电池。锂电池具有以下优点：体积小、质量轻、工作电压高(是镍镉电池、氢镍电池的3倍)、比能量大(可达165WH/㎏，是氢镍电池的3倍)、循环寿长、自放电率低、无记忆效应、无污染、安全性好等优点。

其中，锂电池材料又可分为电极(正极/负极)材料、隔膜和电解质。正极材料是锂电池的核心，目前以钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰锂和磷酸铁锂为主。负极材料则以石墨、固体碳粒为主；在正负极中间则是电池电解液和隔膜。而锂离子电池目前在市场上运用最广泛的就是磷酸铁锂电池。2.1动力电池原材料分析

1.铅酸电池由于自身性能限制了动力电源的发展且存在铅污染，逐渐推出市场； 2.镍镉也存在镉污染，记忆效益严重，也基本推出动力电池市场；

3.镍氢电池是镍镉电池的改进，比能量能达到60－80Wh/kg，且具有充电速度快、基本无记忆效应、无环境污染，安全性高的特点，目前作为汽车动力电池的生产技术基本成熟。4.目前在动力电池行业，镍氢电池占主导地位，而磷酸铁锂电池是处在产业发展初期。

5.较好的电池性能（尤其安全性）和制造技术成熟是镍氢电池目前在全球普通混合动力汽车（HEV）电池中占主导地位。

镍氢动力电池目前占主导地位主要是现有混合动力车的电池能量仅1－2kWh，不能纯电动行使或纯电动续航3km以下。从更长远来看，镍氢无法应用在PHEV、EV上。主要因为：

镍氢的比能量和能量密度无法满足PHEV，EV的要求； 原材料Ni(OH)2价格较高，制造大能量的电池成本将会更高；

镍氢电池技术发展基本成熟，电池性能提高和成本降低的空间非常有限。与镍氢电池比较，锂离子电池的优点主要体现在：

比能量、能量密度高，约为镍氢电池的两倍，能大幅提高电动汽车的续航能力； 功率更高、自放电小、无记忆效应，这些特点都能提高电动车的使用便利性； 原材料成本价格低；

技术提升空间大，成本下降空间大。

镍氢电池由于技术成熟和安全性好，是目前混合动力汽车（HEV）电池的主要选择，但难以满足更高电动化程度需求；锂电池是下一代电动车电池的最佳选择，预计未来三年左右将替代镍氢成为电动汽车电池的主流。国内企业在镍氢动力电池市场的机会窗较小，日本企业从混合动力汽车到镍氢动力电池已建立绝对主导的产业链优势；镍氢动力电池市场规模继续成长的时间窗只有3年左右；并且镍氢市场总容量有限，高峰期估计不会超过20亿美元。2010－2011年将是汽车厂商最新一代PHEV、EV推出的密集期，开始进入小批量生产阶段，预计到2015年全球PHEV、EV销量有望达到数十万甚至百万辆级别、正式进入规模生产阶段。各种绿色汽车技术将长期共存、互为补充，综合考虑技术成熟度和节能减排潜力，电动汽车尤其是插电式混合动力（PHEV）和纯电动汽车（EV）很有可能成为中长期内（2015－2030年）最重要的技术路径。

由此可知，磷酸铁锂电池是新能源汽车的最重要也是最适合的动力源。磷酸铁锂（LiFePO4，简称LFP，也叫锂铁磷）电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池，其工作原理和锂离子电池是一样的。

• LiFePO4正确的化学式为LiMPO4，（M 可以是任何金属，如

Fe，Co，Mn，Ti等）。

• 其物理结构为橄榄石结构，从结构来看，可以用在锂离子电

池的正极材料还有AyMPO4, Li 1-xMFePO4, LiFePO4.MO等都

可以做正极材料。

• 其特色是不含贵重元素，原料价格低且磷，铁，锂在地球上的资源含量丰富，供料不会存在很大问题。

• 除具有锂电池的共性特点外，还有一些特有的优点，比如其

工作电压适中（3.2V），容量大(170mAh/g)，高放电功率，可

快速充电且循环寿命长（高达2000次），在高温与高热环境

下的稳定性高。` 磷酸铁锂的特点分析

（一）:  优点

1.LiFePO4电池的标称电压是3.2 V（稳定的放电平台）、终止充电电压是3.6V、终止放电压是2.0V;2.比容量大，高效率输出：标准放电为2～5C、连续高电流放电可达10C，瞬间脉冲放电（10S）可达20C；

3.工作温度范围宽广（-20 ℃ ——＋75 ℃），高温时性能良好：外部温度65℃时内部温度则高达95℃，电池放电结束时温度可达160℃，电池内部结构安全、完好；

4.即使电池内部或外部受到伤害，电池不燃烧、不爆炸、安全性最好； 5.极好的循环寿命，经500次循环，其放电容量仍大于95%；实验室制备的磷酸铁锂单体电池在进行IC的循环测试时，循环寿命高达2000次。6.过放电到零伏也无损坏，零电压存放7天后电池无泄漏，性能良

好，容量为100%；存放30天后，无泄漏、性能良好，容量为

98%；存放30天后的电池再做3次充放电循环，容量又恢复到

100%。

7.可快速充电，自放电少，无记忆效应：可大电流2C快速充放

电，在专用充电器下，1.5C充电40分钟内即可使电池充满，起

动电流可达2C, ； 8.低成本； 9.对环境无污染。

磷酸铁锂的特点分析

（二）:  缺点

1.导电性差：目前在实际生产过程中通过在前驱体添加有机碳源和高价金属离子联合掺杂的办法来改善材料的导电性（A123、烟台卓能正采用这种方法），研究表明，磷酸铁锂的电导率提高了7个数量级，使磷酸铁锂具备了和钴酸锂相近的电导特性。

2.锂离子扩散速度慢。目前采取的解决方案主要有纳米化LiFePO4晶粒，从而减少锂离子在晶粒中的扩散距离，再者就是掺杂改善锂离子的扩散通道，后一种方法看起来效果并不明显。纳米化已经有较多的研究，但是难以应用到实际的工业生产中，目前只有A123宣称掌握了LiFePO4的纳米化产业技术。3.振实密度较低。一般只能达到0.8-1.3，低的振实密度可以说

是磷酸铁锂的最大缺点。但这一缺点在动力电池方面不会突出。因此，磷酸铁锂主要是用来制作动力电池。

4.磷酸铁锂电池低温性能差。在0℃时的容量保持率约60～70％，-10℃时为40～55％，-20℃时为20～40％。这样的低温性能显然不能满足动力电源的使用要求。当前一些厂家通过改进电解液体系、改进正极配方、改进材料性能和改善电芯结构设计等使磷酸铁锂的低温性能有所提升。

（三）纯电动汽车结构原理图和蓄电池组图

（四）气凝胶保温材料运用在动力电池的分析

1.由于动力电池工作温度范围宽广（-20 ℃ ——＋75 ℃），高温时性能良好：外部温度65℃时内部温度则高达95℃，电池放电结束时温度可达160℃，电池内部结构安全、完好；

2.磷酸铁锂电池低温性能差。在0℃时的容量保持率约60～70％，-10℃时为40～55％，-20℃时为20～40％。这样的低温性能显然不能满足动力电源的使用要求。当前一些厂家通过改进电解液体系、改进正极配方、改进材料性能和改善电芯结构设计等使磷酸铁锂的低温性能有所提升。

（五）使用气凝胶保温材料的独特性优势

1.由于汽车的内部空间有限，对动力电池箱大小尺寸设计提出更高要求，而我们的材料隔热性能优越，与其他保温材料相比，达到同样的效果，我们的厚度大大减少，可以满足在箱内的包裹。

2.由于我们材料抗拉抗压性能好，使用寿命长，适合动力汽车长期使用 3.我们有整体疏水性材料，憎水率90%以上，可以有效防止水汽进入电池组，进而对电池起了很好的外层保护。

4.我们的材料通过了A1级防火测试，万一电池发生燃烧，可以有效地防止燃烧的持续，保护了人员生命财产安全。

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