全球最大氧化还原液流电池如何为7.5 万家庭供电

上周，特斯拉刚刚宣布将在南澳打造全球最大锂离子电池储能设施。而现在，德国能源公司 Ewe Gasspeicher GmbH，也计划在国内打造一套全球最大的氧化还原液流电池(redox flow battery)，它就是 brine4power 。其计划在地下盐穴中建造该电池系统，该电池会将电能储存在液态电解质中，建成后可为 7.5 万户家庭提供能源。全球最大的氧化还原液流电池(brine4power)将在德国 Jemgum 天然气储存设施所在地开建。在这种电化学电池中，阴阳两种电解液被允许电子穿透的专用膜给隔离开来。两种电解液中的带电分子，会从电池中被泵入储罐，从而将能量保存数月。当其处于充电状态的时候，电子会从阴极电解液中释放(被添加到阳极电解液中)；放电的时候，这个过程又会反过来。 Ewe Gasspeicher 的这套电池系统，正式名称为“brine4power”，其基于耶拿市弗里德里希·席勒大学的一套系统所开发，后者使用可回收聚合物作为盐水电解质的活性分子。团队称，与常规氧化还原液流电解质所采用的重金属 / 硫酸混合物相比，这些材料更加环保。 brine4power系统图解，其采用了盐水和可回收聚合物打造的电解液，并存储在地下的巨大盐穴中。 brine4power 系统将在 Jemgum 天然气储存设施所在地建造，以充分利用那里的两个巨大的地下盐洞(当前被用于储存天然气)。每个盐洞的容量达到了 10 万立方米(350 万立方英尺)，因此电池总容量也达到 700 MWh，输出功率亦可达 120 MW 。 brine4power 项目主管 Ralf Riekenberg 表示，预计该氧化还原液流电池设施也在 2023 年底投入运营。

2017-09-26

双锂离子电池打破续航瓶颈

我们使用的智能手机、平板电脑和笔记本电脑中大多使用的都是锂离子电池，这类电池使用液体作为电解液，但这些液体电解质是非常易燃的，从这方面来考虑，固体电解质可能会更安全，但固体电解质本身具有不规律性，在使用上需要相当谨慎。麻省理工学院 (MIT)的研究人员发现了一种双锂离子电池，该电池把液态和固态电解质相结合，通过使用平滑固体电解质表面来防止液态电解液短路起火。电池中的电解质是介于正极和负极之间的材料。当电池充电或者放电时，电离子从一个电极通过电解质传到另一个电极中。而通常使用的液体电解质是易燃的，并且它们也很容易形成树突，树突会造成电池短路从而破坏电池。为了解决这个问题，研究人员试图使用固体电解质，例如特制的陶瓷材料，虽然这可以消除短路的可燃性风险，但实际测试表明，固体电解质的运行及其不规律，它们会比预期更容易发生短路。早前研究人员对固体电解质性质有了错误的理解，他们认为固体电解质的坚固性决定树突是否会产生，但 MIT 研究人员发现电解质的平滑度才是防止树突的重要因素。MIT 研究人员认为电解质的固定性并不能决定电池树突是否能够渗透到电解质中。研究表明，电解质表面的光滑度是防止树突的重要因素，电解质表面上的细小划痕可能为树突的产生奠定基础。使用光滑的固体电解质可以消除电解质可燃性的问题，并且同样可以使用固体锂金属作为电池电极，液固结合电解质潜在地使锂离子电池的电池容量再增加一倍，目前这项电池技术还正在深入研究当中，一旦可行这将打破电动车和便携式设备的续航瓶颈。

2017-08-08

边开车边充电解密巴黎百米充电跑道黑科技

充电对于电动汽车来说像是Bug一样的存在，如果有一天，电动汽车摆脱充电桩的束缚，不用到处找充电桩，充电比加油还方便那该有多好。看到这里大家应该都明白今天要讨论的主题了，无线充电。不过不同于停在车位里的无线充电，我们今天要讨论的是边开车边充电的技术。当然了它还有一个非常学术的名称，叫做电动汽车动态充电(DEVC)技术。想象一下，电动汽车不用刻意充电，每天开在路上就能充电，带来的好处多多。首先可以给电池“减负”，因为可以随时随地给车充电，所以大容量的电池不那么必要了，车辆的载重也随之下降。其次充电再也无需等待，现在电动汽车充电始终无法做到像汽油车加油一样方便，而无线充电可以边开边充，减少时间成本。最后解决了续航里程问题，电动汽车的续航里程被无线拉长，里程焦虑问题不存在了。听起来挺天方夜谭的？其实从理论上来说，它实现起来并不难，我们先来了解一下它的原理。一、无线充电是怎么回事？还是从无线充电说起。我们知道无线充电靠的是电流和磁场，电和磁这对相爱相杀的CP，经常在一起搞事情。 1819年，丹麦科学家奥斯特观察到一段导线上如果通有电流，四周就会产生磁场。后来人们发现，将导线围成环状，甚至绕成线圈，产生的磁场将会更强、更集中，这称为电流磁效应。 1831年法拉第发现，如果让一块磁铁或其他的磁场来源靠近一段没有电流的线圈，线圈上就会产生感应电流，这称为电磁感应。那么如何让电和磁发生作用，稳定地给我们输出电流呢？我们需要两个线圈，把一个线圈通上电，那么这个线圈周围就有了磁场；接着我们将另一个线圈靠过去，那么这个线圈就有了电流。电流引导到电池内，就可以完成无线充电了。运用到汽车领域，这就是电磁感应式无线充电。我们给位于地面的线圈通上交流电，随着电流大小和方向的改变，线圈周围的磁场强弱和方向也不断改变，形成一个交互磁场。这时车辆底盘的线圈就处在一个不断变化的磁场中，线圈内部会产生一个交互电流，通过一系列电路整流后，实现给电池充电。二、被逼出强迫症的无线充电电磁感应式无线充电是各大汽车公司在研究无线充电初期比较喜欢采用的技术。奔驰、奥迪、沃尔沃等汽车公司都曾经研究出一批电磁感应无线充电的车型。在停车位上会有个长得像是垫子一样的东西，其实它是一个初级线圈，用来产生磁场。可用于无线充电的车辆底盘也会有一个线圈，我们称之为次级线圈，用来产生电流。不过电磁感应式无线充电有一个很大的弊端，那就是距离。这种技术想要产生电流，两个线圈必须“严丝合缝”地相对，一旦发生偏差，电流就不会产生。所以这样的技术往往需要搭配精准的自动泊车技术，要让车辆正好停在无线充电的垫子上方。听起来就觉得很麻烦是不是？这是要让人人都练成处女座加强迫症的节奏。于是，科学家们就研究另一种无线充电技术，那就是磁场共振无线充电。我们知道当两个物体采用相同的振动频率，或者说在一个特定的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量。磁场共振，就是初级线圈产生一个以固定频率振动的磁场即谐振磁场，然后让次级线圈磁场的振动频率与之相同，产生共振，最终实现能量转移。 2007年，麻省理工学院的研究团队通过一个电磁共振器成功点亮了一个2m开外的60W灯泡。在汽车领域，丰田在2012年就做过实验，在一辆插电式混合动力的普锐斯上，增加了一个可按照一定频率振动的次级线圈。停车位上有一个谐振磁场，当它们都按照相同的频率振动时，次级线圈就能将谐振磁场的电流转换过来。这个无线供电系统的输出功率为2kW。使用频带是在国际上取得共识的85kHz，电力传输效率约为80%。在这个验证实验中，地面的谐振磁场与车辆底部的次级线圈的距离约为15cm左右。水平错位的最大允许范围是一条轮胎的宽度(20cm左右)。高通也曾经推出过无线充电系统，名为Halo，不过也停留在静态无线充电。采用磁共振效应实现地面充电垫与电动车充电板之间的能量传输，这套充电系统功率可达20kW，充满85kWh的特斯拉MODEL S P85的电池组大约需要5h。三、让电动汽车动起来如果将充电垫或者说是谐振磁场放到道路里，那么车辆就可以实现边跑边充电了，从此告别充电桩。在今年5月份的时候，高通在巴黎使用一台雷诺全电动的Kangoo厢式货车完成了动态无线充电道路测试。两辆电动汽车按照不同速度，行驶在这条100m长的道路上，同时完成了充电。测试中，Kango测试车的时速达到100km/h，最大充电功率能达到20kW。高通建设的这条长100m的道路测试包含4块能量供给单元，每个单元负责25m道路的电量供应。同时，每25m长的能量段拥有与14个子模块，内含线圈和能量转换电路。至于成本问题，雷诺、法国电力公司和法国北部高速公路公司的一项研究指出，建设动态充电道路的成本为400万欧元/km(双车道)，价格可以说是相当昂贵了。如此“金贵”的道路看来只能先在公交道上普及了。在韩国，韩国科学技术院(KAIST)就在南部龟尾市的火车站建设了一条12km长的动态充电道路，跑在上面的电动公交车就是利用磁场共振实现无线充电。说完了国外，我们国家在无线动态充电上的研究也不落人后。比较知名的有中兴通讯，目前已经在重庆、湖北等地展开无线充电示范线的测试。无线动态充电目前还处在研究状态中，离大面积普及还有很长的一段距离。随便一想就有一大堆问题还没有解决，比如车辆的兼容性能否一致，道路是开放的还是封闭的，公路的电流能否负荷多辆车进行充电？另外还有道路的监测和养护。这些都是无线动态充电的拦路虎，不过科技总是在不断发展的，相信科技的力量，充电的难题总会解决。电动汽车边开边充电绝对不是痴人说梦。编辑点评：以目前的技术，要想实现边开车边给电动汽车充电，需要对道路进行改造，有很多人认为造价太贵，得不偿失。不过任何先进的科技，都是伴随着争议发展起来的。让科学家们的脑洞再大一点吧，也许有一天充电可以真的可以像WIFI一样方便、快捷。

2017-07-13

2017年电池行业技术特点全景扫描

近年来，由于种种新技术的开发，锂作为一种功能多样的金属，其需求不断增长。锂电池检测系统行业技术水平与电芯的类型、锂电池的指标要求、应用领域等情况密切相关。以下是2017年电池行业技术特点分析。随着锂电车的市场需求扩大，锂电池价格优势越来越明显，从原来50%的整车价格占比到目前的20-25%。一直以来，全球锂电池产业基本集中在中、韩、日三个国家。国内空前火热的锂电池市场将形成中日韩“三国杀”的格局。虽然日韩锂电池巨头进军中国将对国内动力锂电池厂商形成巨大的竞争压力;但也将进一步激活上下游产业链，对国内锂电池乃至新能源汽车市场的发展起到巨大的促进作用。如果我们做产业化的高效电池，有两个基本条件，一个是高效率，另一个是低成本。如果这么做基本技术在那里?表面钝化技术是非常重要的环节，另外是电池结构包括PERC、PERT、PERL等电池。上午天合的冯博士也说到这了，现在可产业化的高效电池就是两种结构，一种是赵建华博士在1988年提出的PERC和PERL电池，PERL电池已经达到25%的效率。还有一种是异质结电池，破了25%的效率之后也是非常热，达到了25.6%的效率，英文简称BJBC电池。所以现在看，BJBC可以是同质结也可以是异质结，这是一个非常重要的里程碑，但是对于可产业化来说，目前在这种技术在产业化上都遇到了一个成本非常高的问题，我觉得是我们努力的方向，但是如果真正把成本降下来，做到目前的可以大规模产业和的程度，还得至少三、五年的时间。 2017-2022年中国电池技术行业发展前景分析及发展策略研究报告表明，如果做可产业化的技术，目前有PERC和IBC两种技术，前者成本低一些，比普通电池高10%左右，大家能接受。产业化的技术可分为小于21%的效率和大于21%效率技术。 PERC电池效率小于21%，这种技术通常是P型硅电池，使用了发射极高方阻技术，这个技术能够使前面发射极的钝化效果非常好，上午看杜邦的讲演浆料可以在90欧姆/Sq方阻的发射极上做电极，实际上他们两年之后能做到110欧姆/Sq。如果说前表面方阻能做到100欧姆/Sq以上，前我个人认为前表面发射极技术基本上没有太大的改进空间了，为什么电池前表面选择性发射极技术这些年大家基都不做了?发射极方阻本身都做到100欧姆/Sq以上了，这种技术的优势也基本上丧失掉了。前表面做好了之后，电池效率的提升主要是背面钝化。现在大家做的PERC结构或者叫点接触结构，这方面应该说最容易产业的，当然还有接触点有高掺杂的，这就是PERL电池结构，这种工艺相对复杂一点。现在激光的技术的快速发展，还有三氧化二铝的钝化，背面局域接触的PERC电池从工艺、技术上非常成熟了。但是像我上午说得，赵博士在26年前提出来的PERC电池结构，走了20多年才走到产业化，从概念提出到真正的产业化也是非常不容易的过程。如果电池效率高于21%，这时候低成本产业化P型硅PERC目前看很难达到，所以要用一些新的电池结构，像天合做的IBC电池。目前尽管天合比Sunpower成本低了很多，总体来说比目前的普通电池成本高一倍以上，这方面，低成本化还是大家需要努力的。另外还有HIT电池。HIT电池的效率一般都在22%左右，我下面还要讲，HIT电池看起来结构非常简单，但实际上制备工艺是一种非常精密的异质界面控制技术，这种技术工艺窗口很窄，搞半导体集成电路的人有体会。我们要发展HIT电池技术需要做这种精密的界面控制，相对来说还是需要很大的努力。 “十三五”支持我国大规模晶体硅电池效率达到23%，所以说IBC电池、HIT电池是发展的方向。钝化技术要达到这么高的效率水平，实际上有两个基本技术，一个是钝化技术，现在三氧化二铝钝化是非常好的，过去钝化使用ALD技术，比较复杂的设备，也比较贵，现在出现了等用离子体三氧化二铝钝化，产业化比较便宜。还有一个重要的技术是结形成技术，N型硅电池是一个方向，但是需要硼扩散形成发射极，扩散温度高。刚才48所介绍了减压扩散是比较好的方向，它的装片量和扩散均匀性都比较好。第二是离子注入技术，它形成的PN结非常均匀。还有两种比较简单的N型硅电池PN结制备技术，一种是铝浆烧结，先丝网印刷铝浆，通过烧结形成了一种PN结，电池效率能够接近20%的效率，工艺简单，所以大家做的热情比较高。还有一个就是硼磷共扩散技术，效率可以达到21%。大容量方形电池是动力电池发展方向。在日本，以18650圆柱电池为主，全自动化生产设备，源于成熟的镍氢电池产业。在中国，大容量电池的全自动化生产制造设备的发展，工艺路线的不断发展和成熟，保证了大容量电池的品质、一致性、安全性，也保证了电源成组技术的实施。

2017-06-20

特斯拉电池技术大突破：48万公里仅衰减5%

目前就连奔驰也不得不承认燃油车没有未来，电动方案才是主流趋势。不过，现在困扰厂商和用户的除了电池续航问题之外，还有能量衰减。通常，电池的储电性能会随着充放电次数的增加而下降，这就带来了更加严重的续航不足问题。但是，特斯拉的工程师似乎已经找到了更好的解决办法。特斯拉首席电池科学家Kurt Kelty和技术研发伙伴加拿大Dalhousie大学的Jeff Dahn在最新的技术演讲中表示，研究小组已经在电池性能领域取得重大突破，能够让车辆在行驶48万公里后，电池的衰减控制在5%以内。 Jeff Dahn介绍称，提高NMC三元锂电池中的某种化学成分，可以限制高压下电池运行时产生的有害气体，而这种改进后的电池单体能够在超过1200次循环后依然有着优秀的性能表现。把电池单体制成电池组，1200次循环等同于车辆行驶大约30万英里(约合48万公里)，这意味着以每年行驶2万公里计算，特斯拉车主在连续开24年后电池容量仍然可以达到出厂容量的95%。目前，这项技术已经在特斯拉即将推出的新车当中使用，预计会是定于今年7月推出的Model 3轿车。

2017-05-19

新换电模式袭来电动汽车续航不再焦虑？

虽然电动汽车在全球汽车市场逐渐开始普及，越来越多的消费者开始尝试电动汽车。但充电效率和电池续航依然是电动汽车面临的两个最棘手的问题。以目前的电动汽车市场需求来看，短时间内只要能够在这两个问题中解决一个，就可以让电动汽车拥有更好的体验。日前，一家芬兰裔美国公司Tanktwo想到了曲线救国的好办法。他们把电动汽车的电池做成一个类似油箱的空盒子，并将鸡蛋形状的独立电池包无规则的放到箱子中。每个电池包都配有锂离子电池和一套电池控制系统，通过电池控制系统能够将整个电池箱内的电池包都链接到一起进行充电或是放电。这就是他们引以为豪的String电池系统。 “换电”解决续航问题乍一听似乎没什么特别，只不过从固定的电池组换成了可活动的独立电池，但有趣的是，Tanktwo通过一套高速真空传输系统，可以迅速将箱内所有的电池包抽出，并注入充满电的电池包。而这一套更换电池包的程序仅需不到3分钟。是不是跟燃油汽车加油的思路有点像？相比传统的纯电动汽车，Tanktwo的String电池系统另辟蹊径的解决了充电效率低的问题，同时保证了日常使用时纯电动汽车的经济性。在不需要快速补充电力时，可以使用常规电动汽车的充电方式并享受较低的使用成本；而在需要长距离行驶时则可以在“换电站”购买“换电池包服务”，迅速补充电力继续行驶。并且得益于智能手机和平板等设备的快速发展，便携式的锂电池目前价格也已经较为便宜，所以可以预见的是即便采用“换电池包”的方式进行电力补充，价格也不会高的离谱。当然，Tanktwo也表明了未来的规划。他们会提供不同电量的电池包供消费者进行选择。就像是93号汽油和97号汽油一样，电池也可以分为低续航和高续航等不同版本。当中短途旅行时，较便宜的低续航电池包就够了，而当需要进行长途行驶时，或是即将经过一段没有换电站的地区时，就需要考虑换上高续航的电池包。针对续航，Tanktwo的String电池系统可以提供更加快捷方便的电动汽车使用方式。而针对电动汽车整体来说，它也解决了在接下来的几年会遇到的另一个重要问题：电动汽车残值较低。电动汽车电池包衰减的问题，一直以来都被消费者所诟病。而电池包衰减除了日常使用上的不便之外，也成为了电动汽车二手交易的致命伤。目前国内市场电动汽车的交易惨淡也证明了这一点，毕竟谁也不想开一台标称300公里实际100公里的二手电动汽车。如果有电动汽车厂商采用了Tanktwo的String电池系统，那么电池衰减的成本则不需要消费者来承担，因为你随时可以通过较低的价格来给自己的电池组“换新”。如此一来，在二手交易时电动汽车只作为使用电池的容器，交易过程并不包括电池，也就不会因为电池衰减导致残值过低。解决了不少问题，但还面临一些问题对于目前的Tanktwo来说，最大的问题有两个：1.基础设施建设；2.如何让用户接受并相信String电池系统。基础设施自然不必多说，以特斯拉这样实力的公司目前也很难将超级充电站铺设的像加油站那么多，而如果续航里程更短的电动汽车没有足够的换电站支持的话，体验差的可就不是一星半点了。与此同时，尽管这项技术已经在业内掀起了一些波澜，但Tanktwo还没有提供实装这套设备的车辆进行展示。消费者在尝鲜时往往表现没有那么主动，如果这项技术迟迟找不到合适的合作伙伴进行实车展示和试用，难免会产生出一些“炒概念”或是“PPT造电池”这样的言论，可信度将会急剧下降。目前全球的厂商都在寻找能够解决续航或是充电效率的办法，虽然Tanktwo的String电池系统目前看起来很美，但“换电”概念并不是他们先提出来的，保不齐哪天马斯克就从裤裆里掏出一项类似的黑科技，并迅速通过自家的车型普及到市面上，再次引发电动汽车的行业变革。所以像Tanktwo这样的小公司，速度将是决定胜败的第一要素。

2017-04-28

动力电池要求 300Wh/kg比能量目标如何实现

3月1日，四部委印发了《促进汽车动力电池产业发展行动方案》通知，明确指出了当前动力电池存在的不足和今后的发展方向。通知中将提高电池比能量作为今后的重点发展目标之一，关键指标和时间节点如下： 1.到2020年，锂离子动力电池单体比能量〉300Wh/kg；系统比能量争取达到260Wh/kg；成本<1元/瓦时；使用环境达-30℃到55℃；具备3C充电能力 2.到2025年，单体比能量达500Wh/kg 3.力争实现单体电池350Wh/kg、系统260Wh/kg的锂离子电池产品产业化和整车应用 4.新型动力电池方面，积极推进锂硫电池、金属空气电池、固态电池的研究和工程化开发，2020年单体比能量>400Wh/kg、2025年达到500Wh/k 从指标的文字描述中可以看到：第1项指标是要求在锂离子电池体系下实现的，第3项指标应该是在锂离子电池体系下再往前冲一冲，所以提出了“力争实现”。至于第2、4项指标，锂离子电池体系估计无能为力了，必须要开发新的电池体系。尽管锂硫电池、金属空气电池、固态电池的研究历史已经很长，但是其技术进步还是比较缓慢。如今各种交叉学科发展已经有了较大进步，这将有助于继续开发这些电池体系，期待能有突破。经常看到很多媒体报道把“比能量”和“能量密度”混淆了。通常，使用“比能量”来描述单位质量的能量水平(Wh/kg)，用“能量密度”来描述单位体积的能量水平(Wh/L)。这里我们来主要看一下在锂离子电池体系下的比能量发展途径。锂离子电池单体比能量 2016年发布的《节能与新能源汽车技术路线图》提到了纯电动汽车动力电池的比能量目标是2020年350Wh/kg，2025年是400Wh/kg，2030年是500Wh/kg。该目标与四部委提出的指标很接近，也在业内引发了热议。我们梳理一下2016年媒体报道的各大电池企业的比能量目标和实现路径：比亚迪：三元电池希望在2018年做到240Wh/kg，2020年大概做到300Wh/kg。正极采用高镍三元材料，负极采用氧化亚硅或纳米硅，宁德时代：2016年可以做到200-250Wh/kg，“十三五”期间希望实现350Wh/kg目标，材料体系为高镍三元/硅碳材料国轩高科：2020年目标是300-350Wh/kg，采用高镍三元正极材料，硅基负极材料，5V高电压电解液比克：18650圆柱第四代产品(3.0Ah)普遍可以达到220-230Wh/kg，2017年第五代产品(3.6Ah)的比能量预计可以达到250Wh/kg。比克是较早锁定三元材料路线的企业。力神：正在开发200-250Wh/kg的产品，圆柱电池已经可以达到250Wh/kg，2020年争取达到300Wh/kg，采用第三代富锂锰基层状材料和硅负极材料三星SDI：2016年水平为250Wh/kg，预计2030年达到350Wh/kg(可能采用了其他电池体系了) 值得注意的是，宁德时代、天津力神、国轩高科三家电池企业在2016年还入围了科技部重点专项，该项目的考核指标为：动力电池新材料新体系(基础前沿类)：考核指标：新型锂离子电池样品能量密度≥400Wh/kg，新体系电池样品能量密度≥500Wh/kg 高比能量锂离子电池技术(重大共性关键技术类)：考核指标：电池单体能量密度≥300Wh/kg，循环寿命≥1500次，成本≤0.8元/Wh，安全性等达到国标要求；年生产能力≥2亿瓦时，产品累计销售≥3000万瓦时或装车数量≥1000套。这些重点专项的考核指标还对循环寿命、安全性能、甚至销量和产能提出了要求，这对入围的电池企业也是不小的考验。从所有公开的信息可以看到，中国各大电池企业实现300Wh/kg的技术路线可以归纳为：正极材料：高镍三元，或者富锂锰基负极材料：硅基材料电解液：高压电解液隔膜：目前还是PP、PE为主，外加陶瓷涂层下表是2015年欧洲-日本技术研讨会上展示的一组数据，描述了在锂离子电池体系下，实现不同比能量水平可采用的材料体系。可以看到，其实在材料体系的选择上，各国的情况都比较类似。下面我们看一下日本电池企业的情况。在日本NEDO(NewEnergyandIndustrialtechnologyDevelopmentOrganizationofJapan)的牵头下，日本电池企业都积极参与了高能量电池的研究和投入。例如，我们看一组2016年日立Hitachi的数据：正极材料：高镍层状三元正极电极：335g/m^2，3.0g/cm^3 负极材料：硅合金和石墨的复合材料,容量比1：1 负极电极：2.1g/cm^2 电池容量：30Ah，软包电池充电上限电压：4.2或4.4V 放电下限电压：2.0V 电流：C/20，或C/3 图1是其测试数据。我们可以看到，充电电压为4.2V、电流为C/20(Cell-4.2)时，比能量为290Wh/kg；充电电压为4.4V、电流为C/20(Cell-4.4)时，比能量为335Wh/kg。同时，Hitachi也指出，虽然初始比能量很高，但是在经过100次循环之后，容量衰减极大。估计这种情况也是现在很多电池企业正在头疼的问题：比能量指标实现了，但其他性能还不行。图1Hitachi30Ah电池数据综合来看，单纯实现300Wh/kg的目标在2020年基本是可行的。问题是：实现了这个目标是否就表示能用在电动汽车上呢？答案肯定是否定的。汽车动力电池是一个系统工程，满足比能量要求只是条件之一，其他性能(充放电倍率、功率、寿命、安全性等)也是至关重要的。在实现高比能量的目标的基础上，综合发展、提高其他各项性能指标，还需要投入更多的时间和精力。

2017-03-21

锂离子电池高电压技术及产业发展现状

随着用电设备对锂离子电池容量要求的不断提高，人们对锂离子电池能量密度提升的期望越来越高。特别是智能手机、平板电脑、笔记本电脑等各种便携设备，对体积小、待机时间长的锂离子电池提出了更高的要求。同样在其他用电设备，如：储能设备、电动工具、电动汽车等也在不断开发出质量更轻、体积更小、输出电压和功率密度更高的锂离子电池，所以发展高能量密度的锂离子电池是锂电池行业的重要研发方向。一高电压锂离子电池开发的背景为了设计高能量密度的锂离子电池，除了对其空间利用率的不断优化，提高电池正负极材料的压实密度和克容量，使用高导电碳纳米和高分子粘接剂来提高正极和负极活性物质含量外，提升锂离子电池的工作电压也是增大电池能量密度的重要途径之一。在锂离子电池的截止电压正由原来的4.2V逐步过渡到4.35V、4.4V、4.45V、4.5V和5V，其中5V镍锰锂离子电池具有高能量密度、高功率等优异特性，将是未来新能源汽车及储能领域发展的重要方向之一。随着电源研发技术的不断发展，将来更高电压、更高能量密度的锂离子电池将逐渐走出实验室，为消费者服务。二高电压锂离子电池应用现状通常说的高电压锂离子电池是指单体充电截止电压高于4.2V的电池，如：在手机上使用的锂离子电池，截止电压由4.2V发展到4.3V、4.35V，再到4.4V(小米手机、华为手机等)。目前4.35V和4.4V的锂离子电池已在市场上成熟使用，4.45V和4.5V也开始受到市场青睐，逐步会发展成熟起来。目前国内外手机和其他数码类电子产品电池的生产厂家都在朝着高电压锂离子电池这个方向前进。高电压及高能量密度的锂离子电池在高端手机及便携式电子设备上会有更大的市场空间。正极材料和电解液是提高锂离子电池高电压的关键性材料，其中改性高电压钴酸锂、高电压三元材料的使用将更加成熟和普遍。高电压锂离子电池随着电压的提升，在使用过程中某些安全性能会降低，因此在动力汽车上还没有批量使用。目前动力汽车所用电池正极材料主要还是以三元材料、磷酸铁锂为主。为了提升能量密度满足需求，一般选择811NCM和NCA等高镍正极材料、高容量硅碳负极或提高电池空间的利用率等方式来提升其能量密度和续航能力。三高电压锂离子电池主要材料及工艺进展现状高电压锂离子电池的性能主要是由活性材料和电解液的结构和性质所决定的，其中正极材料是最关键的核心材料，电解液的匹配作用也十分重要。以下主要分析目前高电压正极材料的研究和应用现状。 1、高压钴酸锂材料的研究现状目前研究和应用最广泛的高电压正极材料是钴酸锂，它具有二维层状。结构，α-NaFeO2型，更适合于锂离子的嵌入和脱出。钴酸锂的理论能量密度274mAh/g，其具有生产工艺简单且电化学性质稳定等优点，因此市场占有率较高。钴酸锂材料在实际应用中只有部分的锂离子能够可逆的进行嵌入和脱出，其实际能量密度大约为167mAh/g(工作电压为4.35V)。提升其工作电压可以显著提高其能量密度，例如将工作电压由4.2V提升至4.35V其能量密度可以增加16%左右。但是在高电压下锂离子多次从材料中嵌入和脱出会使钴酸锂的结构从三方晶系到单斜晶系发生转变，此时钴酸锂材料不再具有嵌入和脱出锂离子的能力，同时正极材料的颗粒发生松动并从集流体上脱落，导致电池的内阻变大，电化学性能变差。目前钴酸锂正极材料的改性，主要还是从掺杂和包覆2个方面对材料的晶体结构稳定性和界面稳定性进行提升。目前钴酸锂高电压材料在高能量密度电池中已批量使用，如高端手机电池厂家对电池性能的要求越来越高，其中主要体现在对能量密度的更高要求，例如以碳作为负极的4.35V手机电池能量密度要求在660Wh/L左右，4.4V手机电池已达到740Wh/L左右，这就要求正极材料具有更高的压实密度、更高的空量发挥，以及在高压实和高电压下的材料结构具有更好的的稳定性。但钴酸锂电极材料存在钴资源匮乏且价格昂贵等缺点，此外钴离子具有一定的毒性，这些缺陷限制了其在动力电池中的广泛应用。 2、三元材料的研究现状为了降低钴的用量及提高电池的安全性能，研究者开始致力于层状三元高电压材料(LiNixCoyMn1-x-yO2或LiNixCoyAl1-x-yO2)的研究。在该类三元材料中，镍(Ni)元素起到提供容量的作用，钴(Co)能够减少锂(Li)与Ni的混排，锰(Mn)或铝(Al)能提高层状材料的结构稳定性，从而提升电池的安全性能。该类电池主要用于一般常规数码电池，如：充电宝、商务备用电池等，视作钴酸锂的代用品，提高电池的价格竞争力，以镍钴锰比例为5∶2∶3为最常见。在动力汽车方面有不少厂家在试用，其提高能量密度的方式，主要是提高单体锂离子电池的工作电压和增加三元材料中的镍含量，但目前行业还都在开发阶段，没有批量产品。这主要是目前动力电池首先要满足电池的高安全性、一致性、低成本和长寿命，容量的提高还不是首要问题。三元材料的主要问题是随着镍含量的提高，材料的碱性变强，对电池制作工艺和环境的要求越来越高;同时材料的热稳定性降低，在循环过程中会释放氧气，导致材料的结构稳定性变差;在充电状态下，镍具有较强的氧化性，对电解液的匹配性也提出了更高的要求。所以三元电极材料在推广和使用上局限性较高。 3、锰基正极材料研究现状锰酸锂是典型的尖晶石型结构正极材料，文献报道理论能量密度为148mAh/g，其能量密度低于钴酸锂和三元材料，它具有价格便宜、热稳定性高、环境友好及制备容易等特点，有望在储能电池及动力电池上大规模应用。在动力电池上，锰酸锂在国内的应用对比三元材料和磷酸铁锂还不够广泛，主要是受限于其能量密度低和循环寿命差的缺点，产生电池的续航里程短和使用寿命过低的问题。锰酸锂的循环性能尤其是高温(55℃)循环性能一直饱受诟病，其主要影响因素分为3个方面： ①表面Mn3+的溶解。由于目前常规电解液所用的锂盐为六氟磷酸锂(LiPF6)，电解液本身含有一定量的氢氟酸(HF)杂质，电池体系中痕量的水会导致LiPF6的分解产生HF，HF的存在会侵蚀锰酸锂(LiMn2O4)并导致Mn3+发生歧化溶解，2Mn3+(固相)→Mn4+(固相)+Mn2+(溶液相)。在放电末期及大倍率放电条件下材料表面的Mn3+含量高于体相，加剧了材料表面Mn3+含的溶解。 ②姜泰勒效应。电池放电过程中，特别是过放的情况下，在材料表面生成的Li1+δ[Mn2]O4，热力学不稳定，同时材料结构由立方相向四方相的转变，原有的结构遭到破坏，因而材料的循环性能变差。 ③Mn4+的高氧化性。在充电末期或者过充电情况下，高度脱锂的Li1+δ[Mn2]O4材料中Mn4+具有较强的氧化性，能够氧化分解有机电解液，恶化电池的循环性能。目前绝大部分锰酸锂电池能量密度小于100mAh/g，常温循环仅能达到400～500次，高温循环只能做到100～200次，不能满足量产需求。但事实上，占全球电动汽车销量近20%的日产聆风汽车的电池体系就是采用的锰酸锂电池，其续航里程可达到200km左右。虽然锰酸锂电池的性能受材料自身结构的制约，但只要解决其能量密度低和循环性能差的缺点，未来其在动力电池领域仍具有非常广阔的应用空间。为了提升锰酸锂电极材料的能量密度及循环性能，一些研究者通过掺杂改性的方式提高正极材料的电压，如LiMxMn2-xO4〔(M=铬(Cr)，铁(Fe)，Co，Ni，铜(Cu)〕5V高电压正极材料，其中镍锰高压材料LiNi0.5Mn1.5O4的研究最为广泛。镍锰高压材料放电比容量高达130mAh/g，平台可达到4.7V左右，能量密度高于常规工作电压下的钴酸锂的能量密度，且基本没有Mn3+的姜泰勒效应。当工作电压提高至5V左右时，镍锰高压材料与传统钴酸锂、锰酸锂、三元及铁锂对比，具有克容量高，放电平台高，安全性能和倍率性能高等优点。其在电池组的配组方面有较大的优势，但其高温性能差和循环性还有待改善。从现在运用来看，还只是停留在钢壳电池小批量生产阶段，镍锰高压材料的掺杂改性及表面包覆工作还有很长的路要走。 4、高电压电解液的研究现状高电压锂离子电池虽然在提高电池的能量密度方面有较大贡献，但也存在诸多问题。随着能量密度提升，一般正负极的压实密度都比较大，电解液浸润性变差，保液量降低。低保液量会导致电池的循环和存储性能变差。近年来随着高电压正极材料的不断涌现和应用，常规碳酸酯和六氟磷酸锂体系，在4.5V以上电压电池中会发生分解，循环性能差，高温性能差等电池性能的下降，已不能完全满足高电压锂离子电池的要求。因此研究匹配这些高压正极材料的电解液体系具有十分重要的意义。针对高压实密度带来的电解液浸润性差的问题，电解液设计方面不断在筛选氧化电位高且黏度小的溶剂，来达到高压实电池的性能要求。另外也在使用可以提高电解液浸润性的添加剂或氟代溶剂来改善，效果也比较明显。

2017-01-19

2017年中国锂电池生产设备行业调研报告

中国2016年锂电生产设备需求超过145亿元，国内生产设备产值占比80%以上，产值同比增长将超过20%。增长主要因为： 1)2015年受新能源汽车产销量大幅增长带动，国内出现动力电池产能不足现象，因此主流动力电池企业开启新的扩产计划，GGII数据显示，2016年国内原有动力电池新增产能18GWh。 2)在国家利好政策大力扶持下，2015-2016年国内动力电池领域增加了超过25家新进入者，2016年是其上产线的密集期; 3)数码电池更新换代，升级产线，另外部分数码电池转型动力领域，新上动力电池产线; 4)锂电生产设备国产化率提高，进口比例下降。全年来看，GGII预计2016年中国锂电生产设备产值将超过115亿元(不含进口设备)，国产化率进一步提升，其中前端设备国内产值预计将达65亿元以上，同比增长超过40%。中、后端设备国内产值有望超过50亿元，同比增长将超过25%。 2015~2017年中国生产设备环节国产化比例大幅上涨，还具有以下特点： 1)设备生产效率保持提升，并出现颠覆产品。从浆料搅拌系统大大缩短生产时间、涂布机效率提速、真空隧道炉颠覆传统烤箱并明显提高效率到八工位、八工位全自动注液机的稳定使用等均有很大提升; 2)单环节设备产能提升，自动化程度提升，但环节与环节之间的连接还不通畅; 3)资本参与锂电生产设备领域的频率、力度、强度等明显提升，出现多起收购事件; 4)出现整线承包商，在线数字化系统试水。 5)年底政策性影响，要求企业扩张8GWh，电池企业疯狂扩张。整体来看，2017年中国锂电生产设备产销发展势头将保持高速增长。通过“2016年高工锂电动力电池巡回调研活动”来看，GGII认为未来几年锂电生产设备环节仍将处于快速发展期，各环节还存在很大的机会，同时也有诸多问题。为了更好的分析研究我国锂电设备的发展状况，高工产研锂电研究所(GGII)通过对国内主要锂电设备厂家的调查，收集了大量的第一手资料。并且在进一步结合对中国超过100家电池企业访谈的基础上，完成了《2016年中国锂电生产设备行业调研报告》的编写。本报告对2016年及2017年中国锂电设备行业的发展特点、主要产品、企业产值、发展规划及重点企业等进行了较为详细的调研和分析，并结合“动力电池巡回调研活动”，对2016年中国锂电生产设备的市场规模、发展趋势等做出专业预测。高工产研锂电研究所(GGII)希望通过实际的调查研究，为投资者、业内人士、证券公司以及想了解锂电设备行业的人，提供最准确最有参考价值的报告。

2016-12-27

2016年11月全国锂离子电池产量同比增长45.63%

根据国家统计局公布数据，2016年1~11月，全国锂离子电池行业累计完成产量同比增长36.78%。其中：11月份完成产量同比增长45.63%。2016年全国锂离子电池行业月度产量及同比如下图所示。说明：本数据来源于国家统计局月度规模以上企业统计数据。

2016-11-30

电池企业力挺产线自动化智能制造正从“概念”落地

OFweek锂电网讯在“智能制造”的大背景下，动力电池传统的制造工艺、分散订单发展模式等很难满足动力电池市场的高质量要求。只有瞄准高精度、全自动化、智能化的生产线制造方式，才能满足未来新能源汽车的动力需求。电池企业力挺产线自动化智能制造正从“概念”落地国家工信部发布的《智能制造试点示范2016专项行动实施方案》明确提出，重点遴选60个以上智能制造试点示范项目，形成关键领域一批智能制造标准，动力电池产业发展随之迎来前所未有的契机。随着新能源汽车对动力电池安全性的要求越来越苛刻，传统的制造工艺已经难以满足电池对一致性的要求，取而代之的将是全智能自动化生产线和流水线作业，动力电池生产企业必须转型升级。弥补动力电池短板智能制造是便捷路径特斯拉豪掷50亿美元建电池超级工厂Gigafactory，到 2018 年实现 35GWh 产量的目标。超级工厂动力电池生产线高度自动化，厂区大量使用高科技机器人。例如，这些机器人只要通过使用数字地图，就能在工厂里自由巡航，并能用传感器探测周围环境。这从侧面反映出，国外动力电池的前沿技术和生产模式远超于国内。我国动力电池企业虽然数量最多，产能最大，并且已形成较为完善的产业链体系，掌握了动力电池的配方设计、结构设计和制造工艺技术，生产线也逐步从半自动向全自动大规模制造过渡。但要清醒认识到，国内动力电池企业在高端材料与相关基础研究方面，以及电池安全性、可靠性和系统管理技术等方面与国外先进企业仍存在较大差距。无论是从国家战略规划层面，还是提高产品质量、比肩美日韩，或者降低企业成本、增加企业营收等方面，都需要国内动力电池行业尽快实现“智能制造”。业内普遍认为，即使2017年出现动力电池产能过剩，但过剩的依旧是低端产能，真正高端的产品仍然会供不应求。对于动力电池而言，单体比能量提高仅仅是性能优越的一方面，更重要的是所有单体电池的高一致性，就像“木桶原理”，整车的动力性能由最差的那块电池或电池组决定。而提高产品一致性，大规模智能化生产必不可少。通过严格的生产环境控制，减少人为接触、控制生产的精度等多个方面，可以提高国产电池产品的整体质量，而智能化生产程度的差距也是国产电池企业与国外电池企业产品存在差距的重要原因。国家科技部高技术研究发展中心副主任卞曙光认为，提高动力电池的智能制造水平、完善验证测试方法和标准体系，是中国动力电池发展的关键任务。三个维度创新突破传统电池制造模式“围城” 业内专家分析，无论是锂电材料还是电芯生产，国内企业依然普遍面临自动化程度低、生产效率低、产品良率低、信息互联互通效率低等问题。以正极材料为例，不少工厂生产过程智能化程度不高，人为参与度高，难以实现生产线的快速智能化生产，呈“孤岛”之态，影响整个生产过程的综合管理。这导致国内锂电正极材料有全球40%以上的市场份额，但供应的大多是中等以下品质的正极材料，正极材料企业发展面临的最突出问题就是产品品质和产业产能方面的配合衔接问题。在此背景下，正极材料智能工厂的建立就极具现实意义，通过实现生产过程生产线各关键工序的自动化控制，实现制造信息和管理信息全程透明共享。对于正极材料生产面临的问题，动力电池制造升级更为紧迫，面临的形势也更为复杂。作为新能源汽车的核心零部件，如何快速提升性能指标，降低生产成本已经成为全行业聚焦的核心命题。事实上，国内动力电池制造目前面临的主要问题是，大部分动力电池设备仅能实现某些工段的自动化，距离全自动化以及信息化还有较大的距离，很多设备上的数据平台依然没有搭建起来。整个动力电池的生产过程控制还没有形成完整的规范和标准，包括来料、湿度、极片张力等很多因素都处于不可控的状态，直接导致行业的生产效率和产品良率都处于较低的水平。动力电池大规模生产将是必然趋势，对于国内动力电池企业而言，摆脱传统制造模式的“围城”，智能制造就成为转型升级的必由之路。业内专家分析，智能制造可以从技术创新、组织创新和模式创新等维度来入手。其一，技术进步是先进制造发展的关键因素。上世纪中期以后，科学技术的发展也进入了一个日新月异的时代，电子信息技术和自动化技术发展迅猛，以互联网为代表的信息技术革命为制造业注入了新的生命力，动力电池产业也要善于运用计算机集成制造、敏捷制造、虚拟制造等技术。其二，组织方式创新是先进制造发展的灵魂。近年来，市场需求的多样化迫使工业制造向多品种、小批量、缩短生产周期方向演进，刚性制造模式逐渐被柔性制造模式所替代，与之对应的动力电池生产组织，也要由金字塔式的科层管理向扁平化、矩阵式管理的方向演变。其三，“智能制造”并非是横空出世的概念，而是制造业依据其内在发展逻辑，经过长时间的演变和整合逐步形成的。可以说，动力电池的智能制造是随着市场需求的变化，集成了技术创新、模式创新和组织方式创新的先进制造系统，是集成制造、精益生产、敏捷制造、虚拟制造、网络化制造等多种先进制造系统和模式的综合。从技术创新、组织创新和模式创新三个维度来认识动力电池“智能制造”，有利于我们更好地把握动力电池制造业当前所处地位，以及未来努力的方向，避免盲目求新和急于求成的倾向。

2016-08-30

2020年中国储能市场容量或将达24.2吉瓦

5月11日，储能国际峰会2016在北京国际会议中心召开。在本次大会上，中关村储能产业技术联盟（CNESA）发布了《储能产业研究白皮书2016》（以下简称《白皮书》）。《白皮书》预测，到2020年，理想情景下，我国储能总装机规模将达24.2吉瓦；常规情景下，总装机规模将达14.5吉瓦。数据显示，截至2015年底，全球累计运行储能项目（不含抽水蓄能、压缩空气和储热）327个，装机规模946.8兆瓦。近五年，累计装机规模的年复合增长率18%，累计项目数量的年复合增长率40%。中关村储能产业技术联盟秘书长张静指出，从区域分布上看，美国依旧占据装机第一的位置，截至2015年底，美国累计装机规模为426.4兆瓦（运行项目），自2014年起，就开始超越日本，成为全球储能装机第一大国，其次是日本和中国，占比分别为33%和11%。欧洲是近两年储能项目装机规模增长速度最快的地区，年复合增长率为115%。从技术分布上看，锂离子电池仍然占据绝对的“霸主”地位，预计未来两三年内，相较于其他技术，锂离子电池将会迎来爆发式增长。从应用分布上看，可再生能源并网领域的累计装机规模占比最大，为43%，调频辅助服务是近两年增速最快的应用领域，年复合增长率为31%，分布式发电及微网领域则在项目数量上占据第一的位置，占比接近总装机的60%。据悉，在储能装机规模全球前十的厂商中，共有7家厂商来自亚洲，特别是日韩厂商表现抢眼，占据了排名前5位。而比亚迪是唯一一家入围全球前十名的中国厂商。此外，截至2015年底，全球共有17家公司通过融资、出售债券/股权等形式，完成融资或被收购，金额总计10.2亿美元，相比去年增长了155%。而全球政府机构对各类与储能相关的项目支持资金总计20.4亿美元，其中美国是支持力度最大的国家，共计提供了12.8亿美元的资金。具体到中国的情况，《白皮书》显示，截至2015年底，中国累计运行储能项目（不含抽水蓄能、压缩空气和储热）118个，累计装机规模105.5兆瓦，占全球储能项目总装机的11%，年复合增长率为110%，是全球的6倍之多。从应用分布上看，分布式发电及微网占比最大，装机规模占比为56%。同时，锂离子电池的累计装机规模占比最大，占中国市场总装机的2/3。据悉，本届峰会的主题是“储能支撑能源转型，推动中国能源变革”，吸引了行业内千余名产业精英、80多位专家和50多家参展企业，共同就储能与能源互联网等影响储能企业重要格局的热点议题展开激烈讨论。国家能源局能源节约和科技装备司修炳林副司长在峰会上强调了储能在现代能源体系建设中的重要作用，并提出了近期在技术研发、示范应用和产业化发展等方面的重点工作。

2016-07-21

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佛山市贝瑞尔电气科技有限公司是一家由企业家、教授和归国留学人员为主要股东的高科技民营股份制企业。凭借雄厚的研发实力，在电力电子领域有自己独到的核心技术与专利。

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