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天津力神电池副总裁高俊奎演讲

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发布日期:2010-10-22  编辑:battery   我要评论(0)
核心提示:  10月22日消息,第五届华南锂电(国际)高层论坛于2010年10月22日至23日在深圳市民中心大礼堂举行,本次论坛主题为中国锂电,从

  10月22日消息,第五届华南锂电(国际)高层论坛于2010年10月22日至23日在深圳市民中心大礼堂举行,本次论坛主题为“中国锂电,从制造走向创造!——2010对话储能和动力”。

  来自中国、美国、英国、德国、澳大利亚、日本、韩国等全球各国政要、商会领袖、锂电专家、能源专家、投行机构、金融机构高管汇聚深圳“剑”指新能源。

  “华南锂电高层论坛”自2006年起迄今已成功举办四届。“第五届华南锂电(国际)高层技术论坛”包含国内外新能源巨头演讲及对话、行业优秀技术论文演讲、优秀获奖论文评选、年度十大风云人物评比、中国最具价值的新能源企业评选等。

  以下为天津力神电池股份有限公司副总裁高俊奎演讲的文字实录:

  各位专家大家上午好,我今天讲的题目是电动工具的18650型锂离子的研究进展。力神公司电池做得很多,从小的几十毫安时到大的都有,我今天选这个题目,有这么几个原因。电动工具在力神的发展也四五个年头了,从最初的锰酸铝到现在的包括材料负极也有好多变化,在这个产品上体系非常的丰富。第二个是说电动工具经过这么几年的发展,力神的电动工具电池经过几年的发展,在高端市场已经达到了一个非常好的声誉。另外电动工具使用的环境也是比较苛刻,比如说他一些热的特性,大量的放电,他对环境要求,他对机械这种力学条件的要求,可靠性的要求非常的高。我们也是这样,想通过电动工具一个强壮的设计,为未来为我们在储能上面,在电动汽车上面体系的建设,打一个非常坚实的基础,所以我就选了这个题目。

  我今天这个报告分五个部分,第一个就是公司一个非常简单的介绍。第二个关于电动工具一个设计,第三个就是我们力神公司18650型这个产品好多产品的一个介绍。第四个就是电动工具未来的一个发展。第五个是总结。

  力神公司成立于1997年12月12日,他总资产是36亿,在去年的时候完成了第一大股东的转变,第一大股东以前是天津的京能投资,现在变成了中海油,京能占5%的股份,退出了前三大股东。前三大股东第一是中海油,第二是国投高科,第三是我们蓝天公司,目前职工有6400人,这个是整个力神公司的鸟瞰图,经过近15年的一个建设,先后完成了一期到五期的一个建设,一期、三期和四期都在天津环内这个厂区,五期是去年9月份竣工投产的。通过这五年的建设,我们已经达到了年产电池约5亿只,其中包括2万辆的汽车,同时我们在园区里面还有一个专门做一个超级电容器的一个事业部。目前,在这一块区域里面,我们正在盖一个力神大厦这样一个标志性的一个建筑。

  第二,我想说一下电动工具的一个设计。整个来说电动工具的设计,最重要的是相对于电池的内阻,电池的内阻分为两个方面,第一降低电池的OM阻耗,第二降低电池的电化学的阻耗。还有一些导电器的种类,导电器的量一个采用,还有隔膜,但是这个地方说得非常简单了,隔膜很重要。另外一个是电液对他的影响。主要是咱们的核心物质,包括正极材料、负极材料他的颗粒,他的形貌,这主要是不仅要有电子导通还有离子的扩散,要有一个均衡的发展,还有一个是核心物质,这个锂电池在这个材料里面的扩建,最后都能够影响到电池最终的性能。最终的结果还是要通过不同的设计来满足客户的一个要求,因为电动工具这个范围很大,最小的是螺丝刀上螺丝的这样一个电动工具,这种对电池尤其是18650型不同的一个工具的要求,会体现在电池的设计不一样。

  刚刚说了怎么降低直流阻耗,电池的OM阻耗,OM阻耗刚才说了设计、位置,包括铜箔、铝箔的设计,通过简单的模型来优化我们的铜箔、铝箔包括材质的设计。我们知道一个电源他里面的内阻非常重要,电池在工作的时候,电源的出入电压在内阻上面电池等于电位减去一个外界的工作的电压,这个地方可以看到这样一个控制,这是一个正电极,这是一个负电极,我们这里选了一个正极,不同的设计可以用这样的方式去计算。因为每一个单位面积上不同的地方他的电流密度是不一样的,离他近的他的密度就大一点,远一点就小一点,所以作为电源电池的内阻来说,电流不一样,但是他的内阻是可以算出来的,内阻怎么算呢呢?在电池的时候,这个负极有锂离子,通过这个电液到这个正极上,然后电池通过这样的途径,从单位面积区域,他会沿这个走,通过外面的负载通过这样的途径过来,形成一个闭环,这个内阻我可以形象地表示为正极的内阻从这一段这样一个铝箔的一个内阻,电液的内阻,负极铜箔到这一段的内阻,还有他的接入电阻,这个内阻和什么有关呢?就和不同的极耳位置,我们的电池切成好多的小片,他不同的极耳位置在电池的时候,电流不一样,内阻不一样,这样一个方向我们可以把这个微单元所产生的热量,也就是电池在最后放电的时候,电池自身产生的热量,通过对电极的长度从70到79的细分得到这样一个一长串的值。我们通过采用不同铜箔的厚度,铝箔的厚度,包括他的极耳位置都能算出来这个值多少,这个值越大,证明我们电池在工作的时候,在内阻产生的热量越多,这个越不适合于整个大电流的放电,举个例子,可以画出好多图,就是这个极耳位置对电功率热效应的一个影响,这个X组是铜箔的厚度,W组是电池在工作的时候产生的热量。上面的蓝线就是一对一的传统设计的一个铜箔正极有一个在旁边,负极有一个在旁边,我要画这个图把这个固定了,在这种情况下,随着铜箔厚度增加,这个电功率一直在减少,铜箔加厚了,可以直接影响到他的电功率降低。但是如果我选了正极在中间,负极在两边这样的结构的话,几乎是我用的很薄的一个铜箔,仍然达到一个更好的电功率的特性。这是我举的一个简单的例子,这是在实际的设计里面,我们要根据客户的要求,同时还要根据我们工艺的要求,因为极耳越多越好了。

  这是铜箔的厚度对他的影响,蓝色的是正极在中间的一个极耳,负极在两边,这两个都是一样的,都是同样的极耳的位置的设计,从蓝线到绿线铝箔整体的线在降低,这个我们可以简单地优化,优化完了以后可以找出这个点来。

  对于负极的应用我们主要考虑负极的同向性,我们现在用的都是石墨负极,锂离子的插入他只能在层这个方向插入,如果充放电好的话,对锂电池快速充电不利。这是我们做的锂离子的负极,进行一个SRD的一个测试,取他的一个002/110这个分,这个值越低,表明石墨材料的取向性较低,更利于锂离子的快速插入和脱出。随着他的加大他的取向性更高,表明风更高。但是相比这两个材料来比,B材料更有利于锂离子的进入,在电动工具上更有他的优势。

  这个正极比较多了,这些体系在力神公司都有使用,在锰酸铝不同比例的材料,还有磷酸铁锂,相对来说安全性方面来说磷酸铁锂是最好的,循环寿命目前来说也是磷酸铁锂,价格来说锰酸铝现在相对来讲比较便宜,但是我觉得刚才演讲的嘉宾也说了,我觉得从本质上来说,这个大自然现有的元素来说有些材料应该还会发生很大的变化。这是电池的一个曲线图,从这个图上看磷酸铁锂这个平台明显低于其他的平台,所以我们在电池设计的时候,磷酸铁锂是单独使用的,不可以混合,其他材料都可以任意混合,达到我们所需要的效果。

  第三,我想讲一下我们18650型用于电动工具,他的内阻从25、14、11降到10.5,他的连续工作最大倍率从20安培现在提高了40安培,他的最大循环寿命从10安培到现在25安培,就是可以接近25安培的循环。容量基本上没有大的一个变化从1.2ah到1.4ah。BZ相对来说他的容量更高,用于轻型电动工具的一个电池,他有大的容量。M电池是我们用磷酸铁锂做的,是1.0ah,18650TP我们是钛酸铝做的一个电池,现在这个电池最大的特点就是能够快速地充放电,现在有一些特殊的场合也对这些电池表示出了兴趣。

  这是这个产品的一个交流内阻和直流内阻的一个对比,刚才我也说了这一块。

  这是一个用15毫安放电的一个曲线,AP和BE基本上用的同样一个体系,BI和BZ基本上用的另外一个体系,AM用的是磷酸铁锂。

  这是10安的放电曲线,右边这个轴是温升的增加,最后达到了40度。这是一个20安培的一个放电曲线,这是一个30安培的放电曲线,在这个时候只能够剩下BI、BE、AM了,其他的电池不能达到这个要求。像BI是30安培的放电,能量是86.5%,温升是3.6度,这是几个电池的循环寿命。AP是能够达到600次82%,这个是BE用15安培,4安培充15安培的话,能够达到400次82%,B54安培充20安培放,能够达到400次84%。BZ就是用10安培来放,能够300次达到90%。这个IM磷酸铁锂的电池能够达到1000次80%,这个都是用10安培放,1安充。我们最新这个产品是BX,它的容量保持了1.5安培,他是一个三元混合的一个体系,他能够连续放电最大是40安培的放电,40安培能够达到EC的104%,这个主要是由于温度的升高,温度升高以后电池的特性内阻会降低,他的容量会提高,这是一个循环寿命的曲线。

  这个是可以在25安培的放电,这个是30安培的放电的循环曲线,都表现得还是比较不错的。这是钛酸铝电池AP,这个容量目前是1安培,他最大的放量电流是30安培,他的循环也非常好,30安培放电的时候能达到90%的一个容量,循环寿命现在来看的话,达到1000次、2000次都是没有问题的。

  这是力神公司的一个新产品的一个开发流程,基本上要经过好几个步骤,客户需求的一个调查或者是研究客户需求,然后我们会对这个进行分析,然后项目的建立。我们还会因为一个小样的检定。第三步是设计阶段,就包括了产品的产品图,温差分析,产品的确认,还有包括第三方的确认。在第三阶段基本上设计会进行固化。第四个阶段就是准备,这里面就会产生一些在生产之前要把控制图做出来,还有WI这都是具体操作的,然后进行中试,进行最后生产过程的一个固化,最后进行一个大批量的生产。

  在这里面我们还有三次的安全评审,要经过安全委员会的一个评审。

  第四,我想讲一下未来18650型电动工具的一个发展。发展的方向还是非常清晰和简单的,就是要更加低的内阻,内阻还要低,同时还要比较大的一个发电电流就是内阻要给他低下来。尤其是循环,就是连续循环所用的电流要大,同时还要保持一个高的容量。(PPT)这是用在电动工具18650型的一个工具,从这个方面来看要增加功率,我们现在正在做的1.5安培的25安的一个循环,1.5安培的30的循环,同时还要增加容量,1.7上面要达到20安培和25安培这样产品的开发。另外对于一些轻型一点的工具高容量要进行开发。在一些材料方面,和其他的产品一样,正极的话还会采用一些更加高容量的材料,在负极方面,我觉得活性碳都有一些好的应用,尤其是混合、掺杂这些技术都会混合使用。

  第五,做一下总结,不同的电池与体系在力神都得到广泛的使用,其中正极包括磷酸铁锂、锰酸铝,负极主要是石墨和STO。力神产品的家族他可以满足不同客户对功率的需求。我们研发的方向还是要保持高的能量密度的情况下,要增大电池能够连续工作大量地放电的能力。谢谢大家!

  【主持人】我们有什么问题吗?还有谁想做一下评论。没有吗?那说明我们这个报告得非常好,所有人都明白了,非常好,感谢您的精彩报告。非常感谢您的报告,谢谢!

  【提问】我有一个问题,高总您好,刚才您给我们介绍一下18650型电池,我想我们印象都很深刻,但是就像您刚才说的,电池的内阻是很重要的,在这个电动工具电池上,您也很形象地给我们介绍了电池内阻的他的计算,可以这样讲,但是我觉得有一个问题,就是我们也是在做计算也好,研究也好,发现您刚才根本就没有体积个膜片对他的贡献,我们知道膜片都是比较低的,不知道您是怎么关心这个问题的,因为他的导热来讲应该是不太好的,这是一个很关键的问题。这是一个。

  另外,我想您看到有好几种正极材料都作为你的研发的对象,但是不同的材料的话,就是他会涉及到跟急流体的接触,接触的这个电阻的贡献您是怎么认为的。

  【高俊奎】第一个问题是膜片对电池电阻的贡献,这个很重要,我刚才说了优化要分好多部分,比如我对电极的优化,这里面单单说的是对极耳的优化,因为极耳的优化比较难做,你找供应商是非常难的。膜片这个是很重要的一部分,怎么做呢?可以去模拟,这上面没有涉及到,也可以通过试验来做。咱们在做好多工作的时候,是试验和理论都是互相促进的,有的是我先有这个试验结果了,我去解释他,有的是我实际非常难做,我直接做出来。我觉得这个膜片,刚才我说了你可以通过做配方的试验,导电器这些含量,包括粘密度这些都要做工作。

  【提问】您认为他的贡献是怎样的一个位置或者是比例?

  【高俊奎】贡献很大,非常大。

 
 
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