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我國科學(xué)院物理研究所李泓:高能量密度鋰電池的研發(fā)進(jìn)展

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:505次  |  2023年10月10日  

十二月七日-八日,以"創(chuàng)新驅(qū)動、技術(shù)引領(lǐng)"為主題的2018第六屆"汽車和環(huán)境"創(chuàng)新論壇在上?!ぐ餐ふ脚e辦。本次論壇完整覆蓋汽車行業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的研討,旨在進(jìn)一步促進(jìn)整車公司和零部件公司之間對技術(shù)發(fā)展趨勢的探討、加強(qiáng)汽車行業(yè)專家之間的交流互動、增強(qiáng)整車和零部件公司的交流、搭建合作平臺,通過活動促進(jìn)汽車零部件產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新轉(zhuǎn)型升級、打造更具競爭力的整零協(xié)同創(chuàng)新關(guān)系,助力實(shí)現(xiàn)向汽車強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變。以下是我國科學(xué)院物理研究所研究員李泓在本次論壇上的發(fā)言:


我國科學(xué)院物理研究所研究員李泓


電池本身在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用很多,這里必然要用到先進(jìn)的電池技術(shù),特別是在交通工具上,包括海陸空天各種交通工具都在逐漸電動化。電動汽車在不斷發(fā)展,我們期待著今后續(xù)航里程能達(dá)500公里,15分鐘之內(nèi)完成一次充電,具有更長的循環(huán)壽命,更高的安全性,滿足車網(wǎng)互聯(lián)應(yīng)用要求的動力鋰電池發(fā)展起來,但目前的電池技術(shù)還不能很好的滿足所有需求,要改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)或者發(fā)展新的電池。


在安全性、可靠性保障的基礎(chǔ)上,能量密度、循環(huán)壽命、成本是動力鋰電池開發(fā)的核心目標(biāo)。


從能量密度上看,目前300Wh/kg是行業(yè)技術(shù)指標(biāo),不過各國政府提出了更高的研發(fā)目標(biāo):400Wh/kg甚至500Wh/kg。提高能量密度的策略依賴于鋰電池關(guān)鍵材料技術(shù)的不斷升級。同時(shí)通過正負(fù)極材料及其他材料的組合形成不斷發(fā)展的電池體系,滿足不同客戶需求。

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充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

提升能量密度后,同體積或同質(zhì)量的高能量密度電芯釋放熱量也較多。此外,高能量密度電芯目前循環(huán)性、功率密度普遍不佳。功率密度提高的時(shí)候,電流比較大,內(nèi)部放熱比較多,而高熱情況下容易熱失控。另一方面高的電流密度會引起材料結(jié)構(gòu)損傷,這樣影響循環(huán)性。不斷提高能量密度,要解決熱失控的問題,目前離這個(gè)目標(biāo)還有相當(dāng)遠(yuǎn)的距離。


在電芯安全性方面,公司想了很多辦法,重要問題就是正極,特別是三元材料在高溫容易釋放氧氣,這個(gè)氧氣跟電解液發(fā)熱。采用不燃燒的電解液雖然好,但完全不燃燒的電解液性能又不太好,所以另一個(gè)思路就是能不能徹底更換為固態(tài)電解質(zhì)的電池,這個(gè)方面還要進(jìn)一步的論證和驗(yàn)證。


出于這樣的考慮,在2008年的時(shí)候日本政府提出來,未來電池應(yīng)該走向全固態(tài),和此同時(shí)解決液態(tài)電池的其他很多問題,如漏液、界面不穩(wěn)定、爆炸性等問題。今年六月十五日,日本NEDO又公布了一個(gè)9000萬美元的項(xiàng)目,聯(lián)合了38家單位,包括三個(gè)最大的車企,還有電池公司、材料公司及十五家研發(fā)機(jī)構(gòu)和大學(xué)共同開發(fā)固態(tài)電池。這里面重要的出發(fā)點(diǎn)是固態(tài)電解質(zhì)不燃燒,熱穩(wěn)定性好,他們的目的就是要解決基礎(chǔ)的技術(shù)問題,開發(fā)元器件,對元器件進(jìn)行評價(jià),充分的了解元器件的性能耐久性和安全性。而最終目的是以日本為主導(dǎo)來推進(jìn)國際標(biāo)準(zhǔn)化。今年德國政府投資10億歐元投資推動這個(gè)項(xiàng)目,可見這方面競爭的激烈。在討論之前要說明,假如電池里面不含任何液體就是全固態(tài),假如有液體就是混合固液。有關(guān)客戶來說關(guān)心的是性能,叫什么概念不是決定性的。


再來看下固態(tài)鋰電池的分類,全世界大概有四類全固態(tài)電池,一類是聚合物全固態(tài)鋰電池、它的重要短板就是必須在60度以上工作,容易短路。一類是薄膜全固態(tài)鋰電池、該電池循環(huán)性好,適應(yīng)高電壓,但不易放大。第三類是硫化物全固態(tài)鋰電池,還有一類是氧化物全固態(tài)鋰電池,安全性還可以,做到大容量還沒有完全實(shí)現(xiàn)。因此,全固態(tài)鋰電池到最后應(yīng)用還有比較遠(yuǎn)的距離,重要是科學(xué)上的解決方法尚未完全明確,這里不細(xì)說了。


除了全固態(tài)之外,假如降低液體電解液含量,逐漸降低到很少,會不會安全性顯著提高,這個(gè)答案是顯而易見的。2016年東芝公司的解決方法中,有3.2%wt的液體,針刺溫升只有1度,用的固體電解質(zhì)是鋰鑭鋯氧的顆粒膜、3微米的涂層。從這上面可以看到少量的液體可以兼顧動力學(xué)和安全性以及循環(huán)性的要求,受這種啟發(fā),開發(fā)還有很多可能性。

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標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測繪、無人設(shè)備

最后介紹一下我們的工作,中科院物理所1976年開始開發(fā)全固態(tài)電池,后來索尼公司成功商業(yè)化鋰電池后,物理所也轉(zhuǎn)到了液態(tài)鋰電池的研究。在這個(gè)過程中創(chuàng)辦了一系列的公司,包括蘇州星恒。開發(fā)的大容量動力鋰電池和儲能電池時(shí)認(rèn)識到安全性的重要性,所以開始回過頭做固態(tài)電池,我們在同步開發(fā)基于原位固態(tài)化的混合固液電解質(zhì)電池技術(shù)以及全固態(tài)電池技術(shù)。從應(yīng)用角度考慮,固態(tài)電池的商業(yè)化是一個(gè)漫長的過程,一般來說,現(xiàn)在完成了A樣,做到SOP至少要三年,整車驗(yàn)證嚴(yán)格的話至少要15個(gè)月,這樣假設(shè)2109年能供應(yīng)A樣,最快2023年裝車量產(chǎn)?,F(xiàn)在A樣能完成系統(tǒng)測試的幾乎沒有,因此最快也就是2023年到2025年混合固液電解質(zhì)電池能量產(chǎn)裝車,2025年全固態(tài)開始裝車。我們今年采用混合固液電解質(zhì)電池裝了兩部車,電池包大概是206瓦時(shí)每公斤的水平。這只是上車測試,離量產(chǎn)還有很遠(yuǎn)。為了推動技術(shù)的發(fā)展,我們現(xiàn)在逐步向中試發(fā)展。我們溧陽的天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院做了研制,溧陽還有一個(gè)電池的中試基地,希望大家一起合作。


謝謝大家!



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