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1、若干电池前沿问题及未来电池发展方向,Central South University,中南大学化学化工学院刘素琴,2010/12/23,题 纲,1. 我国能源现状 2. 钒电池及其国内外研究现状3. 锂离子电池及其国内外研究现状4. 钠硫电池及其国内外研究现状,中国的能源现状,2007年，中国的石油进口突破2亿吨大关，50%依靠进口http:/ 122亿瓦；2020年将达到300 400亿瓦（短短几年中国目前世界风能发电第一）http:/en.wikipedia.org/wiki wind_power_in_china 2011年中国太阳能达到15亿瓦 (比2008年增加了5.96%)htt
2、p:/ 未来15年，我国电力需求年增长率达到5.87.2%上海 (1153.38亿 kWh)和东莞 (495.57亿 kWh) 2006年，上海最高用电负荷近2000万kW，峰谷差达40%http:/ (2010年达到1100亿 kWh)http:/ 环境友好,工作原理,国内外研究现状,1976年美国NASA提出氧化还原液流储能电池概念并开展研究；美国、日本、德国等国家主要研究铁/铬体系液流电池；1985年澳大利亚新南威尔士大学Marria Scallas-Kazacos等人首先研究了2+/3+和4+/5+氧化还原对在石墨电极上的电化学行为，开始了全钒体系的氧化还原电池研究；至90年代已研制出
3、电动高尔夫车用的电源、小型太阳能发电站的储能电源。其充放电转化效率高(电流效率90%)，自放电率低(年自放电低于10%) ；目前日本SEI正着手进行超大型(数10兆瓦级)储能系统研究。,1984年，澳大利亚新南威尔士大学Marria提出VRB概念；1993年，钒电池在太阳能储能（太阳屋）获得应用；1994年，钒电池应用在高尔夫电动车上，4kW钒电池在潜艇上作为备用电源试验；1985年起，日本住友电工（SEI）、鹿岛电力、三菱化学加入到VRB研发中，并于2001年取得重要进展；2001年，加拿大VRB Power System Corp Ltd在南非开发了250kW的VRB系统，取得了第一个商业
4、突破，此后在美国建成250kW/2MWh VRB系统。自此开创钒电池储能系统商业化应用的历史性局面。,VRB商业化进程,钒电池与太阳能示范系统组装的太阳能屋 （泰国）,用钒液流电池组装的高尔夫球车,澳大利亚钒电池研究进展,澳大利亚组装10 kW电堆,10 kW 的电堆，能量效率为 80%（自制隔膜，成本为Nafion膜的一半，导电塑料）,第二代钒电池（钒-溴电池）,相比第一代钒电池，新型的钒溴液流电池有较高的能量密度，扩展了钒电池在动力电源领域的应用,加拿大的钒电池研究进展,加拿大组装的钒电池系统实物图,5 kW （多小时）钒电池储能系统,(南卡罗来纳空军基地 60 kWhVRB-ESS系统)
5、,Riso国家实验室 （丹麦）120 kWhVRB-ESS系统,Winafrique （肯尼亚） 5 kWhVRB-ESS系统,Applications,Place,Specifications,Office building,Wind power station,Load leveling(Photovoltaic hybrid system),Golf course,Load leveling (Demonstration),100kW x 8h,Stabilization of windturbine output,170kW x 6h,30kW x 8h,2000,2000,2001,
6、Wind Farm,Wind storage,4 MW x 1.5 h,2006,South Africa,Load leveling (Field Test),250kW x 2h,2001,Delivery,住友电工，三菱化工，关西电力等,日本的钒电池研究进展,Battery boxes,Electrolyte Tanks (5-6 米高),1.5 MW-1 Hrs/3.0 MW-1.5sec VRB System,Sumitomo Electric Industries,日本NDPO（2003-2007年）4 兆瓦1.5 小时风能储存项目（北海道）,日本-关西电力200kW/800kWh
7、,3.1 清华大学与承德万利通集团,全钒液流电池和自动充放电监控系统,极板面积 300 500 ( mm2 ) 的液流电池实验电堆平台,我国钒电池研究进展承德万利通集团,我国工程物理研究院孟凡民课题组最早于20世纪九十年代末开展钒电池研究2002年，在攀钢集团公司重大科技攻关项目的支持下，中南大学开始研究钒电池，并先后于2003年、2004年、2005年分别组装出1kW、5kW和10kW的钒电池堆承德万利通集团从2005开始与国家“863计划”10 kW 级全钒液流电池课题承担单位之一的清华大学密切接触， 2008年与清华大学签订了“联合建立液流电池工程研究中心的合作协议书”。承德万利通集团正
8、在准备建设500兆瓦全钒液流储能电池项目，该项目总投资5.56亿元，钒电池装配车间计划2010年底完工。,10 kW10 钒电池储能系统,大连化学物理研究所：张华民,1 kW10 钒电池储能系统,10 kW 的单电堆,访问加拿大和日本,2005年访问日本住友电工,2006年访问加拿大,北京金能燃料电池有限公司：郑重德教授,金能用在自己的隔膜组装 25 kW 的电堆,一片，两片九十九， 一百,额定功率：25 KW 最大功率：100 kW,http:/ (吴正宇),在储能领域，全世界共有30家同类公司这个产业因该容纳3000家公司（吴正宇认为）北京汇能科技的口号：成本，成本，成本不惜一切压缩成本按
9、照目前的发展速度，到2020年中国风电装机容量将达到1.5亿千瓦。是一个上千亿元产值的机会。故此英国石油公司，青云创投，英特尔向汇能投资1000 万美金。今年7月， 国家电网投资国内首个风光储能系统张家口。200 亿元，开发75兆瓦的储能系统,Net Power Technology Co., Ltd.,PacifiCorp 公司 （VRB Power 公司实施）Winafrique 公司 （肯尼亚 VRB Power 公司实施）Riso国家实验室南卡罗来钠空军基地 （VRB Power 公司实施）加拿大国家研究委员会 （VRB Power 公司实施）Ben Gurion 大学 （以色列）阿拉
10、斯加大学,3.5 北京普能世纪科技有限公司,总裁：俞振华,Pruend Energy,普能现在正将原加拿大的制造基地迁往北京现已经开始往海外出售产品,普能世纪科技有限公司,湖南维邦新能源有限公司,高活性、稳定电解液制备技术低成本、高导电性导电塑料制备钒电池高效组装技术（在上述几个方面已申请国家发明专利18项）组装的5kW单电堆运行状况良好2011年与四十八所共建风光互补发电-钒电池储能系统,国内钒电池的其他信息,目前，无锡尚德相关负者人赴攀枝花钢铁集团访问，双方就共同打造 “中国太阳能-钒电池示范基地”进行了交流，并达成初步共识。2010年3月25日河北省召开中澳科技合作钒电池项目技术交流会，
11、河北省科技厅副厅长连小勇出席，澳大利亚新南威尔士大学钒电池项目研究部主任M. Skyllas-Kazacos,澳大利亚燃料电池有限公司董事长Michael Kazacos出席了会议。,锂离子电池原理及结构,锂离子电池发展的关键技术：正极材料负极材料隔膜电解液,锂离子电池的特点,高比能量 (180-200Wh/Kg)长循环寿命 (500-1000次)高电压 (3.6V)低自放电(6-8%/月)无记忆效应绿色能源,不断涌现的电子新产品需要性能更优的电源如：Apple公司出品iPod photo播放音乐最长达15小时；播放有音乐的幻灯片最长达 5 小时 APPLE的iBook 需用容量为: 3300
12、 mAh ，10.8 V的锂离子电池 市场期待己久的电动车需要功率更大的电池，因而出现了第二代的锂离子电池,第二代锂离子电池的特征： 大容量、高电压、长寿命、低价格第二代锂离子电池的R 以美囯能源部车用技术办公室支持的“先进运输用电池”项目（BATT）代表, 寿命达10年； 10年内容量衰退170wh/kg； 比功率 300w/kg； 成本 150$/kwh20k/年 (即每年每20k单元的价格 $150 ),BATT项目要求：低成本、大功率、长寿命, 正极 LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2材料； xLi2MO3(1-x)LiMO2复合材料，其中M= Mn, Ti, Zr, Ru ，M
13、= Li, Mn Ni, Co（替代LiCoO2） xLi2MO3(1-x)LiMO2，容量达190 mAh/g (50，100次充/放电)；xLi2MO3(1-x)LiMO2，容量达300 mAh/g( 4.61.45 V ) LiMPO4，LiMSO4F，LiMx(SiO4)y，M=Fe，Mn，V等,负极 a 镀碳石墨负极； b Sn、Sb基中间金属化合物负极： 如Sn箔，它比Cu6Sn5好，在100次充/放电下可逆电化学容量 大于300 mAh/g (2000 mAh/ml) c Li4Ti5O12,比功率(18秒内放电)：900 w/kg；能量密度：1450 w/l；比能量：75 wh/kg；循环寿命(25wh次)：300,000；使用寿命：15年；售价：但高于计划指标2-4倍,
