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18650鋰電池-鋰離子電池的發展裏程碑


發布時間:2011-02-24 21:05:31  來源:红杏视频。電子鋰電事業部 點擊次數:

18650電池指外殼使用65mm高,直徑為18mm的圓柱形鋼殼為外殼的鋰離子電池。自從上個世紀90年代索尼推出之後,這種型號的電池一直在生產,經久不衰。經過近20年的發展,目前製備工藝已經非常成熟,性能有了極大的提升,體積能量密度已經提高了將近4倍,而且成本在所有鋰離子電池中也是最低,目前早已走出了原來的筆記本電腦的使用領域,作為首選電池應用於動力及儲能領域。可以說,該型號電池的發展就是整個鋰離子電池工業發展的縮影。

一 既生瑜何生亮

二十世紀90年代初期,正是鎳氫電池剛剛問世,準備大展拳腳的時機。與更早的鎳鎘電池相比,鎳氫電池能量密度高、無重金屬汙染、記憶效應也不太明顯,被看做是一種非常優秀的可充電電池,大家的研究****很高,也都給予厚望。與此同時,使用鋰鋁合金為負極的鋰電池反而看起來沒有太大的吸引力。雖然鋰電池理論上性能更好,但是由於使用可燃性電解液,使用過程中產生的可怕的枝晶,設計者們一直小心翼翼。可是,擔心的還是來了, 1989年,配備了金屬鋰電池的NTT手機的連續起火事件沉重打擊了鋰電池研發者們,很多人一度產生了放棄的念頭。

滄海橫流方顯英雄本色,就在不到一年的時間內,19902月,索尼卻宣布一種新型鋰電池已經達到了使用水平,可以開始供貨。索尼之所以這麽自信,原因在於他們找到了解決負極枝晶的方法:負極使用焦炭取代鋰鋁合金材料,電池中隻有鋰離子,沒有金屬鋰。從此之後,鋰離子電池時代開始了,鎳氫電池悲劇了。

鋰離子電池在實用化之初的性能並非明顯高於當時的競爭對手鎳氫充電電池。1993年初的 18650鋰離子充電電池,其單位體積的能量密度為220Wh/L,僅比鎳氫充電電池的180Wh/L高出約20%。而且鋰離子充電電池還有諸多缺點,比如與幹電池間不具備電壓兼容性充電控製困難內部電阻高,不能以大電流進行充放電難以進行並聯,電池組很難實現大容量化。 然而,正如在上一篇博文中提到的那樣,電子產品廠商對與輕質量電池的追求已經到了發狂的地步。雖然鋰離子電池各種性能都不特別理想,僅憑能量密度為鎳氫電池的兩倍這一優點便受到了便攜終端廠商的廣泛青睞(這就意味著,在同樣的使用情況下,鋰離子電池的重量僅為鎳氫電池的一半)。到1991年以後,采用鋰離子充電電池的手機和攝像機相繼投放市場,開始蠶食鎳氫電池市場。很快,進入21世紀之後,便攜式電子產品市場上已經沒有了鎳氫。曾經的寵兒,在還沒有完全發揮其功能的情況下,黯然退出了曆史舞台。

二 容量,電壓

對於18650電池來說,電池體積已經固定,如何提高其容量成為了考驗研發人員的內容。要麽多往裏麵塞活性物質,要麽提高活性物質的克比容量。

索尼2004年底推出的“G8”係列通過增加電池單元中填充的活性物質,比該公司原來產品的容量提高了6%。一是通過改變圓筒型單元頂部與底部的形狀,使得插入電極在上下方向上比該公司原來產品長出1.2mm;另一個原因是提高正極材料的壓實密度,單位體積內可以放入更多的活性物質。隨後,20052月發表了新型鋰離子充電電池,通過改變正極與負極各自使用的材料,電池容量比該公司以前的產品提高了30

2005420日~22日於千葉幕張Messe會展中心舉辦的23屆馬達技術展上,鬆下電池工業在鬆下電器產業的展位上展出了采用鎳、錳、鈷複合材料和采用鎳、鈷、鋁複合材料為正極材料的鋰離子充電電池。前者高溫性能好,而且成本低,容量為2250mAh,單位體積的能量密度為480Wh/L,單位重量的能量密謀為185Wh/kg;後者將單位體積的能量密度提高到了600Wh /L,平均電壓為3.55V。容量方麵,終止電壓為2.7V時為2800mAh

2006年鬆下展出了麵向筆記本電腦、以LiNiCoAlO2為正極,容量為2.9Ah “NCR18650” 充電截止3.6V,放電終止電壓約+2.5V。並在“2007國際消費者電子產品展上,展出了該公司的3鋰電池,正極使用鈷係材料,負極用合金材料取代了石墨。體積能量密度提高到了740Wh/L,容量達到3.6Ah。而且,終止放電電壓降到了2.0V。由於可使用的電壓範圍變寬,其能量得以提升。 200912月,鬆下量產了新電池“NCR18650A”,除了正極材料與原產品“NCR18650”同樣使用鎳類材料之外,作為安全技術還在正負極之間配置了耐熱層(HRLHeat Resistance Layer)。HRL是與隔膜分開配置的。新電池改進了原來的正極材料及安全技術,因此作為18650尺寸電池實現了業界較高的容量(3.1Ah)。電壓仍與原來一樣同為3.6V,但體積能量密度由620Wh/L提高到了675Wh/L。因此,電流容量從2.9Ah提高至3.1Ah,電池容量由 10.4Wh提高至11.2Wh。重量由44g左右增至44.5g左右。

在碳材料的容量已經用到極限之後,鬆下開始使用新型負極材料。20091225日鬆下宣布,負極材料采用矽係合金的鋰離子充電電池即將達到實用水平。容量高達4.0Ah,將於2012年度開始量產。 正極采用鎳係材料,電壓稍低,為3.4V,但電池容量達13.6Wh。體積能量密度達到800Wh/L。重量約為54g,重量能量密度為251.9Wh /kg

此外,該公司還透露,負極材料和原來一樣仍采用石墨、正極材料實現高密度化、容量高達3.4Ah的電池也將達到實用水平。該產品的電壓為3.6V,電池容量為12.2Wh。體積能量密度為730Wh/L。重量約為46g,比采用矽係合金的電池略輕,重量能量密度高達265.2Wh/kg。據稱該電池將於2011年度開始量產。

不過,矽係合金是十分有前景的新一代材料這一點毋容置疑。日立麥克賽爾已經宣布了定於2009年度底進行量產的計劃。鬆下此次宣布產品化將會加速矽係合金的開發競爭

三星橫浜研究所與韓國三星SDI就使用由Li1.1V0.9O2LVO)和石墨混合作為負極試製了18650電池,當單元的負極材料為30%的Li1.1V0.9O2LVO)和70%的石墨混合而成,正極材料為LiCoO2時,終止電壓為3.0V,電流容量為3080mAh,單位體積的能量密度達到了695Wh/L。 該單元具有良好的充放電循環特性和低溫特性,500次充放電後仍可實現80%以上的容量維持率,而且在-10℃的低溫下可維持90%的放電容量。

三 總不能全用在筆記本上吧,幹點別的

隨著鋰離子電池的技術越來越成熟,成本越來越低,在完全占據鎳氫電池的便攜式電子設備市場後,開始走向儲能、動力等領域,進一步驅趕在此占據多年的鎳氫、鉛酸電池。在此過程中,18650作為鋰離子電池眾兄弟中的老大哥,更是充當了急先鋒的角色,通過不同的串並方式,向儲能和動力領域進軍。

首先先看看三洋電機的舉動:

應急便攜電源

三洋電機在200794日~6日舉辦的該公司展會上展出了應急便攜電源“KPS- L1”。這是07829日發布的產品。該產品的鋰離子充電電池在滿充狀態下,發生緊急情況時可供給130Wh的電能。外形尺寸為 200×70×250mm(容積:約3.5L)、重約2.9kg,較為輕小,可攜帶外出。鋰離子充電電池的電壓為25.2V、電流容量為5.1Ah。該產品配備21個(7串聯×3並聯)筆記本電腦等使用的圓筒型電池單元“18650”。鑒於該產品為應急用產品,為提高電源的可靠性和壽命,將充電電壓由普通的4.2V降至4V以下。因此,使用普通充電電壓的話,電流容量為1.9Ah左右的單元僅能供應1.7Ah左右的電力。

發電儲能、輕型電動車動力模塊

三洋電機後來又發布了兩種由多個18650鋰離子充電電池模塊:即麵向太陽能發電和風力發電的蓄電用途和備用電源等蓄電用途的“DCB-101”、以及麵向電動摩托車及電動輕型車等動力用途的“EVB-101”。據上篇博文中孜孜不倦地開發鋁殼鋰離子電池的雨堤徹同學稱,之所以采用通用18650電池,是因為其性能和安全性已經過市場驗證,能夠提高通用性。他介紹說,電池壽命在完全充放電的情況下為7001000次,量產具有成本優勢

蓄電用DCB-101是將312個單元按13串聯×24並聯配置而成的。模塊電壓平均為48V3952V),電池容量為33.6Ah,電容量為1613Wh。最大輸出功率約為1.5kW。單元是采用普通的“UR 18650Y”製成的。每個單元的電池容量為1900mAh。模塊的外形尺寸為438mm×386mm×80mm,支持通用的19英寸服務器機櫃。重約 19kg

動力用EVB-101是將84個單元按14串聯×6並聯配置而成的。其特點是最大輸出功率高,最高時為5.2kW,連續供電時為1.5kW。單元是采用電池容量為2050mAh的電動助力自行車用高功率單元“UR 18650E”製成的。另外,通過比DCB-101增加串聯配置的比例,提高了輸出功率。模塊電壓為50.4V42.057.4V),電池容量為 10.8Ah,電容量為544Wh。雨堤徹介紹稱,比如,配備於電動踏板摩托車時的持續行駛距離因條件而異,不過配備一個單元時,能夠行駛 1015km左右。配備23個單元時,能夠行駛3050km”。模塊的外形尺寸為366mm×213mm×66mm,重約7kg

信號燈電源

三洋電機還開發出了即便因自然災害等而出現停電時,也可以由鋰離子充電電池向信號燈供電的備用電源鋰離子電池係統。現已通過信號燈廠商——日本信號公司,安裝到了日本德島縣警察總部(德島縣警)。這是德島縣首次采用鋰離子充電電池作為信號燈的備用電源。備用電源的外形尺寸為230mm×370mm×190mm,重量約為19kg。設置在負荷為500W左右的標準十字路口時,即使停電也可供電2小時30分鍾左右。

新產品配備的鋰離子充電電池連接了321個 “18650”。單元數量與三洋電機預定從20103月開始量產的蓄電用大容量鋰離子充電電池係統“DCB-101”相同。三洋電機表示,兩個係統共用了部分部件,並采用了充電控製係統等。

還是儲能

三洋電機2010827日宣布,將向支持KDDI與衝繩移動電話(Okinawa Cellular)從20108月下旬開始的新供電方式的部分au手機基站現場試驗,提供蓄電用鋰(Li)離子電池係統(圖)。將夜間的剩餘電力存儲在蓄電池中,作為自然災害等導致停電時的備用電源使用。三洋電機提供的是KDDI在琦玉縣和愛媛縣實施的現場試驗。 該係統組合使用了多塊18650而成。每台電池容量為33.6Ah,總電量為1613Wh,尺寸為438×386×80mm,重量約為19kg。從 2010春季開始,其作為可應用於該公司SES(組合了智能能源係統、太陽能電池和充電電池、以及商用設備技術的係統)的蓄電用標準電池係統(DCB- 101已量產。

三洋電機向20101018日對媒體開放的加西綠色能源園導入了1.5MWh的鋰離子充電電池。 此次導入了約10002010年春開始銷售的大容量電池係統。該係統外形尺寸和DVD錄像機差不多,容量為1.6kWh。每個係統配備312個 “185650”。整個加西業務所總共設置了約31萬個這樣的單元。 另外,還專門開發了可統一管理這些控製器、能夠像控製1個電池一樣來控製800台電池係統的電池管理係統(BMS。三洋電機表示,與BMS相關的專利已申請了54件。

接下來,鬆下

鬆下在“CEATEC JAPAN 2009”上展出了采用14018650的鋰離子充電電池模塊,用於住宅及電動汽車等大容量蓄電用途。由於采用與筆記本電腦相同的電池單元,因此能夠使用批量生產的原有設備,與采用專門麵向汽車用途的單元相比,成本可減半。 電池模塊是將電池單元以20並聯×7串聯的結構配置而成的。模塊電壓為25.2V,電池容量為58Ah,電容量約為1.5kWh。模塊重約8kg,容積約為7L。負極材料沒有公布,但正極采用的是鎳(Ni)類材料。如果串聯12個這樣的模塊,則可確保EV通常所需的300V電壓以及18kWh電池容量。順便提一下,三菱汽車“i-MiEV”的電池電壓為330V,電池容量為16kWh。現在,圓筒形電池單元在市場上有售,電池容量為2900mAh。為提高電池單元的安全性,在電極極板表麵設置了氧化鋁絕緣層“HRLheat resistance layer”。並且,降低了充電電壓。此外,在保持單元間平衡的電源電路和監視單元工作狀態等方麵應用了鬆下的獨自經驗。

鬆下表示,希望使筆記本電腦用電池單元在家用蓄電池及EV等廣泛領域實現通用化,借此來降低成本。模塊單體的價格設定在5萬~10萬日元。包括模塊中內置的電池監視單元在內,(價格)會降低到現有EV電池的一半以下

索尼

索尼2010622日宣布,開發出了正極材料采用磷酸鐵鋰的鋰離子充電電池模塊。電壓為51.2V,電力容量為1.2kWh。最大輸出功率為2.5kW。用於數據服務器用備用電源和太陽能發電等的蓄電等定置用途。模塊的外形尺寸為 431mm×420mm×79mm,重量約為17kg。可以串聯及並聯多塊模塊,因此能夠根據用途改變電壓和電力容量。模塊將在索尼能源設備(Sony Energy Devices)的郡山事務所(福島縣郡山市)生產。 采用LiFePO42的單元電壓為3.2V左右,因此估計電池模塊中串聯了16個單元。並聯數量方麵,為實現375Ah需要並聯連接單元,按照目前正在銷售的18650單元來推算的話,需要並聯341個。如果此次索尼新開發出了大容量單元,則5Ah單元需要並聯75個,15Ah單元需要並聯25個。

電動摩托車

雅馬哈發動機的新款電動摩托車“EC-03”采用了三洋電機製造的鋰離子充電電池作為驅動用電源。電池模塊的外形尺寸為352mm×204mm×76.4mm,重量約為6.8kg。首先由1418650串聯成組,然後再並聯8個這樣的電池組構成電池模塊,整個電池模塊共計采用了112“18650”單元。 電池模塊的額定電壓為50V,電流容量為14Ah。因此,估計內部使用的18650”單元的額定電壓約為3.6V,容量為1750Ah。電池壽命方麵,當放電深度(DOD)為100%、反複進行500次充放電時,估計容量會降至70%左右。在經營該電池的銷售店更換電池模塊時,包括手續費在內的費用預計為75000日元。

鈴木2010924日宣布,開發出了電動踏板摩托車的試製車型“e-Let's”,計劃開始啟動公路實證試驗。e-Let's以電動自行車“Let's4 Basket”為原型開發。雖然配備了可進行再生充電的輪內馬達、鋰離子充電電池組及控製電路,車身重量卻隻有74kg,與原型車相當。電池組為可拆卸式,利用100V的家用電源,約4個小時即可充滿電。充電一次可行駛約30km30km/h實車試驗場行駛時)。 該車也是采用了三洋電機的18650。電池組的容量及電壓不清楚,根據充電一次可行駛30km這一點來推測,估計容量超過500Wh。假設每個單元的額定電壓約為3.6V,容量為1750Ah,電池組的額定電壓為50V,便可推算出電池組采用了14串聯×6並聯共84個單元。

四 红杏软件的目標:電動汽車

使用在EV的鋰離子充電電池比起使用在手機中的大多了。手機中的電池容量隻有重覆使用3Wh,而單一混合動力車的電池組大約是1kWh,大約是500倍。電動車為20kWh,代表至少多了1萬倍麵對這樣的情況,該怎麽辦呢。是不是要開發一個滿足汽車使用要求的超級巨無霸電池,像手機一樣扣在車上?顯然是不可能的。目前對於到底使用什麽樣的電池,大家心裏都沒譜,也沒有什麽標準。有的人說研究吧,投入上3-5年的時間,肯定能搞出來,但是成本就不敢說了。還有人說,18650红杏视频已經做的爐火純青了,價格也便宜,幹脆還是用它,大不了弄個複雜點的電池管理係統。於是,就出現了三洋、鬆下等電池廠商使用18650開發電動汽車用的動力模塊。

有很多汽車廠商還真是買賬,美國泰斯拉汽車(Tesla Motors)在2009113日底特律車展新聞發布會上宣布,將供應采用18650的電池組。該電池由日本廠商提供,並沒有公布廠商名稱,但是看到鬆下2010114日宣布已經向美國電動汽車(EV)風險企業泰斯拉汽車(Tesla Motors)公司出資3000萬美元。出資比例約占泰斯拉公司2%的股份,相信這個廠家也就不言自明了。
寶馬的MINI E配備35kWh容量“18650鋰離子充電電池,實用續航距離為180km,遠遠短於汽油車。但是,實際試驗結果表明,日平均行駛距離為 37.8km,這與2008年德國城市地區的日平均行駛距離36km相差不大。普通車輛的日平均行駛距離方麵,雖然116i42kmMINI Cooper43.5km,都比MINI E長,但此次的結果表明,從實用角度來說,電動汽車同樣可充分滿足需求。

國內的比克電池在麵向電動汽車用途,開發采用LiNi-Mn-CoO23元係)的 18650“18650”由並聯53個單元形成單元組,然後串聯兩個這樣的單元組形成的“2s53p”模塊為基礎,連接50“2s53p”模塊可以形成35kWh容量、400V電壓的電池組。該公司目前正麵向北美市場考慮推出這樣的電池組。該電池現已配備於中國東風裕隆在本屆EVS25上發布的 EV“LUXGEN EV”上。電池的正極材料采用Co-Ni-Mn係即3元係。每個單元的電流容量為2Ah,重量為45g。向東風裕隆供應的電池模塊並聯設置了53個單元。電流容量為106Ah,電壓為7.2V。模塊的外形尺寸為266mm×245mm×72mm

不是總結的總結

18650的組合加速了鋰離子電池在動力領域和儲能領域的應用。然而,電池本身還應該如何走下去呢?就在日本人還在為進一步提高電池容量而埋頭苦幹,開發3000mAh以上的電池,突然發現客戶們對單體電池的容量已經不再苛求,現在大家更加關注的是成本,目前2200mAh的容量貌似已經夠用了。2200mAh18650是韓國廠商最為擅長的領域,他們可以做到1Wh16日元~17日元,而低於目前平均的20日元/Wh,也遠低於以前汽車廠商希望的50日元/Wh。這一點著實讓日本廠商感到了危機和空前的壓力。。。。。。

 
 
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