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18650锂电池-锂离子电池的发展里程碑


发布时间:2011-2-24 21:05:31  来源:钜大电子锂电事业部 点击次数:

18650电池指外壳使用65mm高,直径为18mm的圆柱形钢壳为外壳的锂离子电池。自从上个世纪90年代索尼推出之后,这种型号的电池一直在生产,经久不衰。经过近20年的发展,目前制备工艺已经非常成熟,性能有了极大的提升,体积能量密度已经提高了将近4倍,而且成本在所有锂离子电池中也是最低,目前早已走出了原来的笔记本电脑的使用领域,作为首选电池应用于动力及储能领域。可以说,该型号电池的发展就是整个锂离子电池工业发展的缩影。

一 既生瑜何生亮

二十世纪90年代初期,正是镍氢电池刚刚问世,准备大展拳脚的时机。与更早的镍镉电池相比,镍氢电池能量密度高、无重金属污染、记忆效应也不太明显,被看做是一种非常优秀的可充电电池,大家的研究****很高,也都给予厚望。与此同时,使用锂铝合金为负极的锂电池反而看起来没有太大的吸引力。虽然锂电池理论上性能更好,但是由于使用可燃性电解液,使用过程中产生的可怕的枝晶,设计者们一直小心翼翼。可是,担心的还是来了, 1989年,配备了金属锂电池的NTT手机的连续起火事件沉重打击了锂电池研发者们,很多人一度产生了放弃的念头。

沧海横流方显英雄本色,就在不到一年的时间内,19902月,索尼却宣布一种新型锂电池已经达到了使用水平,可以开始供货。索尼之所以这么自信,原因在于他们找到了解决负极枝晶的方法:负极使用焦炭取代锂铝合金材料,电池中只有锂离子,没有金属锂。从此之后,锂离子电池时代开始了,镍氢电池悲剧了。

锂离子电池在实用化之初的性能并非明显高于当时的竞争对手镍氢充电电池。1993年初的 18650锂离子充电电池,其单位体积的能量密度为220Wh/L,仅比镍氢充电电池的180Wh/L高出约20%。而且锂离子充电电池还有诸多缺点,比如与干电池间不具备电压兼容性充电控制困难内部电阻高,不能以大电流进行充放电难以进行并联,电池组很难实现大容量化。 然而,正如在上一篇博文中提到的那样,电子产品厂商对与轻质量电池的追求已经到了发狂的地步。虽然锂离子电池各种性能都不特别理想,仅凭能量密度为镍氢电池的两倍这一优点便受到了便携终端厂商的广泛青睐(这就意味着,在同样的使用情况下,锂离子电池的重量仅为镍氢电池的一半)。到1991年以后,采用锂离子充电电池的手机和摄像机相继投放市场,开始蚕食镍氢电池市场。很快,进入21世纪之后,便携式电子产品市场上已经没有了镍氢。曾经的宠儿,在还没有完全发挥其功能的情况下,黯然退出了历史舞台。

二 容量,电压

对于18650电池来说,电池体积已经固定,如何提高其容量成为了考验研发人员的内容。要么多往里面塞活性物质,要么提高活性物质的克比容量。

索尼2004年底推出的“G8”系列通过增加电池单元中填充的活性物质,比该公司原来产品的容量提高了6%。一是通过改变圆筒型单元顶部与底部的形状,使得插入电极在上下方向上比该公司原来产品长出1.2mm;另一个原因是提高正极材料的压实密度,单位体积内可以放入更多的活性物质。随后,20052月发表了新型锂离子充电电池,通过改变正极与负极各自使用的材料,电池容量比该公司以前的产品提高了30

2005420日~22日于千叶幕张Messe会展中心举办的23届马达技术展上,松下电池工业在松下电器产业的展位上展出了采用镍、锰、钴复合材料和采用镍、钴、铝复合材料为正极材料的锂离子充电电池。前者高温性能好,而且成本低,容量为2250mAh,单位体积的能量密度为480Wh/L,单位重量的能量密谋为185Wh/kg;后者将单位体积的能量密度提高到了600Wh /L,平均电压为3.55V。容量方面,终止电压为2.7V时为2800mAh

2006年松下展出了面向笔记本电脑、以LiNiCoAlO2为正极,容量为2.9Ah “NCR18650” 充电截止3.6V,放电终止电压约+2.5V。并在“2007国际消费者电子产品展上,展出了该公司的3锂电池,正极使用钴系材料,负极用合金材料取代了石墨。体积能量密度提高到了740Wh/L,容量达到3.6Ah。而且,终止放电电压降到了2.0V。由于可使用的电压范围变宽,其能量得以提升。 200912月,松下量产了新电池“NCR18650A”,除了正极材料与原产品“NCR18650”同样使用镍类材料之外,作为安全技术还在正负极之间配置了耐热层(HRLHeat Resistance Layer)。HRL是与隔膜分开配置的。新电池改进了原来的正极材料及安全技术,因此作为18650尺寸电池实现了业界较高的容量(3.1Ah)。电压仍与原来一样同为3.6V,但体积能量密度由620Wh/L提高到了675Wh/L。因此,电流容量从2.9Ah提高至3.1Ah,电池容量由 10.4Wh提高至11.2Wh。重量由44g左右增至44.5g左右。

在碳材料的容量已经用到极限之后,松下开始使用新型负极材料。20091225日松下宣布,负极材料采用硅系合金的锂离子充电电池即将达到实用水平。容量高达4.0Ah,将于2012年度开始量产。 正极采用镍系材料,电压稍低,为3.4V,但电池容量达13.6Wh。体积能量密度达到800Wh/L。重量约为54g,重量能量密度为251.9Wh /kg

此外,该公司还透露,负极材料和原来一样仍采用石墨、正极材料实现高密度化、容量高达3.4Ah的电池也将达到实用水平。该产品的电压为3.6V,电池容量为12.2Wh。体积能量密度为730Wh/L。重量约为46g,比采用硅系合金的电池略轻,重量能量密度高达265.2Wh/kg。据称该电池将于2011年度开始量产。

不过,硅系合金是十分有前景的新一代材料这一点毋容置疑。日立麦克赛尔已经宣布了定于2009年度底进行量产的计划。松下此次宣布产品化将会加速硅系合金的开发竞争

三星横浜研究所与韩国三星SDI就使用由Li1.1V0.9O2LVO)和石墨混合作为负极试制了18650电池,当单元的负极材料为30%的Li1.1V0.9O2LVO)和70%的石墨混合而成,正极材料为LiCoO2时,终止电压为3.0V,电流容量为3080mAh,单位体积的能量密度达到了695Wh/L。 该单元具有良好的充放电循环特性和低温特性,500次充放电后仍可实现80%以上的容量维持率,而且在-10℃的低温下可维持90%的放电容量。

三 总不能全用在笔记本上吧,干点别的

随着锂离子电池的技术越来越成熟,成本越来越低,在完全占据镍氢电池的便携式电子设备市场后,开始走向储能、动力等领域,进一步驱赶在此占据多年的镍氢、铅酸电池。在此过程中,18650作为锂离子电池众兄弟中的老大哥,更是充当了急先锋的角色,通过不同的串并方式,向储能和动力领域进军。

首先先看看三洋电机的举动:

应急便携电源

三洋电机在200794日~6日举办的该公司展会上展出了应急便携电源“KPS- L1”。这是07829日发布的产品。该产品的锂离子充电电池在满充状态下,发生紧急情况时可供给130Wh的电能。外形尺寸为 200×70×250mm(容积:约3.5L)、重约2.9kg,较为轻小,可携带外出。锂离子充电电池的电压为25.2V、电流容量为5.1Ah。该产品配备21个(7串联×3并联)笔记本电脑等使用的圆筒型电池单元“18650”。鉴于该产品为应急用产品,为提高电源的可靠性和寿命,将充电电压由普通的4.2V降至4V以下。因此,使用普通充电电压的话,电流容量为1.9Ah左右的单元仅能供应1.7Ah左右的电力。

发电储能、轻型电动车动力模块

三洋电机后来又发布了两种由多个18650锂离子充电电池模块:即面向太阳能发电和风力发电的蓄电用途和备用电源等蓄电用途的“DCB-101”、以及面向电动摩托车及电动轻型车等动力用途的“EVB-101”。据上篇博文中孜孜不倦地开发铝壳锂离子电池的雨堤彻同学称,之所以采用通用18650电池,是因为其性能和安全性已经过市场验证,能够提高通用性。他介绍说,电池寿命在完全充放电的情况下为7001000次,量产具有成本优势

蓄电用DCB-101是将312个单元按13串联×24并联配置而成的。模块电压平均为48V3952V),电池容量为33.6Ah,电容量为1613Wh。最大输出功率约为1.5kW。单元是采用普通的“UR 18650Y”制成的。每个单元的电池容量为1900mAh。模块的外形尺寸为438mm×386mm×80mm,支持通用的19英寸服务器机柜。重约 19kg

动力用EVB-101是将84个单元按14串联×6并联配置而成的。其特点是最大输出功率高,最高时为5.2kW,连续供电时为1.5kW。单元是采用电池容量为2050mAh的电动助力自行车用高功率单元“UR 18650E”制成的。另外,通过比DCB-101增加串联配置的比例,提高了输出功率。模块电压为50.4V42.057.4V),电池容量为 10.8Ah,电容量为544Wh。雨堤彻介绍称,比如,配备于电动踏板摩托车时的持续行驶距离因条件而异,不过配备一个单元时,能够行驶 1015km左右。配备23个单元时,能够行驶3050km”。模块的外形尺寸为366mm×213mm×66mm,重约7kg

信号灯电源

三洋电机还开发出了即便因自然灾害等而出现停电时,也可以由锂离子充电电池向信号灯供电的备用电源锂离子电池系统。现已通过信号灯厂商——日本信号公司,安装到了日本德岛县警察总部(德岛县警)。这是德岛县首次采用锂离子充电电池作为信号灯的备用电源。备用电源的外形尺寸为230mm×370mm×190mm,重量约为19kg。设置在负荷为500W左右的标准十字路口时,即使停电也可供电2小时30分钟左右。

新产品配备的锂离子充电电池连接了321个 “18650”。单元数量与三洋电机预定从20103月开始量产的蓄电用大容量锂离子充电电池系统“DCB-101”相同。三洋电机表示,两个系统共用了部分部件,并采用了充电控制系统等。

还是储能

三洋电机2010827日宣布,将向支持KDDI与冲绳移动电话(Okinawa Cellular)从20108月下旬开始的新供电方式的部分au手机基站现场试验,提供蓄电用锂(Li)离子电池系统(图)。将夜间的剩余电力存储在蓄电池中,作为自然灾害等导致停电时的备用电源使用。三洋电机提供的是KDDI在琦玉县和爱媛县实施的现场试验。 该系统组合使用了多块18650而成。每台电池容量为33.6Ah,总电量为1613Wh,尺寸为438×386×80mm,重量约为19kg。从 2010春季开始,其作为可应用于该公司SES(组合了智能能源系统、太阳能电池和充电电池、以及商用设备技术的系统)的蓄电用标准电池系统(DCB- 101已量产。

三洋电机向20101018日对媒体开放的加西绿色能源园导入了1.5MWh的锂离子充电电池。 此次导入了约10002010年春开始销售的大容量电池系统。该系统外形尺寸和DVD录像机差不多,容量为1.6kWh。每个系统配备312个 “185650”。整个加西业务所总共设置了约31万个这样的单元。 另外,还专门开发了可统一管理这些控制器、能够像控制1个电池一样来控制800台电池系统的电池管理系统(BMS。三洋电机表示,与BMS相关的专利已申请了54件。

接下来,松下

松下在“CEATEC JAPAN 2009”上展出了采用14018650的锂离子充电电池模块,用于住宅及电动汽车等大容量蓄电用途。由于采用与笔记本电脑相同的电池单元,因此能够使用批量生产的原有设备,与采用专门面向汽车用途的单元相比,成本可减半。 电池模块是将电池单元以20并联×7串联的结构配置而成的。模块电压为25.2V,电池容量为58Ah,电容量约为1.5kWh。模块重约8kg,容积约为7L。负极材料没有公布,但正极采用的是镍(Ni)类材料。如果串联12个这样的模块,则可确保EV通常所需的300V电压以及18kWh电池容量。顺便提一下,三菱汽车“i-MiEV”的电池电压为330V,电池容量为16kWh。现在,圆筒形电池单元在市场上有售,电池容量为2900mAh。为提高电池单元的安全性,在电极极板表面设置了氧化铝绝缘层“HRLheat resistance layer”。并且,降低了充电电压。此外,在保持单元间平衡的电源电路和监视单元工作状态等方面应用了松下的独自经验。

松下表示,希望使笔记本电脑用电池单元在家用蓄电池及EV等广泛领域实现通用化,借此来降低成本。模块单体的价格设定在5万~10万日元。包括模块中内置的电池监视单元在内,(价格)会降低到现有EV电池的一半以下

索尼

索尼2010622日宣布,开发出了正极材料采用磷酸铁锂的锂离子充电电池模块。电压为51.2V,电力容量为1.2kWh。最大输出功率为2.5kW。用于数据服务器用备用电源和太阳能发电等的蓄电等定置用途。模块的外形尺寸为 431mm×420mm×79mm,重量约为17kg。可以串联及并联多块模块,因此能够根据用途改变电压和电力容量。模块将在索尼能源设备(Sony Energy Devices)的郡山事务所(福岛县郡山市)生产。 采用LiFePO42的单元电压为3.2V左右,因此估计电池模块中串联了16个单元。并联数量方面,为实现375Ah需要并联连接单元,按照目前正在销售的18650单元来推算的话,需要并联341个。如果此次索尼新开发出了大容量单元,则5Ah单元需要并联75个,15Ah单元需要并联25个。

电动摩托车

雅马哈发动机的新款电动摩托车“EC-03”采用了三洋电机制造的锂离子充电电池作为驱动用电源。电池模块的外形尺寸为352mm×204mm×76.4mm,重量约为6.8kg。首先由1418650串联成组,然后再并联8个这样的电池组构成电池模块,整个电池模块共计采用了112“18650”单元。 电池模块的额定电压为50V,电流容量为14Ah。因此,估计内部使用的18650”单元的额定电压约为3.6V,容量为1750Ah。电池寿命方面,当放电深度(DOD)为100%、反复进行500次充放电时,估计容量会降至70%左右。在经营该电池的销售店更换电池模块时,包括手续费在内的费用预计为75000日元。

铃木2010924日宣布,开发出了电动踏板摩托车的试制车型“e-Let's”,计划开始启动公路实证试验。e-Let's以电动自行车“Let's4 Basket”为原型开发。虽然配备了可进行再生充电的轮内马达、锂离子充电电池组及控制电路,车身重量却只有74kg,与原型车相当。电池组为可拆卸式,利用100V的家用电源,约4个小时即可充满电。充电一次可行驶约30km30km/h实车试验场行驶时)。 该车也是采用了三洋电机的18650。电池组的容量及电压不清楚,根据充电一次可行驶30km这一点来推测,估计容量超过500Wh。假设每个单元的额定电压约为3.6V,容量为1750Ah,电池组的额定电压为50V,便可推算出电池组采用了14串联×6并联共84个单元。

四 我们的目标:电动汽车

使用在EV的锂离子充电电池比起使用在手机中的大多了。手机中的电池容量只有重覆使用3Wh,而单一混合动力车的电池组大约是1kWh,大约是500倍。电动车为20kWh,代表至少多了1万倍面对这样的情况,该怎么办呢。是不是要开发一个满足汽车使用要求的超级巨无霸电池,像手机一样扣在车上?显然是不可能的。目前对于到底使用什么样的电池,大家心里都没谱,也没有什么标准。有的人说研究吧,投入上3-5年的时间,肯定能搞出来,但是成本就不敢说了。还有人说,18650我们已经做的炉火纯青了,价格也便宜,干脆还是用它,大不了弄个复杂点的电池管理系统。于是,就出现了三洋、松下等电池厂商使用18650开发电动汽车用的动力模块。

有很多汽车厂商还真是买账,美国泰斯拉汽车(Tesla Motors)在2009113日底特律车展新闻发布会上宣布,将供应采用18650的电池组。该电池由日本厂商提供,并没有公布厂商名称,但是看到松下2010114日宣布已经向美国电动汽车(EV)风险企业泰斯拉汽车(Tesla Motors)公司出资3000万美元。出资比例约占泰斯拉公司2%的股份,相信这个厂家也就不言自明了。
宝马的MINI E配备35kWh容量“18650锂离子充电电池,实用续航距离为180km,远远短于汽油车。但是,实际试验结果表明,日平均行驶距离为 37.8km,这与2008年德国城市地区的日平均行驶距离36km相差不大。普通车辆的日平均行驶距离方面,虽然116i42kmMINI Cooper43.5km,都比MINI E长,但此次的结果表明,从实用角度来说,电动汽车同样可充分满足需求。

国内的比克电池在面向电动汽车用途,开发采用LiNi-Mn-CoO23元系)的 18650“18650”由并联53个单元形成单元组,然后串联两个这样的单元组形成的“2s53p”模块为基础,连接50“2s53p”模块可以形成35kWh容量、400V电压的电池组。该公司目前正面向北美市场考虑推出这样的电池组。该电池现已配备于中国东风裕隆在本届EVS25上发布的 EV“LUXGEN EV”上。电池的正极材料采用Co-Ni-Mn系即3元系。每个单元的电流容量为2Ah,重量为45g。向东风裕隆供应的电池模块并联设置了53个单元。电流容量为106Ah,电压为7.2V。模块的外形尺寸为266mm×245mm×72mm

不是总结的总结

18650的组合加速了锂离子电池在动力领域和储能领域的应用。然而,电池本身还应该如何走下去呢?就在日本人还在为进一步提高电池容量而埋头苦干,开发3000mAh以上的电池,突然发现客户们对单体电池的容量已经不再苛求,现在大家更加关注的是成本,目前2200mAh的容量貌似已经够用了。2200mAh18650是韩国厂商最为擅长的领域,他们可以做到1Wh16日元~17日元,而低于目前平均的20日元/Wh,也远低于以前汽车厂商希望的50日元/Wh。这一点着实让日本厂商感到了危机和空前的压力。。。。。。

 
 
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