鋰 電 池 技 術 及 產 業 發 展 趨 勢 潘 金 平 E-mail: jppan@itri.org.tw Tel: 035-915148 工 業 技 術 研 究 院 材 料 與 化 工 研 究 所 2011/3/22
鋰 電 池 電 動 車 生 產 狀 況 EV Benefits: Cost saving (fuel and maintenance) Reduce/eliminate CO2 emissions Fuel up at home Can provide back up power to your house PEVH:Primearth EV Energy AESC:Automotive Energy Supply BEJ:Blue Energy Japan LEJ:Lithium Energy Japan HVE: 日 立 車 輛 能 源 JCS:Johnson Controls-Saft Advanced Power Solutions
電 動 車 & 動 力 鋰 電 池 : 關 鍵 問 題 EV Li ion Battery Module 電 動 車 關 鍵 問 題 Energy Storage Service Model Electric Propulsion Telematics 動 力 鋰 電 池 關 鍵 問 題 Cost &Safety High Energy High Power High charge Cycle Life
鎳 氫 電 池 便 宜 穩 定 材 料 用 途 價 格 ( 每 顆 / 元 ) 優 勢 劣 勢 電 池 芯 生 產 廠 商 代 表 性 車 款 各 種 電 動 車 用 電 池 比 較 表 49.5-82.5 金 山 電 鎳 氫 鎳 金 屬 為 主 油 電 混 合 車 - 產 品 穩 定 性 高 - 價 格 便 宜 - 工 作 溫 度 範 圍 廣 - 輕 微 用 電 憶 性 Toyota Prius 第 3 代 純 電 動 車 99-115.5 - 能 量 密 度 高 - 起 始 電 壓 高 - 循 環 壽 命 短 - 安 全 性 較 差 能 元 資 料 來 源 : 各 生 產 廠 商 / 非 凡 新 聞 周 刊 98.08.23 三 元 系 鈷 鎳 錳 BMW Mine E Luxgen MPV 鋰 錳 鋰 錳 ( 主 要 ) 純 電 動 車 82.5-105.5 - 技 術 較 為 成 熟 - 大 電 流 放 電 特 性 佳 - 高 溫 (>70 ) 環 境 影 響 壽 命 能 元 有 量 Mitsubishi-SHI I- Mi EV 通 用 Volt 鋰 鐵 鋰 鐵 磷 酸 純 電 動 車 92.5-105.5 鋰 鐵 電 池 循 環 壽 命 長 - 價 格 便 宜 - 循 環 壽 命 長 - 安 全 性 高 - 起 始 電 壓 低 - 技 術 萌 芽 階 段 - 體 積 能 量 密 度 較 低 必 翔 昇 陽 瑞 能 比 亞 迪 F3DM
鋰 離 子 / 鋰 高 分 子 電 池 工 作 原 理 正 極 : LiCoO 2 Li (1-x) CoO 2 +xli + +xe - 負 極 : C 6 +xli + +xe - Li x C 6 Charge 總 反 應 : LiCoO 2 +C 6 Li (1-x) CoO 2 +Li x C 6 Discharge Heterogeneous electrochemical reaction with transportation of ion and electron e - e - M M M M M M e M M M + e - M + M + e - e- e - e - e M M e - M + M + M + M+ + M + M + M M M M Energy density Power density Cycle life Safety Cost Charge rate
6.3% BOM of LFP Battery (40Ah: Prismatic Power Cell) 材 料 成 本 分 析 13.7% 1.1% 3.1% 0.4% 3.5% 2.3% 29.9% Cathode Al Anode Cu Separator Electrolyte Ccover with vent/cid Case Conductive carbon 2.1% PVDF/NMP 23.8% 13.7% Others (pin,ptc,disk,tab,tape)
ESTIMATED MATERIAL COST OF BARE LI-ION CELLS (NOT INCLUDE CAN, SAFETY VENT AND COVER) Cost of positive material is more sensitive for energy cells Power cells need cost reductions in other components too (e.g. separator, electrolyte, Cap design, etc.) A cost target of completed battery for $250~300/kWh is feasible!
各 種 鋰 離 子 電 池 材 料 資 料 來 源 : 1st Int l Rechargeable Battery Expo-Lithium-ion Batteries for Advanced Automobiles, GS Yuasa Corp., 溫 田 敏 之
快 速 充 電 負 極 材 料
High Power Anode Material (Li 3 ) 8a (Li, Ti 5 ) 16d (O 12 ) 32e + 3 e - + 3 Li + 3Ti +4 3Ti +3 (Li 6 ) 16c (Li, Ti 5 ) 16d (O 12 ) 32e Spinel Rock salt Enerdel Toshiba Pros & Cons of Li 4 Ti Ti 5 O 12 - High-rate charge capability - Safe (3D spinel structure) - No SEI (high potential~1.5v) - Long cycle life - Low cost< US 20/Kg - Low capacity(160 mah/g) - Low electron conductivity
高 安 全 電 池 技 術
Capacity & Cell Number of Li-ion Battery 200-5000 cells 1 cell 10 cells 10 recalls of NB & Mb in 2007-08 from leading companies 12
Safety mechanism of Li ion battery (pack) Abuse condition Internal Short External Short Over Charge Charge after Over Discharge 1 St :Electronic Design Protected circuit(i V T abnormal) Protected circuit (PACK) Protected circuit (PACK) Pre-Charge (PACK) 2 nd :Mechanic Design PTC CID 2009 3 rd :Material Design Separator shut down ~130 Thermal setting technology Damage Heating Gas emission Fire Explosion STOBA ( self terminated oligomers with hyper-branched architecture) cross-link @abuse temperature
Nail pentration test of different kinds of cathode chemistry vs. energy density of Li-ion cells Cathode chemistry LiMn 2 O 4 LiCoO 2 Li[Ni,Co,Mn]O 2 Cell energy density (Wh/kg) 132-148 180 160-180 Cell types 18650, 5099130 (soft pack) 503759 (soft pack) 18650, 7799130(soft pack) Cell capacity (Ah) 1.4, 5.0 1.3 2, 10 Nail penetration test (Nail Φ=2.5mm) Φ=2.5~5 mm) w/o STOBA w STOBA Fail Pass Fail Pass Fail Pass
Temperature Curve of the Nail Test of LiCoO 2 Cell 4.5 700 Voltage(V) 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 Cell Voltage 1.3Ah w/o STOBA 1.3Ah with STOBA Short point temp. 1.3Ah w/o STOBA 1.3Ah with STOBA 600 500 400 300 200 100 Temp.( o C) 0.0 0 0 10 20 30 40 50 60 Time (sec)
Temperature Curve of the Nail Test of LiMn 2 O 4 18650 Cell 650 600 550 500 LiMn 2 O 4, =2.5mm, v=1.0mm/sec w STOBA (1400mA) w/o STOBA (1400mAh) 450 400 Temp. ( o C) 350 300 250 200 150 100 50 0 0 20 40 60 80 100 120 Time (sec)
High C rates test of LiMn 2 O 4 18650 cells w/o STOBA w/o STOBA 4.2 0.2C 1C 2C 8C 10C with STOBA with STOBA 4.2 0.2C 1C 2C 8C 10C 4 4 3.8 3.8 Voltage (V) 3.6 3.4 3.2 Voltage (V) 3.6 3.4 3.2 3 3 2.8 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Capacity (Ah) 2.8 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Capacity (Ah) C rates capacity ratio(%) 1C 2C/1C 8C/1C 10C/1C w/o STOBA 1.47Ah 99 96 95 1C 2C/1C 8C/1C 10C/1C with STOBA 1.47Ah 98 93 90
Cycle test of 10Ah LNCM 7799130 cells at RT 100 10Ah 1C-1C cycle RT 25 o C, 4.1-3.2V capacity retention(%) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 STOBA inside 0% STOBA 0 0 150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500 Resistance (Fresh cell) Resistance (Cycle cell) Resistance increased(%) 10Ah+0% 1.86 m-ohm 4.34 m-ohm (888 cycles) 133% 10Ah+ STOBA 2.31 m-ohm 4.02 m-ohm (1024 cycles) 74%
Cycle life of LiNiCoMnO2 Battery(776285) 1C/1C@RT 1C/1C@55 3000 3000 Discharge Capacity (Ah) 2500 2000 1500 1000 1C/1C Cycle 2 Cyc. 400 Cyc. Eff. @RT (mah) (mah) (%) 500 0% STOBA 2769 2467 89% 2% STOBA 2847 2417 85% 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Cycle Number Discharge Capacity (Ah) 2500 2000 1500 1000 500 1C/1C Cycle 2 Cyc. 500 Cyc. Eff. @55 o C (mah) (mah) (%) 0% STOBA 2941 1827 62% 2% STOBA 2939 2243 76% 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Cycle Number Long cycle life at H.T.
STOBA Production Cell/Pack verification E-Van demonstration project A Good Integration of STOBA (MCL) & Battery Companies & E-Van ( MSL) Amita Use STOBA-inside 5Ah pouch cells to form 1S6P module 84S*2 LiB pack by MSL STOBA-inside Paste MCL 1S6P STOBA material E-One Moli 3S35P Use STOBA-inside 2Ah cylindrical cells to form 3S35P module 28S LiB pack by MSL Delivery of production cells MSL System level verification Cell/Pack testing by MCL
Technology roadmap/ Diffusion Scenario For Battery(Japan) 2008 2010 2015 2020 2030 2050 Battery Capacity Battery Costs Distance per charging EVs PHEVs FCVs Spread 1x 1x 1/2x 130km 1.5x 1/7x Battery improvements 3x 1/10x 200km Lithium ion battery performance improvement Introduce and demo tests (400km,3000hrs) General use of fuel cell vehicles (800km,5000hrs) Commutes 7x 1/40x 500km Post-lithium ion battery development, etc. Genuine Diffusion Related Technology High performance batteries Rare earth substitute materials 後 鋰 電 池 時 代 (2020 年 ) 之 電 池 技 術 發 展 分 析 全 固 態 電 池 金 屬 - 空 氣 電 池 多 價 陽 離 子 電 池 燃 料 電 池 創 新 電 池 實 用 化 2020 年 以 後 之 功 率 型 車 用 電 池 性 能 目 標 : Energy Density: 600Wh/L(2020)/ 1000Wh/L(2030) 250Wh/Kg(2020)/ 500Wh/Kg(2030) Power Density:1500W/Kg(2020)/ 1000W/Kg(2030) Cycle Life: (10-15 年 ) Distance per Charging:200km(2020)/500km(2030) Cost:20JPY/Wh(2020)/10JPY/Wh)(2030)