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物理电池项目.docx
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物理电池项目
物理电池技术开发项目简介
北京巴普科技进展
物理电池研发组
2006年9月15日
物理电池技术开发项目简介
一、项目背景
一、我国已成为电池行业最大的生产国和消费国
最近几年来,我国电池应用领域发生了翻天覆地的转变,从60年代的手电筒到70年代的半导体收音机,从80年代的小家电到90年代的通信和电脑,已经迅速扩展到21世纪的电力、交通、航空等新能源领域,成为重要的高科技产业之一,其应用领域前景十分看好。
相较韩国和日本,中国企业自身尖端技术的冲破、生产规模的不断扩张,低本钱高质量的优势慢慢型成中国企业的核心竞争力,像深圳比克锂电池制造企业,已经跨入了世界最大规模的电池制造企业行列。
依照中国化学与物理电源行业协会提供的资料说明,中国内地的电池年均产量达190亿只,年产值超过40亿美元,已成为世界最大的电池生产国和消费国。
二、常规动力电池的性能制约着电动气车业的进展
目前,世界性的能源危机致使全世界原油价钱暴涨,严峻地阻碍着我国工业的进展和人民生活水平的提高。
目前中国是一个石油入口国,自有石油资源欠缺,入口量逐年增加。
而大力进展电动汽车应该是解决我国石油欠缺和环境污染问题的一层次想之路。
可是,目前所有的常规动力蓄电池其性能价钱比都不够理想,不能知足电动汽车业飞速进展的需求,严峻地制约着电动汽车业的进展。
动力蓄电池是电动汽车的动力源泉。
而一般动力蓄电池在大电流放电时刻稍长的情形下,就会显现电池发烧、烧毁乃至报废的现象。
因此,要使电动汽车能与内燃机汽车相竞争,关键是开发出比能量高、比功率大、利用寿命长、本钱低的动力蓄电池。
下面简单介绍一下经常使用的动力电池。
①铅酸蓄电池
铅酸蓄电池已有100连年的历史,普遍用作内燃机汽车的起动电源。
它也是成熟的电动汽车蓄电池,它靠得住性尚好、原材料易患、价钱较廉价;比功率也大体上能知足电动汽车的动力性要求。
但它也有N多缺点;一是比能量低(一样30W•h/kg左右),所占的质量和体积太大,一次充电行驶里程较短;另一个是循环利用寿命短(一样充电300~500次既报废),致使利用本钱太高;还有低温放电特性差,具有较强的有害经历性等都是铅酸电池难以克服的缺点。
为了取得更好的效益,许多设备正在用更好的电池以取代铅酸电池。
②镍氢蓄电池
镍氢蓄电池属于碱性电池,它的循环利用寿命较长,不良经历效应较弱,其他指标也优于铅酸电池,但价钱较高。
目前国外生产电动汽车镍氢蓄电池的公司主若是Ovonie、丰田和松下的一个合伙公司。
Ovonie现有80A•h和130A•h两种单元电池,其比能量达75-80W•h/kg,循环利用寿命超过600次。
这种蓄电池装在几种电动汽车上试用,一次充电可行驶300km以上,累计行驶超过8万千米。
但由于价钱较高,目前尚未大量量生产。
目前,国内已开发出55A•h和100A•h的镍氢蓄电池单元。
电池的比能量达65W•h/kg,功率密度大于800W/kg,但一样受到价钱的制约,未形成量产。
③锂离子电池
锂离子电池作为新型高能量密度的可充电电池,其独特的物理和电化学性能,具有普遍的民用和国防应用的前景。
其突出的特点是:
重量轻、储能大、污染小、无经历效应、利用寿命长。
在同体积重量情形下,锂电池的蓄电能力是镍氢电池的倍,是镍镉电池的4倍,而且目前人类只开发利用了其理论电量的20%~30%,开发前景超级光明。
同时它是一种真正的绿色环保电池,可不能对环境造成污染,是目前最正确的能应用到电动车上的电池。
资料显示,美国航天飞机上用的电池就有锂离子电池,其比能量达到200~400Wh/Kg。
我国从二十世纪九十年代开始开发和利用锂离子电池,至今已取得冲破性进展,研制出了完全拥有自主知识产权的锂离子电池。
但目前的市场价钱仍是偏高,考虑到性价比不够经济,许多设备尚未采纳。
④燃料电池
燃料电池是最有前途的车用能量,也是以后汽车的要紧动力源,它以氢为原料,氢燃料发动机燃烧后排出的是水,没有任何污染,而且动力强劲。
这一优势吸引了世界各国科学家和企业家数十年来投入了数百亿元的资金进行研究,但结果却是不尽人意:
尽管已经开始装车运行,可是仍存在着本钱太高,氢燃料的制备、运输、存储、添加、燃烧等技术只是关等等问题,走向有效,尚待时日。
同济大学校长万钢在去年第二届中国电动车产业进展高层论坛上指出:
“电动汽车进展的关键技术是高能量蓄电池。
前几年,我国大多在“纯电动车”开发方面下功夫,虽有较大进展,但由于电池问题没有解决,没有什么大的冲破。
如铅酸电池,尽管廉价平安靠得住,但能量低、重量高、体积大、续行里程短,还需要建设地面充电检测等设施,难于为地址政府、企业、用户所同意;而镍氢、锂离子、专门是燃料电池,尽管极具前途,但均很昂贵,且建设投入均专门大,我国只能少量试点,集中进行。
专家说,咱们不该当等到这些新型电池技术全数提高性能和降低价钱后,再开发电动汽车,而应当在大力进展应用的基础上,推动电动汽车在各方面的技术创新”。
万钢校长的这段话归纳了我国目前车用动力电池的大表现状。
目前,世界各国在用的常规动力蓄电池性能价钱比都不高,这已成为限制各国电动汽车进展的瓶颈。
3、物理电池将成为动力电池的新秀
物理电池又叫超级电容,因为这种电池的充放电机理与电容相似,故名。
超级电容只是是电容器进展到一按时期的一种新的称号。
超级电容又叫法拉电容,是一种超大容量的电容器,这种电容器的最小容量单位是1法拉。
90年代以前人们很难见到它,这是因为那时的需求很少,另外,由于原材料和技术的缺乏也很难把它的容量做的专门大。
到了90年代初期随着科技水平的提高和需求的增加,电容器的容量也被加大到法拉级以上,乃至达到了几十法拉,从此这种大容量电容器就有了超级电容的美称。
时期在进展科技在进步,人们的需求也在不断的提高,超级电容随着那个脚步也在向前进展,他的容量越做越大以致在95年达到了上万法拉,上万法拉的电容器已经具有了功率电源的部份条件,但要作为电池来利用,仍嫌比能量过小,它的能量只有铅酸蓄电池的十几分之一,尚不具有蓄电池的全数属性,人们尚未产生把它看成电池来利用的意识,但它几十万次的充放电循环寿命和短时刻大容量充放电及免保护等的诸多优良特性却引发了人们的极大爱好。
不久,情形有了突变,一次人们从德国科学家的实验室得悉,德国人用一块几万法拉的超级电容进行了负载实验,他们用超级电容充当能源点亮灯泡,并驱动小型电动机运转,取得了令人振奋的结果,那么这是不是意味着一种新的能源供电设备的诞生呢?
物理电池的工作原理是基于电子导体活性炭与离子导体在有机或无机电解液之间形成感应双电荷层的原理来工作的,双电层中积蓄电荷,从而来实现储能之目的。
其储能原理明显地不同于传统的铅酸、镍氢、镍镉、锂电池及燃料电池,它充放电的进程纯粹是将“电荷”进行物理的“存储”与“释出”,那个充放电的进程并非发生化学反映,因这人们形象的称它为“物理电池”。
物理电池不同于传统意义上的电容器,它类似于充电电池,但与传统的充电电池(铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池)相较,物理电池独具以下六大优势。
①循环寿命极长。
目前经常使用的充电电池循环寿命一样为300~500次,利用年限一样2年左右,而物理电池的循环寿命在万次以上,(有50万次之说)利用年限超过10年或更长。
②能够经受特大电流的充放电,因此可大大缩短电池的充放电时刻。
由于目前经常使用的充电电池其充放电进程是化学反映的进程,化学反映的速度受很多条件的限制,因此常规充电电池全然不能实现大电流的充放电,过充或过放都会严峻损害电池,一样的充电进程都要4~6个小时。
而物理电池的充放电进程并无化学反映,它就像一杯水那样“流进流出”而不怕“过充过放”。
因此,只要充电条件许诺,物理电池的充电时刻能够缩短至几分钟。
③具有更高的比功率。
由于物理电池能够实现刹时特大电流放电、刹时输出特大功率的特性,因此其比功率可达到千瓦/kg数量级以上。
这是所有化学充电电池都不能实现的。
④加倍环保。
物理电池的要紧原材料是碳粉、高分子材料隔膜、金属(外壳)等,没有重金属污染和酸、碱污染,重复利用性极好。
因此它加倍环保。
⑤低温启动性好。
传统动力电池的低温启动(放电)特性都不太好。
一样低于零下10摄氏度时放电特性开始减弱,在零下20度时放电特性变得很坏,而物理电池在零下40度时能够正常放电。
⑥制造本钱更低。
由于原材料本钱较低,生产工艺并非复杂(但超级关键)故其制造本钱与铅酸电池大体相当。
固然,物理电池也有它的不足,如电的存储比能量小。
目前国内最高做到15wh/kg,而其它国家如美国、日本、德国还不到6wh/kg。
另外,由于其自放电特性,电能的存储时刻还不能太长,充电后48小时自放电余量不足60%,这些不足有待改良。
4、物理电池的应用领域
物理电池在移动通信、信息技术、电动汽车、航空航天和国防科技等方面具有极为重要和超级广漠的应用前景。
例如物理电池关于电动汽车的启动、加速和上坡行驶具有极为重要的意义:
在汽车启动和爬坡时物理电池可快速提供大电流及大功率输出;在正常行驶时可由蓄电池对其快速充电;在刹车时能够快速存储回收发电机产生的能量,这可克服常规蓄电池难以大电流快速回收的缺点,大大延长蓄电池的利用寿命,提高电动汽车的有效性;采纳物理电池关于燃料电池电动汽车的启动更是不可少的。
超级电容器用在化纤、化工、电力、制药、石油等重要用户的不中断电源,作为逆变器或变频器的直流储能元件,有蓄电池或电解电容器无可比拟的优势。
尤其在中、高压时,幸免了由数十节乃至更多蓄电池串联所带来的一系列问题;和电解电容相较,超大的电容量可代替由上百支电解电容器组成的电容器组。
不但便于保护,而且降低了本钱,提高了设备的靠得住性。
鉴于物理电池的重要性,各工业发达国家都给予其高度重视,成为许多国家重点的战略研究和开发项目。
如1996年欧共体制定了电动汽车超级电容器的进展打算(DevelopmentofSuper-capacitorforElectricvehicle);美国能源部(包括美国军方)也制定了相应的进展研究打算。
目前,各发达国家对物理电池的研究进展不一,但他们还都没有完全解决物理电池固有的两大先天不足――存储电量小(即比容量小)且存储时刻短。
假设其比能量能够大幅度提高,且存储时刻能进一步延长,取代现有电池将大有希望。
因此,专家们以为:
随着技术进步,物理电池必然能成为动力电池中的又一新秀。
二、技术现状
一、我国物理电池技术大体情形
目前我国已有近10家企业从事功率电源物理电池的生产。
年产物理电池约100万块,年产值达30亿元以上,其生产的单体电池的比能量做到了15wh/kg,那个比能量已是目前世界的最先进水平,而世界其他国家如美国、日本、德国等国家达到的比能量也只有5~6wh/kg。
据查,这些国家至2006年将比能量的目标仅定为6wh/kg。
可见,物理电池比能量的增加是一个缓慢而艰巨的进程,也是目前其真正成为功率能源的唯一瓶颈。
我国遵循科学进展的规律率先在应用领域进行了斗胆的试探。
哈尔滨、上海、烟台已将物理电池驱动的公交车开上了路,以实践带动科研创新。
但两年多来在比容量方面没有多大提高,其要紧缘故是没有找到比表面积更大的原材料和没有更先进的增加比表面积的生产工艺,环视其他国家的进展,也大致如此。
二、新材料新工艺将使物理电池性能显现飞跃:
物理电池储电能力长期达不到有效水平的缘故就在于以往储电材料的性能不佳,储电能力不强。
可是随着近些年来科技界对各类新材料的研究不断深化,新型材料不断产生,储电能力低的瓶颈已经打破。
专门是各类高比表面积的碳粉末材料和碳纳米材料的显现将大大提高物理电池的储电能力。
通过不断的研究和寻觅,咱们已经找到了一种高性能的储电碳材料、和与之相匹配的高效能的微孔极板、及新型电解液体系,并通过量次实验和反复研究确信了一种最优的封装工艺进程。
通过如此一系列综合改良,物理电池的储电性能已有专门大的提高。
三、时期任务与进度打算
一、本时期的要紧工作目标
本次物理电池研发工作组的目标:
比功率达到或超过30wh/kg。
达到目前国际领先水平。
充放电次数达到或超过10000次。
二、进度打算与费用打算
①项目的进度与日程
15/开始制作样机
15/完成样机制作
31/完成检测报告和项目立项建议书
15/完成项目立项
30/确信应用方向和示范厂家
目前已经初步完成产品大体设计,五个月内能够做出样机。
遇成心外的延迟或问题(主若是受制造设备昂贵,样机加工量小外加工单位制作周期长的阻碍。
另,元旦及春节外协单位放假)时,制造时刻顺延。
②费用打算:
总投资预算表:
Oct-06
Nov-06
Dec-06
Jan-07
Mar-07
Apr-07
合计
总开办费
房租
40000
装修
20000
生产办公家具
20000
生产办公设备
30000
其它杂费
10000
开办费合计
120000
120000
运营费用
人员工资
36000
36000
36000
36000
36000
36000
216000
工作午餐
3000
3000
3000
3000
3000
3000
18000
房租
4000
4000
4000
4000
4000
4000
24000
水电
3000
3000
3000
3000
3000
3000
18000
交通
10000
10000
10000
10000
10000
10000
60000
通讯
2000
2000
2000
2000
2000
2000
12000
低值易耗品
1000
1000
1000
1000
1000
1000
6000
招待费
4000
4000
4000
4000
4000
4000
24000
出差费用/补助
1000
1000
1000
1000
1000
1000
6000
制造样机设备
124500
外协资金
450000
检测设备
110000
总投入
1188500
说明:
1)、开办费明细表:
新增固定资产和开办费投入
金额
明细
房租
40000
1元X133平米X30天X10个月约=40000元
装修
20000
100元/每平米X200平米=2万元
生产办公家具
20000
工作台、办公桌、柜子、椅子等各9套
生产办公设备
30000
绘图机、专业电脑、传真机、通讯设备等
其它杂费
10000
办公用低质易耗品
总计
120000
2)、日常支出明细表:
15-Oct
15-Nov
15-Dec
15-Jan
15-Feb
15-Mar
人员工资
36000
36000
36000
36000
36000
36000
工作午餐
3000
3000
3000
3000
3000
3000
房租
4000
4000
4000
4000
4000
4000
水电
3000
3000
3000
3000
3000
3000
交通
10000
10000
10000
10000
10000
10000
通讯
2000
2000
2000
2000
2000
2000
低值易耗品
1000
1000
1000
1000
1000
1000
招待费
4000
4000
4000
4000
4000
4000
出差补助
1000
1000
1000
1000
1000
1000
费用总计
64000
64000
64000
64000
64000
64000
3)、制造设备投资表:
设备
金额
说明
混料机
40000
烘箱2台
10000
真空泵
7000
多路电源
15000
气动保压器3台
8000
内阻测试仪
13000
容量测试仪
14000
压力测试仪
8000
台钻
2000
电焊机
4000
空气压缩机
3500
总计
124500
含自制工装设备材料费用
四、风险分析
一)、关于知识产权爱惜
超级电容器从本质上讲确实是电容器,只是选用了新材料致使其性能有了庞大的提高(固然仅凭这一点创新来申报专利似乎新颖性不足)。
本项目的创新点要紧在于采纳了新型碳材料、新型多孔极板、新型加工工艺、新型电解质、新型稳压电路等,这些都是不适于申报专利的。
因为一旦申报了专利,就要按规定进行公布,仿造者只要对已公布的技术略加改动就能够够安心斗胆地仿造生产了。
因此把本项目的创新点作为技术窍门来处置应是加倍稳妥的。
技术窍门是带有保密性质的专有技术,能够通过品牌等形式取得用户的承认,也能够通过功效鉴定会等形式取得业界的公认。
可是,技术窍门的知识产权爱惜离不开依托发明人来做好保密工作。
为达到爱惜爱惜本项目知识产权的目的,第一要通过发明人操纵电解液的配方和生产配制进程;第二通过对稳压电路进行芯片化生产达到技术专有的保密目的;再有确实是通过品牌建设、通过鉴定会形式、通过尽快占据销售市场等手腕,强化专有技术的爱惜。
二)、实验
本项目现时期实验的技术风险点在于:
采纳新工艺来涂敷和加工新材料后的实际成效是不是能够达到预期的实验目标(比能量达到30Wh/Kg、循环寿命1万次)。
关于技术开发项目来讲,理论上可行而事实上需要反复实验的情形是常有的情形。
可是本物理电池项目,发明人已经通过了多次实验并已经达到了那时国内外这种物理电池比容量的顶级水平(曾达到15Wh/Kg以上)。
因此本项目现时期的实验采纳了新材料和新工艺,达到预期目标的可能性会是更大的。
本项目的现时期的实验样品只是为完成性能检测而设计制作的,因此要迎合市场要求,还必需依如实际用户的实际产品需要,再做出切近实际的设计。
三)、市场及运作
物理电池本时期实验达到预期目标后,选择产品的市场方向将十分重要。
咱们考虑物理电池在以下领域的应用将是易于被同意的:
无线通信基站备用电池、电梯应急备用电源、楼宇应急灯、电动自行车、独立风电储能电池、城市电动公交车,工厂、机场、码头电瓶车,等等。
在取得市场之前,应尽可能争取国内外的风险投资基金支持和争取国家的各项资金支持。
由于本项目属于高科技项目、属于环境爱惜项目、属于干净能源项目、属于新材料新工艺新技术项目、属于具有自主知识产权的汽车配套设备项目,因此能够争取多项国家资金的支持。
张慧荣09.11.18
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