新能源汽车,太阳能、风能并网调频储能电站,移动通讯基站,电动物流车……在新能源产业发展浪潮中,动力电池发挥着举足轻重的角色。

随着新能源汽车、可再生能源和智能电网等新兴产业发展,动力锂电池研发成为研究前沿。其中,磷酸铁锂具有高安全性、长循环寿命和容量稳定等优点,且可利用丰富低廉的铁、磷资源,无需使用钴、镍等有色金属,是国际公认的可持续发展的动力锂电池正极材料。

上海交大化学化工学院马紫峰教授团队自2004年以来,联合比亚迪股份有限公司(以下简称比亚迪)、中聚电池有限公司、江苏乐能电池股份有限公司(以下简称江苏乐能)、上海派能能源科技股份有限公司等企业,经过15年的努力,构建了具有自主知识产权的磷酸铁锂动力电池技术体系,在新能源汽车和储能工程系统中得到了广泛的应用。团队与比亚迪等单位合作完成的“磷酸铁锂动力电池制造及其应用过程关键技术”荣获2018年国家科技进步二等奖。

从新合成反应设计到万吨级生产

1996年,磷酸铁锂被应用于动力锂电池研究。然而,要实现磷酸铁锂大规模应用,必须建立吨级生产能力的制造工艺与装备。

马紫峰等人分析了诸多知名国际企业的合成工艺,发现这些反应过程会产生一氧 化碳、an气等有害气体,而且烧结时间长,能耗大。为了降低生产成本,减少生产过程的污染,团队提出了一个磷酸锂铁合成新反应,制备出了新结构正极材料。2004年,马紫峰教授团队携带新方法,与横店集团东磁股份有限公司合作,开发磷酸铁锂正极材料。项目在2006年浙江省科技成果转化项目资助下,建成了300吨/年全流程合成的磷酸铁锂中试线,并与上海德朗能电池公司合作开发出电动车用磷酸铁锂电池,为大规模生产线建设奠定了良好的基础。

2007年,马紫峰作为首席科学家,主持国家973计划“电动汽车用低成本、高密度蓄电体系基础科学问题研究”项目,为磷酸铁锂电池的产业化发展注入了新的活力。上海交大联合清华大学、复旦大学和厦门大学等单位,与比亚迪等企业开展了磷酸铁锂材料及其应用技术研发。此后,马紫峰团队与比亚迪合作,开展磷酸铁锂电池储能系统低成本化关键技术研究,使磷酸铁锂电池的应用领域从新能源汽车向智能电网储能系统拓展。

2012年,上海交大将马紫峰等人发明的磷酸铁锂合成新技术专利整体转让,组建了中聚电池研究院,开展磷酸铁锂电池技术大规模推广,先后授权许可多家企业实施应用,并发展出一批新的专利技术。2014年,在江苏省企业创新与成果转化专项资助下,由马紫峰担任首席专家,在江苏乐能建成25600吨/年的纳米磷酸铁锂生产线,产品应用于比亚迪、宁德时代新能源科技股份有限公司等众多知名电池企业。

业内专家组成的科技成果鉴定委员会一致认为:马紫峰团队的研究成果在材料合成理论、工艺与电池设计方面均有重要创新,提出的单质铁原子经济性磷酸铁锂合成反应为国际首创。

成为制造和应用世界第一大国

要制造性能优异的动力电池,不仅需要有优异的正极材料,还需要对电池材料的化学体系进行优化,寻找合适的负极材料和电解质。另外,动力电池制造过程工艺对于改善电池性能也十分重要。马紫峰团队发明了一种涂液的配置及其涂敷的方法,提出了相应工艺,优化了技术参数,形成一种超高倍率、超长循环寿命纳米磷酸铁锂动力电池及其制造新方法,并解决了磷酸铁锂电池低温冷启动和高倍率问题。2015年,研发团队与江苏中兴派能电池有限公司合作开展低温高倍率磷酸铁锂动力电池的研发与产业化,被广泛应用于移动通讯基站。

动力电池系统还有多少电量,直接影响到汽车的续航里程。电池的电量多少可以用电池荷电状态(SOC)来描述,SOC是一个复杂动态变化过程,与电池系统工作温度、充电与放电速度密切相关。马紫峰团队开发了新的SOC估计模型,与国际先进指标相比,该模型对电池健康状态的估计精度提高了约5个百分点,达到97%。另外,团队还与比亚迪合作开发了基于滚动时域优化的SOC估计模型,将SOC估计精度进一步提高到99%。

经过15年的产学研合作,中国已经成为磷酸铁锂电池制造及应用的世界第一大国,磷酸铁锂动力电池已在电动大巴、电动物流车、乘用车上得到广泛应用,以磷酸铁锂为动力的电动大巴还出口到美国、日本、英国、欧洲和大洋洲。