新能源汽車，太陽能、風能并網調頻儲能電站，移動通訊基站，電動物流車……在新能源產業(yè)發(fā)展浪潮中，動力電池發(fā)揮著舉足輕重的角色。

 

       隨著新能源汽車、可再生能源和智能電網等新興產業(yè)發(fā)展，動力鋰電池研發(fā)成為研究前沿。其中，磷酸鐵鋰具有高安全性、長循環(huán)壽命和容量穩(wěn)定等優(yōu)點，且可利用豐富低廉的鐵、磷資源，無需使用鈷、鎳等有色金屬，是國際公認的可持續(xù)發(fā)展的動力鋰電池正極材料。

 

       上海交大化學化工學院馬紫峰教授團隊自2004年以來，聯合比亞迪股份有限公司(以下簡稱比亞迪)、中聚電池有限公司、江蘇樂能電池股份有限公司(以下簡稱江蘇樂能)、上海派能能源科技股份有限公司等企業(yè)，經過15年的努力，構建了具有自主知識產權的磷酸鐵鋰動力電池技術體系，在新能源汽車和儲能工程系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。團隊與比亞迪等單位合作完成的“磷酸鐵鋰動力電池制造及其應用過程關鍵技術”榮獲2018年國家科技進步二等獎。

 

       從新合成反應設計到萬噸級生產

 

       1996年，磷酸鐵鋰被應用于動力鋰電池研究。然而，要實現磷酸鐵鋰大規(guī)模應用，必須建立噸級生產能力的制造工藝與裝備。

 

       馬紫峰等人分析了諸多知名國際企業(yè)的合成工藝，發(fā)現這些反應過程會產生一氧 化碳、an氣等有害氣體，而且燒結時間長，能耗大。為了降低生產成本，減少生產過程的污染，團隊提出了一個磷酸鋰鐵合成新反應，制備出了新結構正極材料。2004年，馬紫峰教授團隊攜帶新方法，與橫店集團東磁股份有限公司合作，開發(fā)磷酸鐵鋰正極材料。項目在2006年浙江省科技成果轉化項目資助下，建成了300噸/年全流程合成的磷酸鐵鋰中試線，并與上海德朗能電池公司合作開發(fā)出電動車用磷酸鐵鋰電池，為大規(guī)模生產線建設奠定了良好的基礎。

 

       2007年，馬紫峰作為首席科學家，主持國家973計劃“電動汽車用低成本、高密度蓄電體系基礎科學問題研究”項目，為磷酸鐵鋰電池的產業(yè)化發(fā)展注入了新的活力。上海交大聯合清華大學、復旦大學和廈門大學等單位，與比亞迪等企業(yè)開展了磷酸鐵鋰材料及其應用技術研發(fā)。此后，馬紫峰團隊與比亞迪合作，開展磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)低成本化關鍵技術研究，使磷酸鐵鋰電池的應用領域從新能源汽車向智能電網儲能系統(tǒng)拓展。

 

       2012年，上海交大將馬紫峰等人發(fā)明的磷酸鐵鋰合成新技術專利整體轉讓，組建了中聚電池研究院，開展磷酸鐵鋰電池技術大規(guī)模推廣，先后授權許可多家企業(yè)實施應用，并發(fā)展出一批新的專利技術。2014年，在江蘇省企業(yè)創(chuàng)新與成果轉化專項資助下，由馬紫峰擔任首席專家，在江蘇樂能建成25600噸/年的納米磷酸鐵鋰生產線，產品應用于比亞迪、寧德時代新能源科技股份有限公司等眾多知名電池企業(yè)。

 

       業(yè)內專家組成的科技成果鑒定委員會一致認為：馬紫峰團隊的研究成果在材料合成理論、工藝與電池設計方面均有重要創(chuàng)新，提出的單質鐵原子經濟性磷酸鐵鋰合成反應為國際首創(chuàng)。

 

       成為制造和應用世界第一大國

 

       要制造性能優(yōu)異的動力電池，不僅需要有優(yōu)異的正極材料，還需要對電池材料的化學體系進行優(yōu)化，尋找合適的負極材料和電解質。另外，動力電池制造過程工藝對于改善電池性能也十分重要。馬紫峰團隊發(fā)明了一種涂液的配置及其涂敷的方法，提出了相應工藝，優(yōu)化了技術參數，形成一種超高倍率、超長循環(huán)壽命納米磷酸鐵鋰動力電池及其制造新方法，并解決了磷酸鐵鋰電池低溫冷啟動和高倍率問題。2015年，研發(fā)團隊與江蘇中興派能電池有限公司合作開展低溫高倍率磷酸鐵鋰動力電池的研發(fā)與產業(yè)化，被廣泛應用于移動通訊基站。

 

       動力電池系統(tǒng)還有多少電量，直接影響到汽車的續(xù)航里程。電池的電量多少可以用電池荷電狀態(tài)(SOC)來描述，SOC是一個復雜動態(tài)變化過程，與電池系統(tǒng)工作溫度、充電與放電速度密切相關。馬紫峰團隊開發(fā)了新的SOC估計模型，與國際先進指標相比，該模型對電池健康狀態(tài)的估計精度提高了約5個百分點，達到97%。另外，團隊還與比亞迪合作開發(fā)了基于滾動時域優(yōu)化的SOC估計模型，將SOC估計精度進一步提高到99%。

 

       經過15年的產學研合作，中國已經成為磷酸鐵鋰電池制造及應用的世界第一大國，磷酸鐵鋰動力電池已在電動大巴、電動物流車、乘用車上得到廣泛應用，以磷酸鐵鋰為動力的電動大巴還出口到美國、日本、英國、歐洲和大洋洲。