磷酸鐵鋰電池制造中國(guó)已成第一？

新能源汽車、太陽(yáng)能、風(fēng)能并網(wǎng)調(diào)頻儲(chǔ)能電站、移動(dòng)通訊基站、電動(dòng)物流車……在新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展浪潮中，動(dòng)力電池發(fā)揮著舉足輕重的角色。中國(guó)已經(jīng)成為磷酸鐵鋰電池制造及應(yīng)用世界第一大國(guó)。

在剛剛舉行的2018年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，由上海交大化學(xué)化工學(xué)院馬紫峰教授團(tuán)隊(duì)比亞迪等單位合作完成的“磷酸鐵鋰動(dòng)力電池制造及其應(yīng)用過(guò)程關(guān)鍵技術(shù)”榮獲2018年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

鋰電池由于其能量密度高、攜帶輕便，已成功應(yīng)用于手機(jī)和筆記本電腦等消費(fèi)品電子產(chǎn)品。隨著新能源汽車、可再生能源和智能電網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，高安全、長(zhǎng)壽命、高容量和低成本的動(dòng)力鋰電池研發(fā)成為研究前沿。

正極材料是電池發(fā)展的基礎(chǔ)，鋰電池正極材料主要有錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等類型。其中，磷酸鐵鋰具有高安全性、長(zhǎng)循環(huán)壽命和容量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，且可利用豐富低廉的鐵、磷資源，無(wú)需鈷、鎳等有色金屬，是國(guó)際公認(rèn)的可一類持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力鋰電池正極材料。

但是磷酸鐵鋰要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，必須建立噸級(jí)生產(chǎn)能力的制造工藝與裝備。馬紫峰團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)磷酸鋰鐵合成新反應(yīng)，制備出了新結(jié)構(gòu)正極材料。2004年，馬紫峰教授團(tuán)隊(duì)攜帶著磷酸鐵鋰合成新方法，與浙江橫店?yáng)|磁合作，開(kāi)發(fā)磷酸鐵鋰正極材料。

2007年，馬紫峰作為首席科學(xué)家，主持國(guó)家973計(jì)劃“電動(dòng)汽車用低成本、高密度蓄電體系基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題研究”項(xiàng)目，為磷酸鐵鋰電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展注入新的活力。2010年，為拓展磷酸鐵鋰應(yīng)用領(lǐng)域，馬紫峰團(tuán)隊(duì)與比亞迪合作，獲得上海市科委重大科技專項(xiàng)，開(kāi)展磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)低成本化關(guān)鍵技術(shù)研究，使磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用領(lǐng)域從新能源汽車向智能電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)拓展。

交大的這項(xiàng)研究成果在材料合成理論、工藝與電池設(shè)計(jì)方面均有重要?jiǎng)?chuàng)新，在磷酸鐵鋰材料合成反應(yīng)及材料納米化方面的研究成果處于國(guó)際先進(jìn)水平，所提出的單質(zhì)鐵原子經(jīng)濟(jì)性磷酸鐵鋰合成反應(yīng)為國(guó)際首創(chuàng)。

攻克技術(shù)難題，優(yōu)化產(chǎn)品性能

要制造一顆性能優(yōu)異的動(dòng)力電池，不僅需要有優(yōu)異的正極材料，還需要對(duì)電池材料的化學(xué)體系進(jìn)行優(yōu)化，尋找合適的負(fù)極材料和電解質(zhì)。另外，動(dòng)力電池制造過(guò)程工藝對(duì)于改善電池性能也十分重要。

馬紫峰團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種涂液的配置及其涂敷的方法，提出了相應(yīng)工藝，優(yōu)化了技術(shù)參數(shù)，形成一種超高倍率、超長(zhǎng)循環(huán)壽命納米磷酸鐵鋰動(dòng)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(dòng)和高倍率問(wèn)題。

電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)是電池成組應(yīng)用到電動(dòng)汽車與儲(chǔ)能中十分重要環(huán)節(jié)。動(dòng)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(lái)描述，SOC是一個(gè)復(fù)雜動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，與電池系統(tǒng)工作溫度、充電與放電速度密切相關(guān)。團(tuán)隊(duì)基于電池反應(yīng)/傳遞機(jī)理及運(yùn)行特性分析，開(kāi)發(fā)相關(guān)技術(shù)，建立了新的SOC估計(jì)模型。與國(guó)際先進(jìn)指標(biāo)相比，該模型對(duì)電池健康狀態(tài)的估計(jì)精度提高了約5個(gè)百分點(diǎn)，達(dá)到97%。

另外，團(tuán)隊(duì)還與比亞迪合作開(kāi)發(fā)了基于滾動(dòng)時(shí)域優(yōu)化的SOC估計(jì)模型，將SOC估計(jì)精度進(jìn)一步提高到99%。

經(jīng)過(guò)十五年的產(chǎn)學(xué)研合作，磷酸鐵鋰動(dòng)力電池技術(shù)不斷完善，磷酸鐵鋰動(dòng)力電池已在電動(dòng)大巴、電動(dòng)物流車、乘用車上得到廣泛應(yīng)用，以磷酸鐵鋰為動(dòng)力的電動(dòng)大巴還出口到美國(guó)、日本、英國(guó)、歐洲和大洋洲。