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。

自從普蘭特發(fā)明鉛酸電池以來(lái)，動(dòng)力電池已經(jīng)歷160年發(fā)展歷程。世界上第一輛機(jī)動(dòng)車就是以鉛酸電池為動(dòng)力的電動(dòng)車，但因其能量密度低、續(xù)航里程太短，很快被內(nèi)燃機(jī)汽車超越。進(jìn)入21世紀(jì)，由于全球石油資源減少、環(huán)境壓力加劇，發(fā)展綠色環(huán)保的新能源汽車成為汽車工業(yè)技術(shù)變革的熱點(diǎn)。

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。

上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院馬紫峰教授團(tuán)隊(duì)自2004年以來(lái)，在國(guó)家973計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目連續(xù)支持下，聯(lián)合比亞迪、中聚電池、江蘇樂能、中興派能等企業(yè)，經(jīng)過十五年的努力，構(gòu)建了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池技術(shù)體系，在新能源汽車和儲(chǔ)能工程系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

今天，團(tuán)隊(duì)與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)用過程關(guān)鍵技術(shù)”榮獲2018年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

從“新合成反應(yīng)”設(shè)計(jì)到“萬(wàn)噸級(jí)”生產(chǎn)，產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)科研成果轉(zhuǎn)化

磷酸鐵鋰從1950年代被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，世界各國(guó)科學(xué)家對(duì)其電、磁特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，在1960年代通過物理法或化學(xué)法合成出高純磷酸鐵鋰樣品。1996年，磷酸鐵鋰被應(yīng)用于動(dòng)力鋰電池研究。然而，要實(shí)現(xiàn)磷酸鐵鋰大規(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。馬紫峰等人分析了諸多知名國(guó)際企業(yè)合成工藝，發(fā)現(xiàn)這些反應(yīng)過程會(huì)產(chǎn)生CO、氨氣等有害氣體，而且燒結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，能耗大。

為了降低生產(chǎn)成本，減少生產(chǎn)過程的污染，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，開發(fā)磷酸鐵鋰正極材料。項(xiàng)目在2006年浙江省科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)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(dòng)車用磷酸鐵鋰電池，為大規(guī)模生產(chǎn)線建設(shè)奠定良好的基礎(chǔ)。

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。

通過973計(jì)劃項(xiàng)目，上海交大聯(lián)合清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)和廈門大學(xué)等單位，與比亞迪等企業(yè)開展磷酸鐵鋰材料及其應(yīng)用技術(shù)開發(fā)。

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。

2012年，在上�？萍汲晒�轉(zhuǎn)化促進(jìn)會(huì)“助推計(jì)劃”資助下，上海交大將馬紫峰等人發(fā)明的磷酸鐵鋰合成新技術(shù)專利整體轉(zhuǎn)讓，組建了中聚電池研究院，開展磷酸鐵鋰電池技術(shù)大規(guī)模推廣，先后授權(quán)許可給多家企業(yè)實(shí)施，并發(fā)展出一批新的專利技術(shù)。

2014年，在江蘇省企業(yè)創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)資助下，由馬紫峰擔(dān)任首席專家，在江蘇樂能建成25600噸/年的納米磷酸鐵鋰生產(chǎn)線，產(chǎn)品應(yīng)用于比亞迪、寧德時(shí)代等眾多知名電池企業(yè)。

2015年初，以吳鋒、孫世剛、張鎖江等專家組成的科技成果鑒定委員會(huì)一致認(rèn)為：研究成果系統(tǒng)性強(qiáng)，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，助力成果推廣應(yīng)用

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)和高倍率問題。

2015年，連續(xù)獲得江蘇省企業(yè)創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)資助，與江蘇中興派能合作開展低溫高倍率磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通訊基站。

為表彰其在江蘇實(shí)施產(chǎn)學(xué)研的突出成績(jī)，2016年，馬紫峰教授被江蘇省委組織部授予“江蘇省雙創(chuàng)人才”，并與團(tuán)隊(duì)成員廖小珍、何雨石一起先后入選揚(yáng)州市“綠楊金鳳計(jì)劃”。

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%。相關(guān)理論成果發(fā)表在《美國(guó)化工學(xué)會(huì)會(huì)志》《化學(xué)工程科學(xué)》等權(quán)威期刊。

經(jīng)過十五年的產(chǎn)學(xué)研合作，磷酸鐵鋰動(dòng)力電池技術(shù)不斷完善，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)，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。

應(yīng)用了磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的用戶端儲(chǔ)能電站已經(jīng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行多年，并獲得美國(guó)市場(chǎng)及歐洲相關(guān)領(lǐng)域權(quán)威機(jī)構(gòu)的認(rèn)可，先后榮獲“2015年度北美地區(qū)集中式儲(chǔ)能創(chuàng)新獎(jiǎng)”，以及德國(guó)清潔科技研究所授予的2017年度全球儲(chǔ)能“科技驅(qū)動(dòng)者（Tech Driver）”大獎(jiǎng)。

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)政策不斷完善和科學(xué)化，可以預(yù)見，磷酸鐵鋰動(dòng)力電池在電動(dòng)大巴、大型交通物流工具，大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中將長(zhǎng)期發(fā)揮作用，造福于人類 。