新能源汽車，太陽能、風(fēng)能并網(wǎng)調(diào)頻儲能電站，移動通訊基站，電動物流車……在新能源產(chǎn)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(wǎng)等新興產(chǎn)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(diǎn)，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(rèn)的可持續(xù)發(fā)展的動力鋰電池正極材料。

上海交大化學(xué)化工學(xué)院馬紫峰教授團(tuán)隊(duì)自2004年以來，聯(lián)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(jīng)過15年的努力，構(gòu)建了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的磷酸鐵鋰動力電池技術(shù)體系，在新能源汽車和儲能工程系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。團(tuán)隊(duì)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(yīng)用過程關(guān)鍵技術(shù)”榮獲2018年國家科技進(jìn)步二等獎。

從新合成反應(yīng)設(shè)計(jì)到萬噸級生產(chǎn)

1996年，磷酸鐵鋰被應(yīng)用于動力鋰電池研究。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際企業(yè)的合成工藝，發(fā)現(xiàn)這些反應(yīng)過程會產(chǎn)生一氧化碳、氨氣等有害氣體，而且燒結(jié)時間長，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)攜帶新方法，與橫店集團(tuán)東磁股份有限公司合作，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)出電動車用磷酸鐵鋰電池，為大規(guī)模生產(chǎn)線建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ)。

2007年，馬紫峰作為首席科學(xué)家，主持國家973計(jì)劃“電動汽車用低成本、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)展注入了新的活力。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)開展了磷酸鐵鋰材料及其應(yīng)用技術(shù)研發(fā)。此后，馬紫峰團(tuán)隊(duì)與比亞迪合作，開展磷酸鐵鋰電池儲能系統(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(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)許可多家企業(yè)實(shí)施應(yīng)用，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(nèi)專家組成的科技成果鑒定委員會一致認(rèn)為：馬紫峰團(tuán)隊(duì)的研究成果在材料合成理論、工藝與電池設(shè)計(jì)方面均有重要創(chuàng)新，提出的單質(zhì)鐵原子經(jīng)濟(jì)性磷酸鐵鋰合成反應(yīng)為國際首創(chuàng)。

成為制造和應(yīng)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(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(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(tuán)隊(duì)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(chǎn)業(yè)化，被廣泛應(yīng)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(fù)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(guān)。馬紫峰團(tuán)隊(duì)開發(fā)了新的SOC估計(jì)模型，與國際先進(jìn)指標(biāo)相比，該模型對電池健康狀態(tài)的估計(jì)精度提高了約5個百分點(diǎn)，達(dá)到97%。另外，團(tuán)隊(duì)還與比亞迪合作開發(fā)了基于滾動時域優(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15年的產(chǎn)學(xué)研合作，中國已經(jīng)成為磷酸鐵鋰電池制造及應(yīng)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(yīng)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。