上海交大研制磷酸铁锂动力电池 助推新能源产业技术变革 

2019-01-08 15:42:03 来源: 科技日报 作者: 王春

中国科技网·科技日报记者 王春

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。

车子用什么电池好呢?众所周知,锂电池由于其能量密度高、携带轻便,已成功应用于手机和笔记本电脑等消费品电子产品。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,无需钴、镍等有色金属,是国际公认的可一类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、中聚电池、江苏乐能、中兴派能等企业,经过十五年的努力,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。1月8日,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,产学研合作促进科研成果转化

磷酸铁锂从1950年代被发现以来,世界各国科学家对其电、磁特性进行了系统研究,在1960年代通过物理法或化学法合成出高纯磷酸铁锂样品。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合成工艺,发现这些反应过程会产生CO、氨气等有害气体,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着磷酸铁锂合成新方法,与浙江横店东磁合作,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新的活力。通过973计划项目,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磷酸铁锂材料及其应用技术开发。2010年,为拓展磷酸铁锂应用领域,马紫峰团队与比亚迪合作,获得上海市科委重大科技专项,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,先后授权许可给多家企业实施,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、宁德时代等众多知名电池企业。2015年初,以吴锋、孙世刚、张锁江等专家组成的科技成果鉴定委员会一致认为:研究成果系统性强,在材料合成理论、工艺与电池设计方面均有重要创新,在磷酸铁锂材料合成反应及材料纳米化方面的研究成果处于国际先进水平,所提出的单质铁原子经济性磷酸铁锂合成反应为国际首创。

攻克技术难题,助力成果推广应用

要制造一颗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。

电池管理系统设计是电池成组应用到电动汽车与储能中十分重要环节。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。

团队基于电池反应/传递机理及运行特性分析,开发相关技术,建立了新的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%。相关理论成果发表在《美国化工学会会志》、《化学工程科学》等权威期刊。

经过十五年的产学研合作,磷酸铁锂动力电池技术不断完善,中国已经成为磷酸铁锂电池制造及应用世界第一大国,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。

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