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磷酸鐵鋰電池制造中國已成第一?

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……在新能源產業發展浪潮中,動力電池發揮著舉足輕重的角色。中國已經成為磷酸鐵鋰電池制造及應用世界第一大國。

磷酸鐵鋰電池

在剛剛舉行的2018年度國家科學技術獎勵大會上,由上海交大化學化工學院馬紫峰教授團隊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。

鋰電池由于其能量密度高、攜帶輕便,已成功應用于手機和筆記本電腦等消費品電子產品。隨著新能源汽車、可再生能源和智能電網等新興產業發展,高安全、長壽命、高容量和低成本的動力鋰電池研發成為研究前沿。

正極材料是電池發展的基礎,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、長循環壽命和容量穩定等優點,且可利用豐富低廉的鐵、磷資源,無需鈷、鎳等有色金屬,是國際公認的可一類持續發展的動力鋰電池正極材料。

但是磷酸鐵鋰要實現大規模應用,必須建立噸級生產能力的制造工藝與裝備。馬紫峰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著磷酸鐵鋰合成新方法,與浙江橫店東磁合作,開發磷酸鐵鋰正極材料。

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化發展注入新的活力。2010年,為拓展磷酸鐵鋰應用領域,馬紫峰團隊與比亞迪合作,獲得上海市科委重大科技專項,開展磷酸鐵鋰電池儲能系統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拓展。

交大的這項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新,在磷酸鐵鋰材料合成反應及材料納米化方面的研究成果處于國際先進水平,所提出的單質鐵原子經濟性磷酸鐵鋰合成反應為國際首創。

攻克技術難題,優化產品性能

要制造一顆性能優異的動力電池,不僅需要有優異的正極材料,還需要對電池材料的化學體系進行優化,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。

馬紫峰團隊發明了一種涂液的配置及其涂敷的方法,提出了相應工藝,優化了技術參數,形成一種超高倍率、超長循環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。

電池管理系統設計是電池成組應用到電動汽車與儲能中十分重要環節。動力電池系統還有多少電量,直接影響到汽車的續航里程。

電池的電量多少可以用電池荷電狀態(SOC)來描述,SOC是一個復雜動態變化過程,與電池系統工作溫度、充電與放電速度密切相關。團隊基于電池反應/傳遞機理及運行特性分析,開發相關技術,建立了新的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了基于滾動時域優化的SOC估計模型,將SOC估計精度進一步提高到99%。

經過十五年的產學研合作,磷酸鐵鋰動力電池技術不斷完善,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。

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