鉅大LARGE | 點擊量：803次 | 2021年09月13日
動力鋰電池磷酸鐵鋰正極材料制備與應用
訪國家973計劃首席科學家、上海交大電化學與能源技術研究所馬紫峰記者:馬教授。您好，很高興閣下能在第六屆華南鋰電論壇現場接受專訪，我們了解您是我國科技部973計劃計劃電動汽車用低成本高密度蓄電（氫）體系基礎科學問題研究，您能為我們解析電動汽車動力鋰離子電池磷酸鐵鋰正極材料制備與應用方面的相關知識嗎？
馬紫峰：在這里能夠借此機會感謝楊曉青博士把我代入了鋰電的行業，因為2000年以前我是做燃料動力鋰電池的，正好有2000年有機會的時候到美國訪問的時候跟楊曉青教授去合作，是他把我領入了這樣一個機會，所以我想借這個機會謝謝你！
回答提問我將分兩個部分，首先我介紹一下我現在在主持國家的973計劃，另外我想介紹一下我們的課題組正在從事的磷酸鐵鋰的產業化的研究。
記者:馬教授，您是973計劃首席科學家、上海交通大學電化學與能源技術研究所教授，先請您給讀者朋友講解一下閣下主持的國家的973計劃，謝謝！
馬紫峰：鋰離子電池現在已經應用得非常廣泛和普遍，這個過程當中之所以今天來講鋰離子電池又被煥發了青春，是因為它在動力鋰離子電池上面以及未來的一些工具上面有很大的應用。我們今天來講為何要選擇鋰離子電池？為何要來做一個新能源汽車呢？我想其實有很多的答案，但是今天來講做到現在為止，我認為動力鋰離子電池還有三個瓶頸沒有突破，2000年的時候萬剛科技部長他組織了一個動力鋰離子電池的重大專項，經過了6年的示范以后到了2006年燃料動力鋰電池汽車、混合動力汽車以及純電動汽車都得到了普遍的示范，在今年09年我們國家所有的原來做電動汽車都含義為新能源汽車，新能源汽車已經在13個城市開展了千輛的示范工程，我們上海實際上是一個最大的示范基地。但是我們要看到一個現象，現在呼聲很高、熱點很多，但是存在了很多的問題。
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記者:那么，請您具體講述一下電動汽車的領域當中要進一步的產業化必須解決什么問題呢？
馬紫峰：你這個問題提得很好，我覺得在電動汽車的領域當中要進一步的產業化必須解決三個問題：第一，電池的問題。今天我們在這里討論鋰電就是為了解決電池的未來。事實上來講電動汽車里面鋰離子電池是不是一個最終的解決方法？我認為還有一個？。在未來的新能源汽車當中或者是電動汽車當中燃料動力鋰電池汽車依然有它的地位和用途，但是今天燃料動力鋰電池本身又存在什么問題？所以我認為今天來講下一步我們可能要發展的是從傳統的這種油電混合方式往氫電混合方式的發展，這是2007年我們提出國家973計劃的一個初衷，這個工作我們當時跟萬剛老師進行了很好的溝通，今天作為國家的計劃來講是要引領未來的方向，氫電混合里面要解決三個問題，1鋰電，2是主氫，3是燃料動力鋰電池本身。
記者:很多人只聽說863計劃，973計劃什么叫973計劃？（記者笑）
馬紫峰：什么叫973計劃？大家了解863是國家的高科技的計劃，在座的公司和單位都很多參加了國家863的計劃，他瞄準的是應用，而973計劃是重大基礎研究計劃，973計劃是在1997年三月份全國人大確定的要在產業化技術開發的基礎上瞄準農業、能源、信息、人口與健康、資源與環境，還有新材料等等這些領域開展重大的技術研究，導向型的基礎研究。
前天我們剛剛在北京開完了今年的973項目的評審會，今天來講973已經經歷了十年的工作，這十年的當中應該說對我們國家的重大基礎研究有很大的推動，包括對我們新能源汽車。在新能源汽車方面國家973計劃迄今為止列了三個973計劃，第一個計劃就是有關氫能燃料動力鋰電池的973計劃，是由2000年開始到05年結束，由毛教授領銜的。第二個是二次電池的清晰劑，這是由北京理工大學的吳教授擔任了首席科學家，他們的課題重點是瞄準了新型的綠色二次電池的體系。不管是純電動汽車、混合動力車、燃料動力車，他們有一個同樣的問題一個是里程很短，他的動力性沒有跟燃料動力相比，他怎么樣解決這個問題呢？有兩個問題，一個是儲氫的問題，這是一個初步要解決的，有關混合動力來講高密度的儲電系統也是一個非常重要的方向。因此在2007年在國家科技部以及我們國家同行的支持下面，立了這樣的一個新的973計劃，我們的973計劃題目是《電動汽車用的低成本、高密度、續電、儲氫技術的基礎研究》，在這里可以看到在我們的973項目當中第一次提出來了這個價格的概念，因為我們很多人在做基礎研究的時候回避去談成本，或者是跟經濟效益有關的東西，實際上在座的都很清楚，假如一個技術想要真正地產業化，成本是回避不了的，而成本的降低它的核心是什么？創新技術。我們了解在鋰離子電池行業當中從鈷酸鋰到現在的磷酸鐵鋰，事實上就是因為技術上的革命，其實是在材料上的變化，假如沒有這個前期的很好的基礎研究就不可能有今天的磷酸鐵鋰這樣的一個火熱的場面。
記者:您能詳細講講973計劃當中具體是一個什么樣的情況？有什么主功課題呢？
馬紫峰：在我們的973計劃當中，我們列了七個課題，973計劃它是一個團體的制度，我們的項目又邀請了清華大學、復旦大學、包括吳宇平教授都參與了我們973的活動，還有廈門大學。我們的題目分為七個課題，第一個和第二個是瞄準基礎研究的，吳宇平教授在這個里面發揮了領導的用途，重要是研究低成本的電極材料和基礎的研究。第三個題目是大家都了解在電動汽車里面其實大家都沒談的就是耗機電容器，它本身在電動汽車起的用途是非常大的，它不一定是完全的單一的用途，但是電動汽車燃料的補充、回收方面是非常重要的。第四個課題是瞄準未來的，因為現在來講我們在談鋰電，在談超電能，未來有一些什么樣的電池呢？也許將來可能五年以后大家都在談鈉硫電池，或者是談高溫的微型化的一些燃料動力鋰電池等等。第五和第六個課題我們瞄準了工業應用，第五個課題就是材料的制備和過程工程的問題，昨天很多人講到了電池的安全性問題是由電池的材料、設計以及它的電池制造過程造成的，而這個材料本身來講他的品質要穩定，首先就是他的制備過程工藝的問題，我們在這里談了很多的就是安全性的問題，以及我們現在這個電池行業的發展，事實上我認為今天磷酸鐵鋰它之所以能夠有大規模的應用有一個很重要的原因，現在在我國就沒有一家廠可以能夠完全、高品質地持續性地供應這個材料。我們現在這個973的計劃他的管理模式是通過這樣的一個顧問委員會來引領來做這個工作，分為三個大的團隊在進行。
記者:剛才我們聽馬教授您介紹了閣下現在在主持國家的973計劃，讓我們對973計劃有了一個更直觀的認知，另外我們很想了解您主持的課題組正在從事的磷酸鐵鋰的產業化的研究的相關情況，可以嗎？
馬紫峰：好的，我們對磷酸鐵鋰制備過程的一些探索和一些研究工作，我們都了解在電化學性能來講絕對性的材料一個是活性材料、一個是電解質、一個是隔膜，我認為今天來講我們繼續地去進行尋找新的這種電解材料還是非常必要的，因為它是我們改進未來能量密度的一個基礎。我們可能要去尋找新的電解液的體系，還有創建新的電池的概念。有關陰極材料來講大家都非常了解，我想這里就不多講了，從鈷酸鋰到錳酸鋰到磷酸鐵鋰，包括到改性的這些財力。磷酸鐵鋰現在市場上大家已經談得非常多，它的優點是穩定性、價格的潛力還有環境的適應性等等，但是它的問題是電導率比較低、擴散的速率是受限制的。
我們做了一些什么樣的工作呢？我們的973重點地是圍繞材料的制備過程工藝進行探索，在探索的過程當中我們首先對他的materials進行了調研，我們可以看到在磷酸鐵鋰制備工藝當中相當多，包括物相反應、水熱合成等等，這些工藝都是在實驗室里面進行開發的，有一部分已經了工業化，比如說固相反應，比如化學合成的方法等等，也有很多的方法在研究，包括球膜現在也進入了一些產業化的過程。合成的路線五花八門，還有一個很重要的是它的原料路線是相當復雜的，現在各個地方采用的這個技術路線是不相同的，這個技術路線不相同也造成了這個產品的品質不同，品質的不同就是跟他的反應方程式是有關系的，我們這里羅列了一些過程，04年我們發明了一個全新的工藝路線是機械化學合成反應，我們發明了這樣一個化學合成反應的方程式，最重要的一點大家可以看到假如這個化學反應是完全的話，它的產物只有磷酸鐵鋰和水，有可能就得到一個非常純相的材料，這個工作我們在2005年取得了國內最早的磷酸鐵鋰的一個合成的專利。這個結果在2004年就發表在美國的一些專刊上面。這個數據可以看到這是在2004年報告的結果，我們可以看到得到完全純相的磷酸鐵鋰的它的重復性是不錯的，這是從0.1C1C的結果。這個結果上我們還做了很多循環的實驗，而且在05年開始我們就把前面發明的這個技術進行了產業化技術的開發，在這個里面我們還進行了一些新的工藝的探索，這系一個新型的磷酸鐵鋰合成路線，這是用控制結晶的工藝和碳熱合成相結合的工藝，我們所要的原料是磷酸鐵，但是當時做原料的時候磷酸鐵的市場是不成熟的，你要拿到磷酸鐵的原料本身有一些問題，所以我們跟清華大學合作在磷酸鐵的制造上面進行了一些研究，通過阻止結晶的方法得到了磷酸鐵的粉樣，然后進行后續的研究。我們跟浙江的公司建立了年產300噸的示范裝置，通過控制結晶和球膜相結合的兩條產業路線得到這樣產業化的產品，大家可以看到相關的一些報道。
記者：這個材料出來之后，我們現在的工作重要是瞄準材料的應用當中的技術問題，請您給我們介紹一下磷酸鐵鋰的相關情況以及未來的一個發展趨勢，謝謝！
馬紫峰：這個材料出來之后，我們現在的工作重要是瞄準材料的應用當中的技術問題，因為我前面講到了磷酸鐵鋰他不是一個萬能的東西，磷酸鐵鋰就算是它得到100%的純相，性能達到170，它也還有很多的問題。比如說我們在應用當中的高溫性能、低溫性能，怎么樣解決高溫性能呢？其實有很多的辦法，最近我們采用了PPY可看的復合的模式進行研究，經過包覆以后500次的循環以后我們發現包覆和沒有包覆的結果，這是55度下的一個結果，而且我們從放電的容量從04年0.1C開始做現在從1C5C甚至是到8C的結果，這個是從-20度到20度到55度的變化，通過PPY的包覆以后這個材料的高溫性能會有一個很大的提高，這個結果最近我們發表在了國際電話通訊上面，而且這個循環的性能已經有了很大的變化，我們用這樣的一個磷酸鐵鋰材料跟上海的一家公司合作開發了一系列的4AH和15AH的一些電池，這些電池模塊把它組裝成為不同的應用，這是交大電器實驗室和我們合作開發的電動自行車的模塊，這個車輛現在已經在上一個月被上海市政府定名為示范的公安派出所里面民的示范車輛。這個是DLG公司他們用了磷酸鐵鋰材料用的電池，用在了美國的K2的車上面。
這個研究過程當中我們還發現了一個低溫性能也是很重要的，低溫性能的改進僅僅靠磷酸鐵鋰本身就已經達不到了，這個里面我們認為就要去找一些新的電解液，我們后來在探索了一些新的電解液體系，我們配置了一個全新的電解液的概念，這個電解液從零下40度一直做到零下20度，從0.1C到0.5C進行了實驗，應該說這個結果還是有一些改善的。這個是在各種的低溫性能下它的阻碳的譜圖。這是從04年以來我們在磷酸鐵鋰做的一些基礎研究的工作，這些研究的工作從材料的制備到高溫性能和低溫性能。
記者：作為973整個項目的團隊的重要負責人，通過我國電池商情雜志您有什么厚望寄予電池行業的同仁或朋友的？
馬紫峰：我們作為973整個項目的團隊來講，我們并不像公司相同，好像公司他會對自己進行一種保護，973的目標是引領國家的一些方向，我也希望大家在很多的場合里面講一些陣話，講一些客觀的東西。所以我希望我們能夠共同地來探討、共同地來推進我們國家的新能源汽車的發展。最后，我要感謝我們國家973的計劃和國家自然科學基金委包括上海市自然科學基金委以及包括所有對我們的支持單位和人們，謝謝大家！
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