钜大LARGE | 点击量：789次 | 2021年09月13日
动力锂电池磷酸铁锂正极材料制备与应用
访国家973计划首席科学家、上海交大电化学与能源技术研究所马紫峰记者:马教授。您好，很高兴阁下能在第六届华南锂电论坛现场接受专访，我们了解您是我国科技部973计划计划电动汽车用低成本高密度蓄电（氢）体系基础科学问题研究，您能为我们解析电动汽车动力锂离子电池磷酸铁锂正极材料制备与应用方面的相关知识吗？
马紫峰：在这里能够借此机会感谢杨晓青博士把我代入了锂电的行业，因为2000年以前我是做燃料动力锂电池的，正好有2000年有机会的时候到美国访问的时候跟杨晓青教授去合作，是他把我领入了这样一个机会，所以我想借这个机会谢谢你！
回答提问我将分两个部分，首先我介绍一下我现在在主持国家的973计划，另外我想介绍一下我们的课题组正在从事的磷酸铁锂的产业化的研究。
记者:马教授，您是973计划首席科学家、上海交通大学电化学与能源技术研究所教授，先请您给读者朋友讲解一下阁下主持的国家的973计划，谢谢！
马紫峰：锂离子电池现在已经应用得非常广泛和普遍，这个过程当中之所以今天来讲锂离子电池又被焕发了青春，是因为它在动力锂离子电池上面以及未来的一些工具上面有很大的应用。我们今天来讲为何要选择锂离子电池？为何要来做一个新能源汽车呢？我想其实有很多的答案，但是今天来讲做到现在为止，我认为动力锂离子电池还有三个瓶颈没有突破，2000年的时候万刚科技部长他组织了一个动力锂离子电池的重大专项，经过了6年的示范以后到了2006年燃料动力锂电池汽车、混合动力汽车以及纯电动汽车都得到了普遍的示范，在今年09年我们国家所有的原来做电动汽车都含义为新能源汽车，新能源汽车已经在13个城市开展了千辆的示范工程，我们上海实际上是一个最大的示范基地。但是我们要看到一个现象，现在呼声很高、热点很多，但是存在了很多的问题。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
记者:那么，请您具体讲述一下电动汽车的领域当中要进一步的产业化必须解决什么问题呢？
马紫峰：你这个问题提得很好，我觉得在电动汽车的领域当中要进一步的产业化必须解决三个问题：第一，电池的问题。今天我们在这里讨论锂电就是为了解决电池的未来。事实上来讲电动汽车里面锂离子电池是不是一个最终的解决方法？我认为还有一个？。在未来的新能源汽车当中或者是电动汽车当中燃料动力锂电池汽车依然有它的地位和用途，但是今天燃料动力锂电池本身又存在什么问题？所以我认为今天来讲下一步我们可能要发展的是从传统的这种油电混合方式往氢电混合方式的发展，这是2007年我们提出国家973计划的一个初衷，这个工作我们当时跟万刚老师进行了很好的沟通，今天作为国家的计划来讲是要引领未来的方向，氢电混合里面要解决三个问题，1锂电，2是主氢，3是燃料动力锂电池本身。
记者:很多人只听说863计划，973计划什么叫973计划？（记者笑）
马紫峰：什么叫973计划？大家了解863是国家的高科技的计划，在座的公司和单位都很多参加了国家863的计划，他瞄准的是应用，而973计划是重大基础研究计划，973计划是在1997年三月份全国人大确定的要在产业化技术开发的基础上瞄准农业、能源、信息、人口与健康、资源与环境，还有新材料等等这些领域开展重大的技术研究，导向型的基础研究。
前天我们刚刚在北京开完了今年的973项目的评审会，今天来讲973已经经历了十年的工作，这十年的当中应该说对我们国家的重大基础研究有很大的推动，包括对我们新能源汽车。在新能源汽车方面国家973计划迄今为止列了三个973计划，第一个计划就是有关氢能燃料动力锂电池的973计划，是由2000年开始到05年结束，由毛教授领衔的。第二个是二次电池的清晰剂，这是由北京理工大学的吴教授担任了首席科学家，他们的课题重点是瞄准了新型的绿色二次电池的体系。不管是纯电动汽车、混合动力车、燃料动力车，他们有一个同样的问题一个是里程很短，他的动力性没有跟燃料动力相比，他怎么样解决这个问题呢？有两个问题，一个是储氢的问题，这是一个初步要解决的，有关混合动力来讲高密度的储电系统也是一个非常重要的方向。因此在2007年在国家科技部以及我们国家同行的支持下面，立了这样的一个新的973计划，我们的973计划题目是《电动汽车用的低成本、高密度、续电、储氢技术的基础研究》，在这里可以看到在我们的973项目当中第一次提出来了这个价格的概念，因为我们很多人在做基础研究的时候回避去谈成本，或者是跟经济效益有关的东西，实际上在座的都很清楚，假如一个技术想要真正地产业化，成本是回避不了的，而成本的降低它的核心是什么？创新技术。我们了解在锂离子电池行业当中从钴酸锂到现在的磷酸铁锂，事实上就是因为技术上的革命，其实是在材料上的变化，假如没有这个前期的很好的基础研究就不可能有今天的磷酸铁锂这样的一个火热的场面。
记者:您能详细讲讲973计划当中具体是一个什么样的情况？有什么主功课题呢？
马紫峰：在我们的973计划当中，我们列了七个课题，973计划它是一个团体的制度，我们的项目又邀请了清华大学、复旦大学、包括吴宇平教授都参与了我们973的活动，还有厦门大学。我们的题目分为七个课题，第一个和第二个是瞄准基础研究的，吴宇平教授在这个里面发挥了领导的用途，重要是研究低成本的电极材料和基础的研究。第三个题目是大家都了解在电动汽车里面其实大家都没谈的就是耗机电容器，它本身在电动汽车起的用途是非常大的，它不一定是完全的单一的用途，但是电动汽车燃料的补充、回收方面是非常重要的。第四个课题是瞄准未来的，因为现在来讲我们在谈锂电，在谈超电能，未来有一些什么样的电池呢？也许将来可能五年以后大家都在谈钠硫电池，或者是谈高温的微型化的一些燃料动力锂电池等等。第五和第六个课题我们瞄准了工业应用，第五个课题就是材料的制备和过程工程的问题，昨天很多人讲到了电池的安全性问题是由电池的材料、设计以及它的电池制造过程造成的，而这个材料本身来讲他的品质要稳定，首先就是他的制备过程工艺的问题，我们在这里谈了很多的就是安全性的问题，以及我们现在这个电池行业的发展，事实上我认为今天磷酸铁锂它之所以能够有大规模的应用有一个很重要的原因，现在在我国就没有一家厂可以能够完全、高品质地持续性地供应这个材料。我们现在这个973的计划他的管理模式是通过这样的一个顾问委员会来引领来做这个工作，分为三个大的团队在进行。
记者:刚才我们听马教授您介绍了阁下现在在主持国家的973计划，让我们对973计划有了一个更直观的认知，另外我们很想了解您主持的课题组正在从事的磷酸铁锂的产业化的研究的相关情况，可以吗？
马紫峰：好的，我们对磷酸铁锂制备过程的一些探索和一些研究工作，我们都了解在电化学性能来讲绝对性的材料一个是活性材料、一个是电解质、一个是隔膜，我认为今天来讲我们继续地去进行寻找新的这种电解材料还是非常必要的，因为它是我们改进未来能量密度的一个基础。我们可能要去寻找新的电解液的体系，还有创建新的电池的概念。有关阴极材料来讲大家都非常了解，我想这里就不多讲了，从钴酸锂到锰酸锂到磷酸铁锂，包括到改性的这些财力。磷酸铁锂现在市场上大家已经谈得非常多，它的优点是稳定性、价格的潜力还有环境的适应性等等，但是它的问题是电导率比较低、扩散的速率是受限制的。
我们做了一些什么样的工作呢？我们的973重点地是围绕材料的制备过程工艺进行探索，在探索的过程当中我们首先对他的materials进行了调研，我们可以看到在磷酸铁锂制备工艺当中相当多，包括物相反应、水热合成等等，这些工艺都是在实验室里面进行开发的，有一部分已经了工业化，比如说固相反应，比如化学合成的方法等等，也有很多的方法在研究，包括球膜现在也进入了一些产业化的过程。合成的路线五花八门，还有一个很重要的是它的原料路线是相当复杂的，现在各个地方采用的这个技术路线是不相同的，这个技术路线不相同也造成了这个产品的品质不同，品质的不同就是跟他的反应方程式是有关系的，我们这里罗列了一些过程，04年我们发明了一个全新的工艺路线是机械化学合成反应，我们发明了这样一个化学合成反应的方程式，最重要的一点大家可以看到假如这个化学反应是完全的话，它的产物只有磷酸铁锂和水，有可能就得到一个非常纯相的材料，这个工作我们在2005年取得了国内最早的磷酸铁锂的一个合成的专利。这个结果在2004年就发表在美国的一些专刊上面。这个数据可以看到这是在2004年报告的结果，我们可以看到得到完全纯相的磷酸铁锂的它的重复性是不错的，这是从0.1C1C的结果。这个结果上我们还做了很多循环的实验，而且在05年开始我们就把前面发明的这个技术进行了产业化技术的开发，在这个里面我们还进行了一些新的工艺的探索，这系一个新型的磷酸铁锂合成路线，这是用控制结晶的工艺和碳热合成相结合的工艺，我们所要的原料是磷酸铁，但是当时做原料的时候磷酸铁的市场是不成熟的，你要拿到磷酸铁的原料本身有一些问题，所以我们跟清华大学合作在磷酸铁的制造上面进行了一些研究，通过阻止结晶的方法得到了磷酸铁的粉样，然后进行后续的研究。我们跟浙江的公司建立了年产300吨的示范装置，通过控制结晶和球膜相结合的两条产业路线得到这样产业化的产品，大家可以看到相关的一些报道。
记者：这个材料出来之后，我们现在的工作重要是瞄准材料的应用当中的技术问题，请您给我们介绍一下磷酸铁锂的相关情况以及未来的一个发展趋势，谢谢！
马紫峰：这个材料出来之后，我们现在的工作重要是瞄准材料的应用当中的技术问题，因为我前面讲到了磷酸铁锂他不是一个万能的东西，磷酸铁锂就算是它得到100%的纯相，性能达到170，它也还有很多的问题。比如说我们在应用当中的高温性能、低温性能，怎么样解决高温性能呢？其实有很多的办法，最近我们采用了PPY可看的复合的模式进行研究，经过包覆以后500次的循环以后我们发现包覆和没有包覆的结果，这是55度下的一个结果，而且我们从放电的容量从04年0.1C开始做现在从1C5C甚至是到8C的结果，这个是从-20度到20度到55度的变化，通过PPY的包覆以后这个材料的高温性能会有一个很大的提高，这个结果最近我们发表在了国际电话通讯上面，而且这个循环的性能已经有了很大的变化，我们用这样的一个磷酸铁锂材料跟上海的一家公司合作开发了一系列的4AH和15AH的一些电池，这些电池模块把它组装成为不同的应用，这是交大电器实验室和我们合作开发的电动自行车的模块，这个车辆现在已经在上一个月被上海市政府定名为示范的公安派出所里面民的示范车辆。这个是DLG公司他们用了磷酸铁锂材料用的电池，用在了美国的K2的车上面。
这个研究过程当中我们还发现了一个低温性能也是很重要的，低温性能的改进仅仅靠磷酸铁锂本身就已经达不到了，这个里面我们认为就要去找一些新的电解液，我们后来在探索了一些新的电解液体系，我们配置了一个全新的电解液的概念，这个电解液从零下40度一直做到零下20度，从0.1C到0.5C进行了实验，应该说这个结果还是有一些改善的。这个是在各种的低温性能下它的阻碳的谱图。这是从04年以来我们在磷酸铁锂做的一些基础研究的工作，这些研究的工作从材料的制备到高温性能和低温性能。
记者：作为973整个项目的团队的重要负责人，通过我国电池商情杂志您有什么厚望寄予电池行业的同仁或朋友的？
马紫峰：我们作为973整个项目的团队来讲，我们并不像公司相同，好像公司他会对自己进行一种保护，973的目标是引领国家的一些方向，我也希望大家在很多的场合里面讲一些阵话，讲一些客观的东西。所以我希望我们能够共同地来探讨、共同地来推进我们国家的新能源汽车的发展。最后，我要感谢我们国家973的计划和国家自然科学基金委包括上海市自然科学基金委以及包括所有对我们的支持单位和人们，谢谢大家！
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