電動汽車動力電池磷酸鐵鋰正極材料制備與應(yīng)用

——訪國家973計劃首席科學(xué)家、上海交大電化學(xué)與能源技術(shù)研究所馬紫峰

鋰電世界  記者: 馬教授。您好，很高興閣下能在第六屆華南鋰電論壇現(xiàn)場接受專訪，我們知道您是中國科技部973計劃計劃電動汽車用低成本高密度蓄電（氫）體系基礎(chǔ)科學(xué)問題研究，您能為我們解析電動汽車動力電池磷酸鐵鋰正極材料制備與應(yīng)用方面的相關(guān)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(yè)，因為2000年以前我是做燃料電池的，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(lǐng)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(xiàn)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(chǎn)業(yè)化的研究。

記者:馬教授，您是973計劃首席科學(xué)家、上海交通大學(xué)電化學(xué)與能源技術(shù)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：鋰電池現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用得非常廣泛和普遍，這個過程當(dāng)中之所以今天來講鋰電池又被煥發(fā)了青春，是因為它在動力電池上面以及未來的一些工具上面有很大的應(yīng)用。我們今天來講為什么要選擇鋰電池？為什么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(xiàn)在為止，我認為動力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電池的重大專項，經(jīng)過了6年的示范以后到了2006年燃料電池汽車、混合動力汽車以及純電動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車都定義為“新能源汽車”，新能源汽車已經(jīng)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(xiàn)象，現(xiàn)在呼聲很高、熱[NextPage]點很多，但是存在了很多的問題。

記者:那么，請您具體講述一下電動車的領(lǐng)域當(dāng)中要進一步的產(chǎn)業(yè)化必須解決哪些問題呢？

馬紫峰：你這個問題提得很好，我覺得在電動車的領(lǐng)域當(dāng)中要進一步的產(chǎn)業(yè)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。事實上來講電動車里面鋰電池是不是一個最終的解決方案？我認為還有一個“？”。在未來的新能源汽車當(dāng)中或者是電動車當(dāng)中燃料電池汽車依然有它的地位和作用，但是今天燃料電池本身又存在哪些問題？所以我認為今天來講下一步我們可能要發(fā)展的是從傳統(tǒng)的這種油電混合方式往氫電混合方式的發(fā)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(dāng)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(lǐng)未來的方向，氫電混合里面需要解決三個問題，1鋰電，2是主氫，3是燃料電池本身。

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”？大家知道 863 是國家的高科技的計劃，在座的企業(yè)和單位都很多參加了國家863的計劃，他瞄準的是應(yīng)用，而973計劃是“重大基礎(chǔ)研究計劃”，973計劃是在1997年 3月份全國人大確定的要在產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開發(fā)的基礎(chǔ)上瞄準農(nóng)業(yè)、能源、信息、人口與健康、資源與環(huán)境，還有新材料等等這些領(lǐng)域開展重大的技術(shù)研究，導(dǎo)向型的基礎(chǔ)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(jīng)經(jīng)歷了十年的工作，這十年的當(dāng)中應(yīng)該說對我們國家的重大基礎(chǔ)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，第一個計劃就是關(guān)于氫能[NextPage]燃料電池的973計劃，是由2000年開始到05年結(jié)束，由毛教授領(lǐng)銜的。第二個是二次電池的清晰劑，這是由北京理工大學(xué)的吳教授擔(dān)任了首席科學(xué)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，這是一個初步需要解決的，對于混合動力來講高密度的儲電系統(tǒng)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《電動車用的低成本、高密度、續(xù)電、儲氫技術(shù)的基礎(chǔ)研究》，在這里可以看到在我們的973項目當(dāng)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(chǔ)研究的時候回避去談成本，或者是跟經(jīng)濟效益有關(guān)的東西，實際上在座的都很清楚，如果一個技術(shù)想要真正地產(chǎn)業(yè)化，成本是回避不了的，而成本的降低它的核心是什么？創(chuàng)新技術(shù)。我們知道在鋰電池行業(yè)當(dāng)中從鈷酸鋰到現(xiàn)在的磷酸鐵鋰，事實上就是因為技術(shù)上的革命，其實是在材料上的變化，如果沒有這個前期的很好的基礎(chǔ)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(dāng)中具體是一個什么樣的情況？有哪些主功課題呢？

馬紫峰：在我們的973計劃當(dāng)中，我們列了七個課題，973計劃它是一個團體作戰(zhàn)的制度，我們的項目又邀請了清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、包括吳宇平教授都參與了我們 973的活動，還有廈門大學(xué)。我們的題目分為七個課題，第一個和第二個是瞄準基礎(chǔ)研究的，吳宇平教授在這個里面發(fā)揮了領(lǐng)導(dǎo)的作用，主要是研究低成本的電極材料和基礎(chǔ)的研究。第三個題目是大家都知道在電動車里面其實大家都沒談的就是耗機電容器，它本身在電動車起的作用是非常大的，它不一定是完全的單一的作用，但是電動車燃料的補[NextPage]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(xiàn)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電池等等。第五和第六個課題我們瞄準了工業(yè)應(yīng)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(shè)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(zhì)要穩(wěn)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(xiàn)在這個電池行業(yè)的發(fā)展，事實上我認為今天磷酸鐵鋰它之所以能夠有大規(guī)模的應(yīng)用有一個很重要的原因，現(xiàn)在在中國就沒有一家廠可以能夠完全、高品質(zhì)地連續(xù)性地提供這個材料。我們現(xiàn)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(lǐng)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(xiàn)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(chǎn)業(yè)化的研究的相關(guān)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，我們都知道在電化學(xué)性能來講絕對性的材料一個是活性材料、一個是電解質(zhì)、一個是隔膜，我認為今天來講我們繼續(xù)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(chǔ)。我們可能要去尋找新的電解液的體系，還有創(chuàng)建新的電池的概念。關(guān)于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(xiàn)在市場上大家已經(jīng)談得非常多，它的優(yōu)點是穩(wěn)定性、價格的潛力還有環(huán)境的適應(yīng)性等等，但是它的問題是電導(dǎo)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[NextPage]料的制備過程工藝進行探索，在探索的過程當(dāng)中我們首先對他的materials進行了調(diào)研，我們可以看到在磷酸鐵鋰制備工藝當(dāng)中相當(dāng)多，包括物相反應(yīng)、水熱合成等等，這些工藝都是在實驗室里面進行開發(fā)的，有一部分已經(jīng)了工業(yè)化，比如說固相反應(yīng)，比如化學(xué)合成的方法等等，也有很多的方法在研究，包括球膜現(xiàn)在也進入了一些產(chǎn)業(yè)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(dāng)復(fù)雜的，現(xiàn)在各個地方采用的這個技術(shù)路線是不一樣的，這個技術(shù)路線不一樣也造成了這個產(chǎn)品的品質(zhì)不同，品質(zhì)的不同就是跟他的反應(yīng)方程式是有關(guān)系的，我們這里羅列了一些過程，04年我們發(fā)明了一個全新的工藝路線是機械化學(xué)合成反應(yīng)，我們發(fā)明了這樣一個化學(xué)合成反應(yīng)的方程式，最主要的一點大家可以看到如果這個化學(xué)反應(yīng)是完全的話，它的產(chǎn)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(nèi)最早的磷酸鐵鋰的一個合成的專利。這個結(jié)果在 2004年就發(fā)表在美國的一些?？厦?。這個數(shù)據(jù)可以看到這是在2004年報告的結(jié)果，我們可以看到得到完全純相的磷酸鐵鋰的它的重復(fù)性是不錯的，這是從 0.1C—1C的結(jié)果。這個結(jié)果上我們還做了很多循環(huán)的實驗，而且在05年開始我們就把前面發(fā)明的這個技術(shù)進行了產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的開發(fā)，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(jié)晶的工藝和碳熱合成相結(jié)合的工藝，我們所需要的原料是磷酸鐵，但是當(dāng)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(xué)合作在磷酸鐵的制造上面進行了一些研究，通過阻止結(jié)晶的方法得到了磷酸鐵的粉樣，然后進行后續(xù)的研究。我們跟浙江的公司建立了年產(chǎn)300噸的示范裝置，通過控制結(jié)晶和球膜相結(jié)合的兩條產(chǎn)業(yè)路線得到這樣產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品，大家可以看到相關(guān)的一些報道。

記者：這個材料出來之后[NextPage]，我們現(xiàn)在的工作主要是瞄準材料的應(yīng)用當(dāng)中的技術(shù)問題，請您給我們介紹一下磷酸鐵鋰的相關(guān)情況以及未來的一個發(fā)展趨勢，謝謝！

馬紫峰：這個材料出來之后，我們現(xiàn)在的工作主要是瞄準材料的應(yīng)用當(dāng)中的技術(shù)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(yīng)用當(dāng)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(fù)合的模式進行研究，經(jīng)過包覆以后500次的循環(huán)以后我們發(fā)現(xiàn)包覆和沒有包覆的結(jié)果，這是55度下的一個結(jié)果，而且我們從放電的容量從04年0.1C 開始做現(xiàn)在從1C—5C甚至是到8C的結(jié)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(jié)果最近我們發(fā)表在了國際電話通訊上面，而且這個循環(huán)的性能已經(jīng)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(fā)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(yīng)用，這是交大電器實驗室和我們合作開發(fā)的電動自行車的模塊，這個車輛現(xiàn)在已經(jīng)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警用的示范車輛。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(dāng)中我們還發(fā)現(xiàn)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(jīng)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(yīng)該說這個結(jié)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(chǔ)研究的工作，這些研究的工作從材料的制備到高溫性能和[NextPage]低溫性能。

記者：作為973整個項目的團隊的主要負責(zé)人，通過中國電池商情雜志您有什么厚望寄予電池行業(yè)的同仁或朋友的？

馬紫峰：我們作為973整個項目的團隊來講，我們并不像企業(yè)一樣，好像企業(yè)他會對自己進行一種保護，973的目標是引領(lǐng)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(fā)展。最后，我要感謝我們國家973的計劃和國家自然科學(xué)基金委包括上海市自然科學(xué)基金委以及包括所有對我們的支持單位和人們，謝謝大家！