电池技术新突破:磷酸铁锂电池

2019-10-06      353 次浏览

1月8日,备受瞩目的国家科学技术奖励大会在北京隆重举行,此次奖励大会涌现了国内一大批军工、生物医药、材料科学等不同领域的重大科技成果。其中,在电池这个细分领域,由上海交通大学化学化工学院马紫峰教授团队完成的“磷酸铁锂动力电池制造及其应用过程关键技术”项目,荣获2018年国家科技进步二等奖。


“磷酸铁锂动力电池制造及其应用过程关键技术”项目是通过紧密产学研合作形成产业突破的典范案例。马紫峰教授团队是国内具有重要影响的电化学能源技术创新团队,提出了基于FePO4的LiFePO4(简称LFP)合成新反应,并深入该科研项目。


磷酸铁锂正极材料是一种安全性好、循环寿命长,利用丰富的铁、磷元素,无需钴、镍等昂贵有色金属,是一种环境友好的动力与储能电池体系,磷酸铁锂动力电池在未来新能源汽车,特别是大型交通运输工具及大规模储能系统应用中将长期发挥作用。要实现其可持续发展,必须发展更加绿色与原子经济性的磷酸铁锂合成工艺,优化磷酸铁锂动力电池体系及其制造工艺,提高应用系统管理与控制精度和效率。本项目针对磷酸铁锂电池可持续发展技术需求开展系统研究,主要研究内容和技术创新点如下:


创新点1:磷酸铁锂材料合成与改性新工艺


为合成高品质磷酸铁锂正极材料,首次提出以单质铁和磷酸铁为铁源的原子经济性合成反应:Fe+2FePO4.0.5H2O=3LiFePO4+0.5H2O,并在反应过程中添加蔗糖以434242及聚吡咯等碳包覆工艺获得LiFePO/C复合正极材料,比容量达到165mAh/g,接近理4论容量170mAh/g。发展了从纳米球形磷酸铁锂合成到高温碳融合的连续化纳米磷酸铁锂合成工艺,提升了磷酸铁锂材料倍率特性和循环稳定性。


创新点2:磷酸铁锂动力电池设计与制造过程优化


优化磷酸铁锂电池材料体系,通过发展与完善硅基负极材料提升电池的能量密度,率先引入四元溶剂体系,分别开发出阻燃型和低温型电解液及凝胶态电解液,改善电池首次库伦效率和低温充电特性。在电极制造过程中,提出多元正极活性组分混合概念,并将磷酸铁锂与其他活性组分与碳纳米管或石墨烯结合,提高电池性能容量;通过铝箔预涂纳米导电碳底等手段提高正极性能,减少正极片脱落,以提高电池生产批次一致性。


创新点3:电池状态预测模型及应用系统构建


基于电池反应传递机理及运行特性分析,建立了电池荷电状态(SOC)和健康状态(SOH)和功率状态(SOP)预测机理模型,开发了基于开路电压(OCV)模型及其全局优化的求解技术。模型通过美国宇航局标准电池数据库验证,证实模型SOC预测精度高,误差小于1%。将相关模型运用于电池管理系统开发,并提出电池模组和动力系统总成设计新技术,开发出用于平衡电网的大容量储能系统。


该团队不只满足于科研项目,通过战略合作,他们还组建了上海中聚佳华电池科技有限公司,把2项核心发明专利权转让给上海中聚,并授权给江苏乐能等公司实施。通过技术转移与孵化,推动相关合作的动力锂电池生产企业发展与壮大。2015年LFP电池进入快速发展阶段,占当年我国动力锂电池市场的69%,有力推动了我国新能源汽车和储能产业快速发展。


马紫峰教授团队表示,“我们这个成果从材料、电芯的制造,都是以产学研的模式在做。这个模式好在基础研究成果很快就得到用户的技术反馈,能够让我们改进的时侯有方向。现在磷酸铁锂在整个动力电池占比是50%以上,大街小巷看到的新能源汽车,象比亚迪秦、大巴,都使用磷酸铁锂电池作为它的主要动力电源。由比亚迪为代表的磷酸铁锂生产企业已经成为全世界最大的磷酸铁锂材料生产商以及应用企业。”


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