新能源汽車、太陽能、風能併網調頻儲能電站、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。
自從普蘭特發明鉛酸電池以來，動力電池已經歷160年發展歷程。世界上第一輛機動車就是以鉛酸電池為動力的電動車，但因其能量密度低、續航里程太短，很快被內燃機汽車超越。進入21世紀，由於全球石油資源減少、環境壓力加劇，發展綠色環保的新能源汽車成為汽車工業技術變革的熱點。
鋰電池由於其能量密度高、攜帶輕便，已成功應用於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。
上海交通大學化學化工學院馬紫峰教授團隊自2004年以來，在國家973計劃和國家自然科學基金等項目連續支持下，聯合比亞迪、中聚電池、江蘇樂能、中興派能等企業，經過十五年的努力，構建了具有自主知識產權的磷酸鐵鋰動力電池技術體系，在新能源汽車和儲能工程系統中得到了廣泛的應用。
今天，團隊與比亞迪等單位合作完成的“磷酸鐵鋰動力電池製造及其應用過程關鍵技術”榮獲2018年國家科技進步二等獎。
從“新合成反應”設計到“萬噸級”生產，產學研合作促進科研成果轉化
磷酸鐵鋰從1950年代被發現以來，世界各國科學家對其電、磁特性進行了系統研究，在1960年代通過物理法或化學法合成出高純磷酸鐵鋰樣品。1996年，磷酸鐵鋰被應用於動力鋰電池研究。然而，要實現磷酸鐵鋰大規模應用，必須建立噸級生產能力的製造工藝與裝備。馬紫峰等人分析了諸多知名國際企業合成工藝，發現這些反應過程會產生CO、氨氣等有害氣體，而且燒結時間長，能耗大。
為了降低生產成本，減少生產過程的汙染，團隊提出了一個磷酸鋰鐵合成新反應，製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。項目在2006年浙江省科技成果轉化項目資助下，建成了300噸/年全流程合成的磷酸鐵鋰中試線，並與上海德朗能電池公司合作開發出電動車用磷酸鐵鋰電池，為大規模生產線建設奠定良好的基礎。
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。
通過973計劃項目，上海交大聯合清華大學、復旦大學和廈門大學等單位，與比亞迪等企業開展磷酸鐵鋰材料及其應用技術開發。
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。
2012年，在上海科技成果轉化促進會“助推計劃”資助下，上海交大將馬紫峰等人發明的磷酸鐵鋰合成新技術專利整體轉讓，組建了中聚電池研究院，開展磷酸鐵鋰電池技術大規模推廣，先後授權許可給多家企業實施，並發展出一批新的專利技術。
2014年，在江蘇省企業創新與成果轉化專項資助下，由馬紫峰擔任首席專家，在江蘇樂能建成25600噸/年的納米磷酸鐵鋰生產線，產品應用於比亞迪、寧德時代等眾多知名電池企業。
2015年初，以吳鋒、孫世剛、張鎖江等專家組成的科技成果鑑定委員會一致認為：研究成果系統性強，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於國際先進水平，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，助力成果推廣應用
要製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，動力電池製造過程工藝對於改善電池性能也十分重要。
馬紫峰團隊發明了一種塗液的配置及其塗敷的方法，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製造新方法，並解決了磷酸鐵鋰電池低溫冷啟動和高倍率問題。
2015年，連續獲得江蘇省企業創新與成果轉化專項資助，與江蘇中興派能合作開展低溫高倍率磷酸鐵鋰動力電池的研發與產業化，被廣泛應用於移動通訊基站。
為表彰其在江蘇實施產學研的突出成績，2016年，馬紫峰教授被江蘇省委組織部授予“江蘇省雙創人才”，並與團隊成員廖小珍、何雨石一起先後入選揚州市“綠楊金鳳計劃”。
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是一個複雜動態變化過程，與電池系統工作溫度、充電與放電速度密切相關。團隊基於電池反應/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於滾動時域優化的SOC估計模型，將SOC估計精度進一步提高到99%。相關理論成果發表在《美國化工學會會志》《化學工程科學》等權威期刊。
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，中國已經成為磷酸鐵鋰電池製造及應用世界第一大國，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。
應用了磷酸鐵鋰動力電池的用戶端儲能電站已經連續穩定運行多年，並獲得美國市場及歐洲相關領域權威機構的認可，先後榮獲“2015年度北美地區集中式儲能創新獎”，以及德國清潔科技研究所授予的2017年度全球儲能“科技驅動者（Tech Driver）”大獎。
隨著新能源汽車產業政策不斷完善和科學化，可以預見，磷酸鐵鋰動力電池在電動大巴、大型交通物流工具，大規模儲能系統中將長期發揮作用，造福於人類 。
作者：姜澎
編輯：李晨琰