從電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)到大容量工業(yè)儲(chǔ)能體系

日前，國(guó)家科技部公布了新立項(xiàng)的國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(簡(jiǎn)稱國(guó)家973計(jì)劃)，其中“基于超級(jí)電容器的大容量?jī)?chǔ)能體系及應(yīng)用”作為能源領(lǐng)域唯一的儲(chǔ)能項(xiàng)目入選。為了深入了解該項(xiàng)目的基本概況，本刊專訪了項(xiàng)目首席科學(xué)家，上海交通大學(xué)特聘教授、中聚電池研究院院長(zhǎng)馬紫峰教授，請(qǐng)他介紹了從電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)到大容量工業(yè)儲(chǔ)能體系研究的基本思路。

記者：馬教授，恭喜您獲聘國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目首席科學(xué)家，這是您第二次擔(dān)任首席科學(xué)家，請(qǐng)問(wèn)您是如何由電動(dòng)汽車蓄電系統(tǒng)研究轉(zhuǎn)向大容量?jī)?chǔ)能體系研究的?

馬紫峰：國(guó)家973計(jì)劃是國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究科學(xué)計(jì)劃，主要瞄準(zhǔn)具有國(guó)家重大需求的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的基礎(chǔ)研究，其關(guān)鍵點(diǎn)是“重大需求”和“基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題”，不像863計(jì)劃(國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃)那樣針對(duì)一個(gè)具體技術(shù)或產(chǎn)品進(jìn)行攻關(guān)。

2007年我主持的國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目是“電動(dòng)汽車用低成本高密度蓄電(氫)體系基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題研究”，主要瞄準(zhǔn)燃料電池電動(dòng)汽車中存在的“儲(chǔ)能”問(wèn)題，解決與燃料電池電動(dòng)汽車直接相關(guān)的高壓儲(chǔ)氫以及輔助的動(dòng)力鋰電池和超級(jí)電容器等蓄電與儲(chǔ)氫兩大問(wèn)題，參與的單位有10家。我認(rèn)為“儲(chǔ)能”問(wèn)題是汽車技術(shù)變革的核心，無(wú)論是傳統(tǒng)燃油汽車還是電動(dòng)汽車，其核心是車載儲(chǔ)能技術(shù)的變革。傳統(tǒng)燃油車的油箱就是儲(chǔ)存燃料“化學(xué)能”的裝置，純電動(dòng)汽車則是利用蓄電池或超級(jí)電容器等儲(chǔ)存電能，而燃料電池電動(dòng)汽車則是需要解決氫的儲(chǔ)存以及相關(guān)蓄電裝置(圖1)，正是由于車載儲(chǔ)能方式的變化才會(huì)出現(xiàn)各種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的汽車。

因此，從一個(gè)化學(xué)工程師的眼光來(lái)看，解決車載“儲(chǔ)能”問(wèn)題是發(fā)展清潔高效汽車的關(guān)鍵，所謂新能源汽車只是汽車選擇一種新的“儲(chǔ)能”或新的“能量轉(zhuǎn)換”方式而已。而電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)(二次電池、超級(jí)電容器和燃料電池等)正是現(xiàn)代電動(dòng)汽車與工業(yè)儲(chǔ)能應(yīng)用的先決條件。今年立項(xiàng)的“基于超級(jí)電容器的大容量?jī)?chǔ)能體系及應(yīng)用”項(xiàng)目與上一個(gè)973項(xiàng)目一樣，都是立足于電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，只是面向的重大需求從“電動(dòng)汽車”向“可再生能源”應(yīng)用轉(zhuǎn)變，這是基于國(guó)家重大發(fā)展戰(zhàn)略和指南而形成的。

圖1 燃料電池電動(dòng)汽車能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)化系統(tǒng)示意圖

記者：您主持的第一個(gè)973項(xiàng)目(電動(dòng)汽車用低成本高密度蓄電(氫)體系基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題研究)主要取得了哪些成果?對(duì)于電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展有何重要推動(dòng)作用?

馬紫峰：我所主持的第一個(gè)973項(xiàng)目的立項(xiàng)背景就是面向2008年北京奧運(yùn)會(huì)和2010年上海世博會(huì)上燃料電池電動(dòng)汽車示范，以及今后我國(guó)電動(dòng)汽車發(fā)展開(kāi)展前沿基礎(chǔ)研究。通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作，有特色的研究成果有三個(gè)方面。

第一，由浙江大學(xué)鄭津洋教授主持研發(fā)的70 MPa高壓儲(chǔ)氫瓶設(shè)計(jì)及其安全性試驗(yàn)規(guī)范，成為國(guó)際氫能儲(chǔ)存標(biāo)準(zhǔn)中的重要理論依據(jù)，該成果也獲得教育部科技成果一等獎(jiǎng);第二，復(fù)旦大學(xué)夏永姚教授和吳宇平教授等發(fā)展了水系鋰電新技術(shù)，為發(fā)展新一代安全型動(dòng)力電池新體系奠定了理論基礎(chǔ)，其相關(guān)成果發(fā)表在Nature Chemistry、Energy & Environmental Science等頂級(jí)刊物上，在國(guó)內(nèi)外反響很大;第三，在磷酸鐵鋰正極材料改性及其制備過(guò)程放大理論方面，我們課題組與清華大學(xué)合作在材料高低溫性能改性方面獲得了多項(xiàng)中國(guó)發(fā)明專*授權(quán)并同時(shí)申報(bào)國(guó)際PCT專*許可，其中我的2項(xiàng)磷酸鐵鋰發(fā)明專*直接轉(zhuǎn)讓給中聚電池有限公司，并授權(quán)給多家磷酸鐵鋰正極材料生產(chǎn)企業(yè)使用，所生產(chǎn)的電極材料在其大容量動(dòng)力鋰電池制造過(guò)程中得到應(yīng)用，其電池產(chǎn)品已經(jīng)裝備在杭州、長(zhǎng)春、銀川等地的電動(dòng)汽車中，儲(chǔ)能型動(dòng)力電池遠(yuǎn)銷海外。

除此之外，我們973團(tuán)隊(duì)還在超級(jí)電容器、鋰硫電池、鋰空氣電池、鈉硫電池及儲(chǔ)氫材料等方面也取得很好的基礎(chǔ)研究成果，在Angewandte Chemie International Edition、Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials、Chemical Communications和Electrochemistry Communications等國(guó)際權(quán)威刊物發(fā)表了近百篇文章，形成近百項(xiàng)專*，在國(guó)內(nèi)外同行中產(chǎn)生了重要影響。同時(shí)，還培養(yǎng)了一批學(xué)術(shù)帶頭人和技術(shù)骨干，這些研究成果對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化具重要推動(dòng)作用。

記者：您如何看待電動(dòng)汽車技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)?

馬紫峰：電動(dòng)汽車已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ�活中常常討論的話題，石油資源枯竭及其價(jià)格不斷上漲是一個(gè)大趨勢(shì)，如果汽油價(jià)格突破10元/升，我相信電動(dòng)汽車一定會(huì)普及得更快。目前，我就是開(kāi)電動(dòng)汽車上班，親身體驗(yàn)到其優(yōu)越性，每百公里所耗費(fèi)的電費(fèi)10元左右，約為同級(jí)別燃油汽車的1/5，使用成本低廉且對(duì)城市大氣沒(méi)有污染。

對(duì)于人們普遍關(guān)心的續(xù)駛里程、充電時(shí)間等問(wèn)題，關(guān)鍵是使用者定位。在純電動(dòng)汽車(HEV)、混合動(dòng)力汽車(PHEV)和燃料電池電動(dòng)汽車(FCEV)三大系列中，后兩類的續(xù)航里程可以與傳統(tǒng)燃油車相當(dāng)，對(duì)于PHEV、FCEV來(lái)說(shuō)不存在充電問(wèn)題。對(duì)于純電動(dòng)汽車，我認(rèn)為用戶購(gòu)買的定位要清晰，汽車商開(kāi)發(fā)市場(chǎng)的定位要準(zhǔn)確。

對(duì)于私人購(gòu)買，作為家庭第二輛車比較合適，其續(xù)航里程在120～150 km就完全可以滿足基本需求，而充電其實(shí)是在上班或下班期間均可以進(jìn)行(當(dāng)然充電設(shè)施需要跟上)，就像手機(jī)一樣隨時(shí)充電，讓汽車動(dòng)力電池基本處于充滿電狀態(tài)，也就提高了實(shí)際的續(xù)航里程。個(gè)人認(rèn)為，發(fā)展城市公共交通、特種運(yùn)輸車輛(如郵政車、機(jī)場(chǎng)擺渡車等)和個(gè)性化私人轎車對(duì)于電動(dòng)汽車開(kāi)發(fā)商來(lái)說(shuō)是近期發(fā)展的重