作者:郑金武 来源:中国科学报 发布时间:2021/8/16 12:51:12
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让锂离子电池的动力更澎湃持久

 

零排放、无噪音、纯电动的客车广受好评。依托北大先行科技产业有限公司(以下简称北大先行)建设的北京市动力锂离子电池工程技术研究中心(以下简称工程中心),为这些纯电动客车用动力电池提供了关键核心材料。

通过工程研究和成果转化,工程中心在动力和储能电池关键电极材料等方面形成了两个中试线和产业化基地,并形成一批产业化和制备方面的专利和专有技术,成为国内锂离子动力电池以及储能电池领域的领先者。

“自2001年以来,北京市科委长期支持了北大先行和北京大学开展磷酸铁锂作为锂离子电池正极材料中试、产业化技术及其生产线的建设研究。”北大先行副总经理、工程中心主任周恒辉说。

强化技术研发

2019年以来,工程中心在磷酸铁锂方面,积极提升磷酸铁锂正极材料本身的压实密度,继而提高其电芯的能量密度。维持甚至优化材料电化学性能的同时提升材料压实密度。

“经过测算,磷酸铁锂材料现有压实密度是其真密度的62%。而钴系正极材料真密度利用率高达82%。”周恒辉介绍,高压实材料技术路线具有较大的提升空间。从钴系正极材料的发展经验和历史来看,磷酸铁锂正极材料的压实密度大有提升空间,以82%的利用率为例,磷酸铁锂正极材料的极片压实密度有望达到2.9 g/cm3

“当然,考虑到磷酸铁锂正极材料与钴系正极材料之间的结构差异,磷酸铁锂材料较低的本征锂离子/电子电导,其真密度利用率可能略低于钴系正极材料,但仍有较大提升空间。”周恒辉表示,这样的技术研发,让工程中心和企业在发展之路上走得更顺畅。

“我们通过优化前驱体和烧结工艺控制一次/二次颗粒的生长过程,得到了具有特定粒径分布和颗粒形态的磷酸铁锂正极材料粉末,从而使磷酸铁锂粉末压实密度提升到了2.45 g/cm3。”周恒辉介绍,为了保证材料电化学性能,工程中心通过调整配比,改善了一次粒子的生长方式,优化了颗粒内部的化学组成,保障了磷酸铁锂正极材料的电化学性能发挥,兼顾了材料的压实密度和容量发挥。

工程中心积极在产线上对该产品进行了中试和放大试验,完成了公斤级、百公斤级、吨级验证和批次稳定性认证,相应样品完成了客户送样并通过了硬壳电芯测试。此后,工程中心及时地将该产品推向了市场,得到了客户的认可,巩固了公司磷酸铁锂产品在市场中的竞争力。

工程中心人员在开展相关实验。郑金武摄

创业征程推动成果转化

上世纪90年代,锂离子电池开始广泛应用于各类电子产品。

1999年,任教于北京大学化学学院的周恒辉与同样研究锂离子电池的北京大学学生陈继涛等人,敏感地意识到锂离子电池应用的广泛前景。怀揣着创业的梦想,他们共同创立了北大先行。

2001年,在北京市科委重大科技成果转化项目的支持下,北大先行开始进行磷酸铁锂作为锂离子电池正极材料的攻关研究,并获得突破。

2019年,工程中心在青海西宁建设完成的磷酸铁锂和三元素中试线以及泰安的钴酸锂中试线已经投入使用并运转正常,可实现磷酸铁锂、三元素和钴酸锂的百公斤级以及吨级生产。通过开展公司级、部门级以及中心级研发项目,并成立项目小组跟进,促进项目的正常推进。

“结合公司技术部、工艺部和生产部以便有效推进工程中心研发成果的孵化,实现研发成果的快速公斤级、百公斤级、吨级以至批量生产。”周恒辉介绍,工程中心通过研发、文献专利和市场信息收集分析等手段,加强工厂中心消化吸收再创新的能力,保持公司产品的市场竞争力。

磷酸铁锂的产业化不仅可以充分利用我国丰富的磷、铁矿资源,节约钴矿资源,还可降低成本,扩大锂离子电池的应用范围,将产生巨大的经济效益和深远的环境效益。

周恒辉介绍,磷酸铁锂具有安全性好、循环寿命长、环境友好、原料来源广泛等特点,被公认为新一代锂离子动力和储能电池首选的正极材料,但因其制备工艺复杂、技术门槛高,目前仅有少数公司实现了稳定大批量生产。

作为一种高端、高性能材料,磷酸铁锂正极材料研发和产业化,正是材料科技中的“核心”领域。

“在把握产业发展方向时,我们更希望通过以企业为主、产学研结合的方式实现重点产业的发展引领。”周恒辉说。

磷酸铁锂正极材料系列项目的实施,通过以北京大学化学学院为主力的研究团队协同攻关,不仅取得了磷酸铁锂正极材料制备和产业化的突破,也使得企业有了立足之本;而且在科研的过程中,也培养了人才。

引领未来技术发展

据了解,在北京市科委的大力支持和统一组织下,目前工程中心的磷酸铁锂电池组已成功应用于北京纯电动客车、北京纯电动环卫车、北京公交集团双源无轨电车等交通工具之中。

“加快我国磷酸铁锂材料的产业化进程,不仅可以使我国在新型动力电池这一新兴产业竞争中抢占市场先机,使我国从电池制造大国转变为具有核心技术优势的电池产业强国,还可以进一步促进我国新能源汽车产业的快速发展。”周恒辉从磷酸铁锂材料的突破口上,看到了未来发展的美好前景。

众所周知,在传统汽车核心部件发动机的技术研发方面,我国要想赶上发达国家,至少需要再过数十年的时间。而近年来,我国在锂离子电池等核心技术研发方面,已经处于国际先进行列,以锂离子电池代替发动机的新能源汽车的发展,将使我国占据下一轮汽车产业发展的制高点。

“市场的巨大拉动作用,国家相关产业振兴政策的实施,必将推动新能源汽车的发展。”在周恒辉看来,这将大大促进磷酸铁锂等材料产业的壮大。

多年来,工程中心立足于锂离子电池正负极材料前沿和国家发展需要,通过产学研结合,利用北京大学分析测试中心等多家兄弟单位优势资源,积极开展相关领域前沿技术开发。通过公司北京、泰安、西宁材料研发和生产基地,积极将研究成果转化为产品。

“公司生产的钴酸锂、三元素和磷酸铁锂材料远销海内外,形成了良好的用户口碑和市场竞争力。”周恒辉表示,工程中心注重产品专利布局和知识体系建立,数十项国家发明和实用新型专利已获得授权。形成了以企业为主体的高技术产业化和校企合作的有效机制,为我国打造了一个高科技品牌。

 
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