從電動汽車動力系統(tǒng)到大容量工業(yè)儲能體系

日前，國家科技部公布了新立項的國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(簡稱國家973計劃)，其中“基于超級電容器的大容量儲能體系及應用”作為能源領(lǐng)域唯一的儲能項目入選。為了深入了解該項目的基本概況，本刊專訪了項目首席科學家，上海交通大學特聘教授、中聚電池研究院院長馬紫峰教授，請他介紹了從電動汽車動力系統(tǒng)到大容量工業(yè)儲能體系研究的基本思路。

記者：馬教授，恭喜您獲聘國家973計劃項目首席科學家，這是您第二次擔任首席科學家，請問您是如何由電動汽車蓄電系統(tǒng)研究轉(zhuǎn)向大容量儲能體系研究的?

馬紫峰：國家973計劃是國家重點基礎(chǔ)研究科學計劃，主要瞄準具有國家重大需求的關(guān)鍵科學問題的基礎(chǔ)研究，其關(guān)鍵點是“重大需求”和“基礎(chǔ)科學問題”，不像863計劃(國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃)那樣針對一個具體技術(shù)或產(chǎn)品進行攻關(guān)。

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

因此，從一個化學工程師的眼光來看，解決車載“儲能”問題是發(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“儲能”或新的“能量轉(zhuǎn)換”方式而已。而電化學儲能系統(tǒng)(二次電池、超級電容器和燃料電池等)正是現(xiàn)代電動汽車與工業(yè)儲能應用的先決條件。今年立項的“基于超級電容器的大容量儲能體系及應用”項目與上一個973項目一樣，都是立足于電化學儲能技術(shù)的應用基礎(chǔ)研究，只是面向的重大需求從“電動汽車”向“可再生能源”應用轉(zhuǎn)變，這是基于國家重大發(fā)展戰(zhàn)略和指南而形成的。

圖1 燃料電池電動汽車能量儲存與轉(zhuǎn)化系統(tǒng)示意圖

記者：您主持的第一個973項目(電動汽車用低成本高密度蓄電(氫)體系基礎(chǔ)科學問題研究)主要取得了哪些成果?對于電動汽車技術(shù)發(fā)展有何重要推動作用?

馬紫峰：我所主持的第一個973項目的立項背景就是面向2008年北京奧運會和2010年上海世博會上燃料電池電動汽車示范，以及今后我國電動汽車發(fā)展開展前沿基礎(chǔ)研究。通過團隊合作，有特色的研究成果有三個方面。

第一，由浙江大學鄭津洋教授主持研發(fā)的70 MPa高壓儲氫瓶設計及其安全性試驗規(guī)范，成為國際氫能儲存標準中的重要理論依據(jù)，該成果也獲得教育部科技成果一等獎;第二，復旦大學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等頂級刊物上，在國內(nèi)外反響很大;第三，在磷酸鐵鋰正極材料改性及其制備過程放大理論方面，我們課題組與清華大學合作在材料高低溫性能改性方面獲得了多項中國發(fā)明專*授權(quán)并同時申報國際PCT專*許可，其中我的2項磷酸鐵鋰發(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力鋰電池制造過程中得到應用，其電池產(chǎn)品已經(jīng)裝備在杭州、長春、銀川等地的電動汽車中，儲能型動力電池遠銷海外。

除此之外，我們973團隊還在超級電容器、鋰硫電池、鋰空氣電池、鈉硫電池及儲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等國際權(quán)威刊物發(fā)表了近百篇文章，形成近百項專*，在國內(nèi)外同行中產(chǎn)生了重要影響。同時，還培養(yǎng)了一批學術(shù)帶頭人和技術(shù)骨干，這些研究成果對電動汽車動力系統(tǒng)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化具重要推動作用。

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

馬紫峰：電動汽車已經(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格不斷上漲是一個大趨勢，如果汽油價格突破10元/升，我相信電動汽車一定會普及得更快。目前，我就是開電動汽車上班，親身體驗到其優(yōu)越性，每百公里所耗費的電費10元左右，約為同級別燃油汽車的1/5，使用成本低廉且對城市大氣沒有污染。

對于人們普遍關(guān)心的續(xù)駛里程、充電時間等問題，關(guān)鍵是使用者定位。在純電動汽車(HEV)、混合動力汽車(PHEV)和燃料電池電動汽車(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，對于PHEV、FCEV來說不存在充電問題。對于純電動汽車，我認為用戶購買的定位要清晰，汽車商開發(fā)市場的定位要準確。

對于私人購買，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，而充電其實是在上班或下班期間均可以進行(當然充電設施需要跟上)，就像手機一樣隨時充電，讓汽車動力電池基本處于充滿電狀態(tài)，也就提高了實際的續(xù)航里程。個人認為，發(fā)展城市公共交通、特種運輸車輛(如郵政車、機場擺渡車等)和個性化私人轎車對于電動汽車開發(fā)商來說是近期發(fā)展的重