从电动汽车动力系统到大容量工业储能体系

日前，国家科技部公布了新立项的国家重点基础研究发展计划(简称国家973计划)，其中“基于超级电容器的大容量储能体系及应用”作为能源领域唯一的储能项目入选。为了深入了解该项目的基本概况，本刊专访了项目首席科学家，上海交通大学特聘教授、中聚电池研究院院长马紫峰教授，请他介绍了从电动汽车动力系统到大容量工业储能体系研究的基本思路。

记者：马教授，恭喜您获聘国家973计划项目首席科学家，这是您第二次担任首席科学家，请问您是如何由电动汽车蓄电系统研究转向大容量储能体系研究的?

马紫峰：国家973计划是国家重点基础研究科学计划，主要瞄准具有国家重大需求的关键科学问题的基础研究，其关键点是“重大需求”和“基础科学问题”，不像863计划(国家高技术研究发展计划)那样针对一个具体技术或产品进行攻关。

2007年我主持的国家973计划项目是“电动汽车用低成本高密度蓄电(氢)体系基础科学问题研究”，主要瞄准燃料电池电动汽车中存在的“储能”问题，解决与燃料电池电动汽车直接相关的高压储氢以及辅助的动力锂电池和超级电容器等蓄电与储氢两大问题，参与的单位有10家。我认为“储能”问题是汽车技术变革的核心，无论是传统燃油汽车还是电动汽车，其核心是车载储能技术的变革。传统燃油车的油箱就是储存燃料“化学能”的装置，纯电动汽车则是利用蓄电池或超级电容器等储存电能，而燃料电池电动汽车则是需要解决氢的储存以及相关蓄电装置(图1)，正是由于车载储能方式的变化才会出现各种动力驱动的汽车。

因此，从一个化学工程师的眼光来看，解决车载“储能”问题是发展清洁高效汽车的关键，所谓beplay规则 汽车只是汽车选择一种新的“储能”或新的“能量转换”方式而已。而电化学储能系统(二次电池、超级电容器和燃料电池等)正是现代电动汽车与工业储能应用的先决条件。今年立项的“基于超级电容器的大容量储能体系及应用”项目与上一个973项目一样，都是立足于电化学储能技术的应用基础研究，只是面向的重大需求从“电动汽车”向“可再生能源”应用转变，这是基于国家重大发展战略和指南而形成的。

图1 燃料电池电动汽车能量储存与转化系统示意图

记者：您主持的第一个973项目(电动汽车用低成本高密度蓄电(氢)体系基础科学问题研究)主要取得了哪些成果?对于电动汽车技术发展有何重要推动作用?

马紫峰：我所主持的第一个973项目的立项背景就是面向2008年北京奥运会和2010年上海世博会上燃料电池电动汽车示范，以及今后我国电动汽车发展开展前沿基础研究。通过团队合作，有特色的研究成果有三个方面。

第一，由浙江大学郑津洋教授主持研发的70 MPa高压储氢瓶设计及其安全性试验规范，成为国际氢能储存标准中的重要理论依据，该成果也获得教育部科技成果一等奖;第二，复旦大学夏永姚教授和吴宇平教授等发展了水系锂电新技术，为发展新一代安全型动力电池新体系奠定了理论基础，其相关成果发表在Nature Chemistry、Energy & Environmental Science等顶级刊物上，在国内外反响很大;第三，在磷酸铁锂正极材料改性及其制备过程放大理论方面，我们课题组与清华大学合作在材料高低温性能改性方面获得了多项中国发明专*授权并同时申报国际PCT专*许可，其中我的2项磷酸铁锂发明专*直接转让给中聚电池有限公司，并授权给多家磷酸铁锂正极材料生产企业使用，所生产的电极材料在其大容量动力锂电池制造过程中得到应用，其电池产品已经装备在杭州、长春、银川等地的电动汽车中，储能型动力电池远销海外。

除此之外，我们973团队还在超级电容器、锂硫电池、锂空气电池、钠硫电池及储氢材料等方面也取得很好的基础研究成果，在Angewandte Chemie International Edition、Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials、Chemical Communications和Electrochemistry Communications等国际权威刊物发表了近百篇文章，形成近百项专*，在国内外同行中产生了重要影响。同时，还培养了一批学术带头人和技术骨干，这些研究成果对电动汽车动力系统研发与产业化具重要推动作用。

记者：您如何看待电动汽车技术与产业的发展趋势?

马紫峰：电动汽车已经成为人们日常生活中常常讨论的话题，石油资源枯竭及其价格不断上涨是一个大趋势，如果汽油价格突破10元/升，我相信电动汽车一定会普及得更快。目前，我就是开电动汽车上班，亲身体验到其优越性，每百公里所耗费的电费10元左右，约为同级别燃油汽车的1/5，使用成本低廉且对城市大气没有污染。

对于人们普遍关心的续驶里程、充电时间等问题，关键是使用者定位。在纯电动汽车(HEV)、混合动力汽车(PHEV)和燃料电池电动汽车(FCEV)三大系列中，后两类的续航里程可以与传统燃油车相当，对于PHEV、FCEV来说不存在充电问题。对于纯电动汽车，我认为用户购买的定位要清晰，汽车商开发市场的定位要准确。

对于私人购买，作为家庭第二辆车比较合适，其续航里程在120～150 km就完全可以满足基本需求，而充电其实是在上班或下班期间均可以进行(当然充电设施需要跟上)，就像手机一样随时充电，让汽车动力电池基本处于充满电状态，也就提高了实际的续航里程。个人认为，发展城市公共交通、特种运输车辆(如邮政车、机场摆渡车等)和个性化私人轿车对于电动汽车开发商来说是近期发展的重