從電動汽車動力系統(tǒng)到大容量工業(yè)儲能體系
——專訪上海交通大學特聘教授、中聚電池研究院院長馬紫峰

日前，國家科技部公布了新立項的國家重點基礎研究發(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研究科學計劃，主要瞄準具有國家重大需求的關鍵科學問題的基礎研究，其關鍵點是“重大需求”和“基礎科學問題”，不像863計劃(國家高技術研究發(fā)展計劃)那樣針對一個具體技術或產(chǎn)品進行攻關。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的應用基礎研究，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)體系基礎科學問題研究)主要取得了哪些成果?對于電動汽車技術發(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，為發(fā)展新一代安全型動力電池新體系奠定了理論基礎，其相關成果發(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)明專利授權并同時申報國際PCT專利許可，其中我的2項磷酸鐵鋰發(fā)明專利直接轉(zhuǎn)讓給中聚電池有限公司，并授權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等國際權威刊物發(fā)表了近百篇文章，形成近百項專利，在國內(nèi)外同行中產(chǎn)生了重要影響。同時，還培養(yǎng)了一批學術帶頭人和技術骨干，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。
對于人們普遍關心的續(xù)駛里程、充電時間等問題，關鍵是使用者定位。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)展的重點，電動汽車的商業(yè)模式創(chuàng)新也十分重要，例如杭州市與有關企業(yè)合作推出的電動車租賃計劃就是一種很好的探索，有效解決了租戶關心的電池壽命、電池價格等相關問題。
記者：本輪973項目是基于超級電容器的大容量儲能體系及應用，您為什么會選擇這個方向進行申報?
馬紫峰：今年的973計劃能源領域指南的“大容量工業(yè)儲能的科學基礎”方向中，明確提出要圍繞可再生能源大規(guī)模接入、電力系統(tǒng)調(diào)峰和分布式供能對工業(yè)儲能的需求，解決儲能單元、系統(tǒng)并網(wǎng)與控制及系統(tǒng)集成中的關鍵科學問題，研究大容量鋰電池、超級電容器、壓縮空氣及儲熱等新型工業(yè)儲能技術的基礎理論。由于涉及到的儲能技術很多，而項目申報需要聚焦，我認為只要瞄準一種儲能方式就足夠，在比較幾種儲能模式后發(fā)現(xiàn)，雖然對于鋰電池儲能都比較熟悉，但是該領域各個方面的資金投入已經(jīng)很多，如何既能體現(xiàn)創(chuàng)新，又能與“大容量儲能體系”聯(lián)系起來，我感到有一定的難度，而“超級電容器”高功率、快速儲能的特點卻是其它幾種儲能方式無法比擬的。我們團隊經(jīng)過認真研究以后發(fā)現(xiàn)，在大規(guī)模可再生能源發(fā)電接入電網(wǎng)時需要解決一個“低電壓穿越”改善電能質(zhì)量問題，而低電壓穿越對于儲能的要求是快速的，因此我們就針對如何增強“低電壓穿越”能力，基于超級電容器的快速儲能特點來組織項目。
記者：本次973項目的主要研究目標是什么?
馬紫峰：本項目的目標有三個方面：第一，建立新分子模擬理論，預測新型超級電容器儲能材料物化性質(zhì)，發(fā)展新的電極材料及離子液體電解液新體系，揭示電解液/電極界面離子吸附對電容特性的影響，構建高性能超級電容器新體系;第二，闡明電極/電解質(zhì)材料低成本制備過程工程特性，建立材料制備過程放大理論，構建電極制備過程裝備設計基本準則;第三，揭示超級電容器/蓄電池儲能單元增強低電壓穿越能力的基本規(guī)律，提出超級電容器/蓄電池混合儲能體系在可再生能源發(fā)電接入電網(wǎng)的運行策略。
圍繞上述目標，本項目從材料體系創(chuàng)制到系統(tǒng)集成應用設置3個課題，分別是：
(1)大容量超級電容器電極構建及其電解質(zhì)新體系;
(2)大容量超級電容器儲能單元制造過程工程特性研究;
(3)基于超級電容器儲能系統(tǒng)集成及其在電網(wǎng)中應用基礎研究。
記者：能否簡單介紹一下“低電壓穿越”概念及其重要性?
馬紫峰：當風電或光伏發(fā)電等可再生能源電力接入時，由于可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)定性會對電網(wǎng)產(chǎn)生擾動，而電網(wǎng)的擾動或故障會引起風電場與大電網(wǎng)的并網(wǎng)點電壓跌落，形成低電壓狀態(tài)，所謂“低電壓穿越”指在可再生能源發(fā)電(風電、光伏發(fā)電等)并網(wǎng)點的電壓受到電網(wǎng)波動跌落到一定程度時，風機或光伏設備能夠保持并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無功功率，支持電網(wǎng)恢復，直到電網(wǎng)恢復正常，從而“穿越”這個低電壓時間(區(qū)域)。
如果并網(wǎng)點不能實現(xiàn)有效的低電壓穿越，在短時間內(nèi)恢復(一般規(guī)定0.625 s，如圖2所示)，會導致重大事故。2011年2月24日，甘肅電網(wǎng)酒泉風機公司16個風電場脫網(wǎng)598臺，損失837.34 MW，電網(wǎng)頻率下降到49.854 Hz，風電場出力損失54.4%;河北張家口也在2011年4月17日風機脫網(wǎng)644臺，電網(wǎng)頻率下降到49.815 Hz，風電場出力損失48.5%。因此，國家電網(wǎng)在《風電場接入電網(wǎng)技術規(guī)定(修訂版)》、《光伏電站接入電網(wǎng)技術規(guī)范》和《關于做好分布式電源并網(wǎng)服務工作的意見》中均明確規(guī)定，對目前風力發(fā)電中3種主力風力發(fā)電機均要求具有低電壓穿越能力，對光伏發(fā)電并網(wǎng)中的低電壓穿越問題也提到議事日程。由超級電容器和變換器組成的儲能系統(tǒng)，通過吸收(或釋放)電能平衡直流母線兩側的功率，既可以使發(fā)電機與電網(wǎng)故障相隔離，又可以提高風電系統(tǒng)的低電壓穿越能力。

圖2 低電壓穿越示意圖
記者：您本次項目立足于超級電容器儲能體系，能否簡要比較超級電容器與二次電池儲能技術的特點及應用?
馬紫峰：在風電、光伏發(fā)電接入電網(wǎng)后，二次電池(蓄電池)的儲能技術十分重要。因此，我們的973項目立項以后，科技部對于我們的研究目標提出了修改意見，希望將“二次電池”新技術及其電網(wǎng)應用納入本項目研究內(nèi)容。我們剛完成的項目任務書就是按照這個要求修訂的。
超級電容器的高比功率特性適合快速儲能，而二次電池的比能量高，可以儲存更多的電能，因此我們要考慮的不僅僅是超級電容器的應用，更重要的是如何針對可再生能源接入、改善電網(wǎng)電能質(zhì)量以及分布式供電系統(tǒng)的應用，提出切實可行的儲能方案。在近期的大容量儲能電池中，只要鋰離子電池的生產(chǎn)成本下降到一定程度，由于其循環(huán)性能、比能量優(yōu)勢是可以與鉛酸電池競爭的。而降低鋰電池生產(chǎn)成本的因素，除了原材料成本，電池制造過程的工藝優(yōu)化與節(jié)能方案也很重要。學術界研究偏重材料新體系創(chuàng)制，對于電池制造過程關注較少。我們這次的973項目除了關注新材料新體系，更多的研究重點是放在超級電容器和二次電池儲能單體的制造過程工程特性，這從我們的課題設置中可以看出這個變化。另外，我們還將研究超級電容器與蓄電池的混合儲能系統(tǒng)集成與優(yōu)化，探索混合儲能系統(tǒng)在可再生能源發(fā)電與分布式供電中應用新途徑。這些研究僅僅依靠科研院所很難達到預期效果，必須有企業(yè)界的參與，本項目計劃聯(lián)合中聚電池、上海電力等相關企業(yè)參加技術協(xié)作與攻關。
記者：您在組織申報國家重大項目方面很成功，有什么經(jīng)驗可以與同行分享?
馬紫峰：其實有很多科學家在組織國家重大項目方面很有經(jīng)驗。我個人的體會是，要針對項目指南，把握國家重大需求，認真組織項目團隊，凝練關鍵科學問題。一般情況下我會獨自思考清楚所要申報的內(nèi)容，然后再去組織團隊。一旦確定申報團隊，我就會獨立編寫申請書，這樣系統(tǒng)性會更好。對于973計劃項目申請書，一定要有一個很好的主線，從重大需求到科學問題提煉，重點突出，創(chuàng)新點明確，要形成一個有機的整體。另外，研究隊伍的工作基礎也很重要，而且一定要與申報項目的研究內(nèi)容精密關聯(lián)。
記者：如何盡快推動儲能科學與技術的發(fā)展與應用?學術界、產(chǎn)業(yè)界、政府都需要做哪些方面的工作?
馬紫峰：“儲能”是能源領域一個十分重要的組成部分。以前，能源生產(chǎn)、能量轉(zhuǎn)化與利用是能源工業(yè)的核心，通常不會將儲存燃料油當作儲能范疇。我前面說過，車載儲存燃料油實際上就是儲存化學能的一種方式，從這個思路出發(fā)，只要是涉及化學能、電能的都將是儲能科學與技術研究的內(nèi)涵，如燃料電池汽車中的儲氫問題，就已經(jīng)成為儲能科學研究的熱點。
要推動儲能技術發(fā)展與應用，首先需要考慮儲能技術的應用對象，只有應用對象明確，才能確定儲能基礎科學研究的目標。不同的應用對象，對于儲能方式要求各異。例如，在電力系統(tǒng)行業(yè)，儲電的方式從抽水蓄能、壓縮空氣等物理儲能，到蓄電池、超級電容器、液流電池和鈉硫電池等電化學儲能，都有其特定的應用場合;第二，儲能技術的先進性與可靠性，這是儲能科學與技術發(fā)展的根本;第三，儲能技術一定具有經(jīng)濟性，沒有經(jīng)濟性的技術永遠只能是紙上談兵，要想推廣應用新型的儲能技術，一定要滿足經(jīng)濟可行性原則。
對于儲能技術的發(fā)展與應用離不開產(chǎn)學研的結合，由于儲能技術是一個應用性很強的產(chǎn)業(yè)技術，與可再生能源利用、電動汽車等新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)密切相關，因此，學術理論研究應該盡早與產(chǎn)業(yè)技術開發(fā)結合。我從主持973項目的經(jīng)歷中感受很深。我們上一輪的973項目中，項目成員基本來自學術界，產(chǎn)出的論文數(shù)量400多篇，申請的專利100多項，但是許多結果停留在實驗室階段，技術的系統(tǒng)性不強。與許多科研項目一樣，有技術發(fā)展?jié)摿Φ捻椖繘]有足夠的人力和財力去實施。我認為只有引進產(chǎn)業(yè)資本、結合國家政策導向才能更深入持久，如中國科學院上海硅酸鹽研究所溫兆銀研究員小組在我們973項目的基礎上，其鈉硫電池技術與上海電力集團合作，通過建立產(chǎn)學研基地迅速走上了快速發(fā)展軌道。我們也是因為與中聚電池有限公司合作建立了研究院，才使得我們的磷酸鐵鋰專利技術得以轉(zhuǎn)化與實施。所以，產(chǎn)學研合作一定要建立起一種緊密的、長期的合作關系，才能真正達到互利雙贏。當然，政府的引導與政策鼓勵也不可或缺，我想其作用不言而喻。
最后，我想強調(diào)的一點是，任何儲能技術的進步都需要踏踏實實、一步一個腳印地做出來，從概念到樣品，從樣品到產(chǎn)品，再到推廣應用，需要我們大家付出艱苦的勞動。