从电动汽车动力系统到大容量工业储能体系
——专访上海交通大学特聘教授、中聚电池研究院院长马紫峰

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，所谓新能源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利授权并同时申报国际PCT专利许可，其中我的2项磷酸铁锂发明专利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，形成近百项专利，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点，电动汽车的商业模式创新也十分重要，例如杭州市与有关企业合作推出的电动车租赁计划就是一种很好的探索，有效解决了租户关心的电池寿命、电池价格等相关问题。
记者：本轮973项目是基于超级电容器的大容量储能体系及应用，您为什么会选择这个方向进行申报?
马紫峰：今年的973计划能源领域指南的“大容量工业储能的科学基础”方向中，明确提出要围绕可再生能源大规模接入、电力系统调峰和分布式供能对工业储能的需求，解决储能单元、系统并网与控制及系统集成中的关键科学问题，研究大容量锂电池、超级电容器、压缩空气及储热等新型工业储能技术的基础理论。由于涉及到的储能技术很多，而项目申报需要聚焦，我认为只要瞄准一种储能方式就足够，在比较几种储能模式后发现，虽然对于锂电池储能都比较熟悉，但是该领域各个方面的资金投入已经很多，如何既能体现创新，又能与“大容量储能体系”联系起来，我感到有一定的难度，而“超级电容器”高功率、快速储能的特点却是其它几种储能方式无法比拟的。我们团队经过认真研究以后发现，在大规模可再生能源发电接入电网时需要解决一个“低电压穿越”改善电能质量问题，而低电压穿越对于储能的要求是快速的，因此我们就针对如何增强“低电压穿越”能力，基于超级电容器的快速储能特点来组织项目。
记者：本次973项目的主要研究目标是什么?
马紫峰：本项目的目标有三个方面：第一，建立新分子模拟理论，预测新型超级电容器储能材料物化性质，发展新的电极材料及离子液体电解液新体系，揭示电解液/电极界面离子吸附对电容特性的影响，构建高性能超级电容器新体系;第二，阐明电极/电解质材料低成本制备过程工程特性，建立材料制备过程放大理论，构建电极制备过程装备设计基本准则;第三，揭示超级电容器/蓄电池储能单元增强低电压穿越能力的基本规律，提出超级电容器/蓄电池混合储能体系在可再生能源发电接入电网的运行策略。
围绕上述目标，本项目从材料体系创制到系统集成应用设置3个课题，分别是：
(1)大容量超级电容器电极构建及其电解质新体系;
(2)大容量超级电容器储能单元制造过程工程特性研究;
(3)基于超级电容器储能系统集成及其在电网中应用基础研究。
记者：能否简单介绍一下“低电压穿越”概念及其重要性?
马紫峰：当风电或光伏发电等可再生能源电力接入时，由于可再生能源发电的不稳定性会对电网产生扰动，而电网的扰动或故障会引起风电场与大电网的并网点电压跌落，形成低电压状态，所谓“低电压穿越”指在可再生能源发电(风电、光伏发电等)并网点的电压受到电网波动跌落到一定程度时，风机或光伏设备能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间(区域)。
如果并网点不能实现有效的低电压穿越，在短时间内恢复(一般规定0.625 s，如图2所示)，会导致重大事故。2011年2月24日，甘肃电网酒泉风机公司16个风电场脱网598台，损失837.34 MW，电网频率下降到49.854 Hz，风电场出力损失54.4%;河北张家口也在2011年4月17日风机脱网644台，电网频率下降到49.815 Hz，风电场出力损失48.5%。因此，国家电网在《风电场接入电网技术规定(修订版)》、《光伏电站接入电网技术规范》和《关于做好分布式电源并网服务工作的意见》中均明确规定，对目前风力发电中3种主力风力发电机均要求具有低电压穿越能力，对光伏发电并网中的低电压穿越问题也提到议事日程。由超级电容器和变换器组成的储能系统，通过吸收(或释放)电能平衡直流母线两侧的功率，既可以使发电机与电网故障相隔离，又可以提高风电系统的低电压穿越能力。

图2 低电压穿越示意图
记者：您本次项目立足于超级电容器储能体系，能否简要比较超级电容器与二次电池储能技术的特点及应用?
马紫峰：在风电、光伏发电接入电网后，二次电池(蓄电池)的储能技术十分重要。因此，我们的973项目立项以后，科技部对于我们的研究目标提出了修改意见，希望将“二次电池”新技术及其电网应用纳入本项目研究内容。我们刚完成的项目任务书就是按照这个要求修订的。
超级电容器的高比功率特性适合快速储能，而二次电池的比能量高，可以储存更多的电能，因此我们要考虑的不仅仅是超级电容器的应用，更重要的是如何针对可再生能源接入、改善电网电能质量以及分布式供电系统的应用，提出切实可行的储能方案。在近期的大容量储能电池中，只要锂离子电池的生产成本下降到一定程度，由于其循环性能、比能量优势是可以与铅酸电池竞争的。而降低锂电池生产成本的因素，除了原材料成本，电池制造过程的工艺优化与节能方案也很重要。学术界研究偏重材料新体系创制，对于电池制造过程关注较少。我们这次的973项目除了关注新材料新体系，更多的研究重点是放在超级电容器和二次电池储能单体的制造过程工程特性，这从我们的课题设置中可以看出这个变化。另外，我们还将研究超级电容器与蓄电池的混合储能系统集成与优化，探索混合储能系统在可再生能源发电与分布式供电中应用新途径。这些研究仅仅依靠科研院所很难达到预期效果，必须有企业界的参与，本项目计划联合中聚电池、上海电力等相关企业参加技术协作与攻关。
记者：您在组织申报国家重大项目方面很成功，有什么经验可以与同行分享?
马紫峰：其实有很多科学家在组织国家重大项目方面很有经验。我个人的体会是，要针对项目指南，把握国家重大需求，认真组织项目团队，凝练关键科学问题。一般情况下我会独自思考清楚所要申报的内容，然后再去组织团队。一旦确定申报团队，我就会独立编写申请书，这样系统性会更好。对于973计划项目申请书，一定要有一个很好的主线，从重大需求到科学问题提炼，重点突出，创新点明确，要形成一个有机的整体。另外，研究队伍的工作基础也很重要，而且一定要与申报项目的研究内容精密关联。
记者：如何尽快推动储能科学与技术的发展与应用?学术界、产业界、政府都需要做哪些方面的工作?
马紫峰：“储能”是能源领域一个十分重要的组成部分。以前，能源生产、能量转化与利用是能源工业的核心，通常不会将储存燃料油当作储能范畴。我前面说过，车载储存燃料油实际上就是储存化学能的一种方式，从这个思路出发，只要是涉及化学能、电能的都将是储能科学与技术研究的内涵，如燃料电池汽车中的储氢问题，就已经成为储能科学研究的热点。
要推动储能技术发展与应用，首先需要考虑储能技术的应用对象，只有应用对象明确，才能确定储能基础科学研究的目标。不同的应用对象，对于储能方式要求各异。例如，在电力系统行业，储电的方式从抽水蓄能、压缩空气等物理储能，到蓄电池、超级电容器、液流电池和钠硫电池等电化学储能，都有其特定的应用场合;第二，储能技术的先进性与可靠性，这是储能科学与技术发展的根本;第三，储能技术一定具有经济性，没有经济性的技术永远只能是纸上谈兵，要想推广应用新型的储能技术，一定要满足经济可行性原则。
对于储能技术的发展与应用离不开产学研的结合，由于储能技术是一个应用性很强的产业技术，与可再生能源利用、电动汽车等新兴战略产业密切相关，因此，学术理论研究应该尽早与产业技术开发结合。我从主持973项目的经历中感受很深。我们上一轮的973项目中，项目成员基本来自学术界，产出的论文数量400多篇，申请的专利100多项，但是许多结果停留在实验室阶段，技术的系统性不强。与许多科研项目一样，有技术发展潜力的项目没有足够的人力和财力去实施。我认为只有引进产业资本、结合国家政策导向才能更深入持久，如中国科学院上海硅酸盐研究所温兆银研究员小组在我们973项目的基础上，其钠硫电池技术与上海电力集团合作，通过建立产学研基地迅速走上了快速发展轨道。我们也是因为与中聚电池有限公司合作建立了研究院，才使得我们的磷酸铁锂专利技术得以转化与实施。所以，产学研合作一定要建立起一种紧密的、长期的合作关系，才能真正达到互利双赢。当然，政府的引导与政策鼓励也不可或缺，我想其作用不言而喻。
最后，我想强调的一点是，任何储能技术的进步都需要踏踏实实、一步一个脚印地做出来，从概念到样品，从样品到产品，再到推广应用，需要我们大家付出艰苦的劳动。