征途：磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料的研发
动力锂电池技术研究团队
唐长林
如果说人们对磷酸铁锂还很陌生，那没有理由对电动汽车置之不理，本文提示你在感受电动汽车的舒适时，别忘了倾听磷酸铁锂的贡献。
磷酸铁锂（分子式LiFePO4，简称LFP）是1997年由美国德克萨斯大学J.B. Goodenough教授发现的新型锂离子电池正极材料。以此材料为正极制作的磷酸铁锂动力锂电池是目前市场上最安全的动力锂电池。然而磷酸铁锂材料导电性差、锂离子扩散速率慢、加工性能差，磷酸铁锂动力锂电池难以满足电动车更快、更远的现实需求。
2008年10月，刘兆平研究员回国创立了纳米能源材料研究团队（现动力锂电池技术研究团队的前称），首先开设了磷酸铁锂和石墨烯的研究课题，并提出石墨烯复合技术，以解决磷酸铁锂正极材料导电性差的问题；在2年内建立了磷酸铁锂/石墨烯材料中试平台和动力锂电池实验线，发展了磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料的中试生产技术。经国内/国际权威检测机构分析认证及国内锂电池生产企业试用反馈，所研制产品满足电动汽车动力电池的要求。目前磷酸铁锂产业化技术已成功实现技术成果转移。以下内容从方略和时间两个角度，还原主要研发历程。
1. 专利攻略
中科院宁波材料所通过对全球磷酸铁锂专利进行系统分析，把握了磷酸铁锂专利的发展趋势；针对国际上专利技术领先的七家重点单位所有专利进行逐一分析，从战略和技术的层面，提出以磷酸铁锂/石墨烯复合技术作为专利突破口，并迅速进行了周密的专利布局。两年多来，在磷酸铁锂、石墨烯、磷酸铁锂/石墨烯复合材料及其应用技术等领域申请专利十余件，为磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料的产业化提供了有力保障。
2. 可复制的成功
磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料的研发过程也是动力锂电池技术研究团队的成长过程，该项目的研发谱写了团队从无到有、从有到大的艰苦岁月和光辉历程的篇章。
刘兆平研究员回国之初创建的“纳米能源材料研究组”，便能深刻地反映出刘研究员既往开来的科研思路：既纳米材料之往，开能源材料之来，着眼于纳米材料在能源领域的应用研究。团队首先开设磷酸铁锂和石墨烯的研究课题，并提出石墨烯复合技术，以解决磷酸铁锂正极材料导电性差的问题。如偿所愿，发现经石墨烯复合，磷酸铁锂材料具有超强的快速充放电性能。
一年后，为推进磷酸铁锂/石墨烯复合材料的放大制备进程，2009年8月团队邀请了国内知名专家评审论证了“动力锂电池实验线建设方案”，对即将推进的磷酸铁锂材料中试工作及动力锂电池实验线进行了技术评估和风险分析。与此同时，团队已经着手组织开展公斤级磷酸铁锂制备工作。至2010年3月，所制备的公斤级磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料比容量达到160mAh/g，放电平台为3.4V，倍率性能上已超越了国内的绝大多数厂家的产品，非常值得进一步放大制备。
2010年4月所长基金获批，团队正式成立一个固定的磷酸铁锂产业化技术攻关小组，开始建设百公斤级磷酸铁锂材料中试线及动力锂电池实验线。5个月内，依靠高效的团队协作，睿智的判断和运筹，攻关小组完成了场地设计、装修，设备选型、采购，人员扩张等全方位工作。与此同时，为了切合发展实际，“纳米能源材料研究组”更名为“动力锂电池技术研究团队”。
至2011年1月，磷酸铁锂产业化技术攻关小组完成了20余批次磷酸铁锂材料中试实验。经用户证实，所研制的中试产品与国际一流产品相当。恰在此时，团队在石墨烯低成本规模化制备技术上也取得重大突破，磷酸铁锂产业化技术攻关小组开始着重进行磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料的百公斤级制备工作。使用中试产品制作了18650圆柱电池，其10C放电电压平台高出国内外同类产品0.24V，材料综合性能优异。电池能量密度达到115wh/kg，有望达到磷酸铁锂动力电池让电动车跑得更快、更远的十二五目标。
研发过程中，磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料及其中试技术一直受到各级领导关注和重视，中科院高技术局、院地合作局、宁波市科技局均表示要立项支持磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料及动力电池的产业化研究，将磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料的研发推向了一个新高潮。
近期，团队拟举行“磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料及其中试技术”科技成果鉴定会，将邀请行业内知名专家、权威检测机构及企业用户对磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料及其中试技术的新颖性、先进性和实用性进行综合评价。
故事还在延续……
3. 样品离产品有多远？
在研究工作开展之初，为了实现磷酸铁锂的纳米化，团队最初采用水热法制备平均尺寸约50nm的磷酸铁锂纳米材料，其性能指标虽然优于行业内的领先企业A123公司的同类产品，但却无法突破产量瓶颈。
为了解决产量的问题，团队独辟蹊径采用固相法，同时出于对材料振实密度和加工性能的考虑，团队选取包含“磷酸铁、碳酸锂”的工艺路线，经过公斤级实验后，扣式电池数据表明，所制备的材料已经达到了国际领先的水平，采用石墨烯改性以后，性能更加优异，所制备的百公斤级磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料产品得到锂电池生产企业的高度评价。基于此，团队加快完成磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料的系列工艺文件。
4. 变成产品不远了
2011年3月9日，中科院宁波材料所与宁波沪甬电力器材股份公司签署“磷酸铁锂产业化项目”合作协议，标志着磷酸铁锂产业化技术成果顺利向企业转移。宁波沪甬电力器材有限公司出资2500元引进磷酸铁锂产业化项目，并注资5000万成立磷酸铁锂项目公司。团队派出三位研发骨干全力参与磷酸铁锂生产线的建设，并到新建项目公司中负责生产技术，共同推进磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料的产业化。
