寧波材料研究院開發(fā)的石墨烯千瓦鋁空氣電池

寧波材料研究院開發(fā)的石墨烯千瓦鋁空氣電池

為滿足發(fā)展智能電網、移動通信、電動汽車和應急響應的需要，迫切需要開發(fā)新的高能、低成本、小體積、長壽命的化學電源，金屬空氣電池（又稱金屬燃料）是直接轉化金屬材料化學能的化學電源。金屬空氣電池具有能量密度高、價格低廉、資源豐富、綠色無污染、放電壽命長、安全環(huán)保等優(yōu)點。已列入國家十三五戰(zhàn)略新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃，并被國家發(fā)改委、能源局列入《能源技術革命與創(chuàng)新行動計劃（2016-2030）》，在通信基站備用電源市場，據《國家發(fā)展改革委》和《能源局》介紹。據Lete統計，2016年我國通信基站數量近600萬個，傳統的通信基站通常采用大容量酸電池作為備用電源系統。目前，使用的鉛酸電池超過1000萬只。它們的體積和質量更大。34年更換一次，使用壽命短，但金屬空氣電池具有比能量密度高（系統可達到400 Wh/kg及以上）、存儲時間長（約15年）、待機時間長（3050小時）、適應溫度范圍寬（20、60）等優(yōu)點，是鉛酸蓄電池的優(yōu)良替代品。通信基站的NDBY電源，金屬空氣電池的能量密度高達800Wh/kg，是目前商用鋰離子電池的四倍以上。在電動汽車里程延長器的應用方面也有著誘人的市場前景。

然而，金屬空氣電池產業(yè)的發(fā)展仍面臨諸多技術瓶頸，影響其應用和推廣，其原因是：一是氧還原劑的催化活性不夠高，電極的功率密度有待提高；二是空氣陰極的極化電阻不足。n常規(guī)結構太大，無法滿足高功率輸出；三是金屬陽極自腐蝕導致陽極利用率低；四是電池系統熱失控導致電池系統長期失效。2013年以來，鋰電池工程中已部署金屬空氣電池。中國科學院寧波材料技術工程研究所實驗室。研究團隊在烯烴復合催化劑、新型結構空氣陰極、金屬陽極合金化、單電池制備技術等方面取得了一系列進展，其中使用了石墨烯復合錳基催化劑和新型石墨烯基高效催化劑，空氣陰極提高了SiN的功率密度。GLE電池提高了25%（見圖1），大大提高了金屬空氣電池的綜合性能，一系列研究工作發(fā)表在《國際電源雜志》（2017，358，50）；《電源雜志》，2017，342，192；材料化學雜志A，2017，56411；RSC進展，2017，725838；ElectrochimicaActa，2016，214，49；Echimica Acta，2017，230，418；電化學學會雜志，2017，418.164（7），F768；RSC進展，2017，7，5214；RSC進展，2016，6，99179；電源雜志，2015，297，202。

2015年，本著材料對材料、材料對實施、設備對用的研究理念，研制成功了能量密度為400Wh/kg、容量為3kWh、輸出功率為300W的鎂空電池發(fā)電系統，最近研制成功了基于石墨的千瓦級鋁空電池發(fā)電系統。已成功研制出東北空氣陰極（見圖2）。系統的能量密度高達510 Wh/kg，容量為20 kWh，輸出功率為1000 W，實際演示表明，電池系統可以同時為電視、計算機、電風扇和10個60 W照明燈泡供電（見圖3）。初步驗證了鋁空氣電池系統的發(fā)電能力和供電能力，據報道，研究小組正在積極設計和開發(fā)一個5KW大功率鋁空氣電池系統，用于通信基站和電動車輛擴展器的備用電源。

研究小組發(fā)表了十多篇SCI論文，申請了20多項金屬空氣電池專利。它具有關鍵材料和部件的小型制備能力，單電池和模塊化電池堆，并準備在不久的將來促進金屬空氣電池的產業(yè)化，該研究工作得到了寧波科技創(chuàng)新團隊和寧波自然科學基金會的支持。

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