寧波材料研究院開(kāi)發(fā)的石墨烯千瓦鋁空氣電池
寧波材料研究院開(kāi)發(fā)的石墨烯千瓦鋁空氣電池
為滿足發(fā)展智能電網(wǎng)、移動(dòng)通信、電動(dòng)汽車和應(yīng)急響應(yīng)的需要，迫切需要開(kāi)發(fā)新的高能、低成本、小體積、長(zhǎng)壽命的化學(xué)電源，金屬空氣電池（又稱金屬燃料）是直接轉(zhuǎn)化金屬材料化學(xué)能的化學(xué)電源。金屬空氣電池具有能量密度高、價(jià)格低廉、資源豐富、綠色無(wú)污染、放電壽命長(zhǎng)、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。已列入國(guó)家十三五戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，并被國(guó)家發(fā)改委、能源局列入《能源技術(shù)革命與創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016-2030）》，在通信基站備用電源市場(chǎng)，據(jù)《國(guó)家發(fā)展改革委》和《能源局》介紹。據(jù)Lete統(tǒng)計(jì)，2016年我國(guó)通信基站數(shù)量近600萬(wàn)個(gè)，傳統(tǒng)的通信基站通常采用大容量酸電池作為備用電源系統(tǒng)。目前，使用的鉛酸電池超過(guò)1000萬(wàn)只。它們的體積和質(zhì)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(tǒng)可達(dá)到400 Wh/kg及以上）、存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)（約15年）、待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)（3050小時(shí)）、適應(yīng)溫度范圍寬（20、60）等優(yōu)點(diǎn)，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(dá)800Wh/kg，是目前商用鋰離子電池的四倍以上。在電動(dòng)汽車?yán)锍萄娱L(zhǎng)器的應(yīng)用方面也有著誘人的市場(chǎng)前景。
然而，金屬空氣電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展仍面臨諸多技術(shù)瓶頸，影響其應(yīng)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(jié)構(gòu)太大，無(wú)法滿足高功率輸出；三是金屬陽(yáng)極自腐蝕導(dǎo)致陽(yáng)極利用率低；四是電池系統(tǒng)熱失控導(dǎo)致電池系統(tǒng)長(zhǎng)期失效。2013年以來(lái)，鋰電池工程中已部署金屬空氣電池。中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)工程研究所實(shí)驗(yàn)室。研究團(tuán)隊(duì)在烯烴復(fù)合催化劑、新型結(jié)構(gòu)空氣陰極、金屬陽(yáng)極合金化、單電池制備技術(shù)等方面取得了一系列進(jìn)展，其中使用了石墨烯復(fù)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(jiàn)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(guó)際電源雜志》（2017，358，50）；《電源雜志》，2017，342，192；材料化學(xué)雜志A，2017，56411；RSC進(jìn)展，2017，725838；ElectrochimicaActa，2016，214，49；Echimica Acta，2017，230，418；電化學(xué)學(xué)會(huì)雜志，2017，418.164（7），F(xiàn)768；RSC進(jìn)展，2017，7，5214；RSC進(jìn)展，2016，6，99179；電源雜志，2015，297，202。
2015年，本著材料對(duì)材料、材料對(duì)實(shí)施、設(shè)備對(duì)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(tǒng)，最近研制成功了基于石墨的千瓦級(jí)鋁空電池發(fā)電系統(tǒng)。已成功研制出東北空氣陰極（見(jiàn)圖2）。系統(tǒng)的能量密度高達(dá)510 Wh/kg，容量為20 kWh，輸出功率為1000 W，實(shí)際演示表明，電池系統(tǒng)可以同時(shí)為電視、計(jì)算機(jī)、電風(fēng)扇和10個(gè)60 W照明燈泡供電（見(jiàn)圖3）。初步驗(yàn)證了鋁空氣電池系統(tǒng)的發(fā)電能力和供電能力，據(jù)報(bào)道，研究小組正在積極設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一個(gè)5KW大功率鋁空氣電池系統(tǒng)，用于通信基站和電動(dòng)車輛擴(kuò)展器的備用電源。
研究小組發(fā)表了十多篇SCI論文，申請(qǐng)了20多項(xiàng)金屬空氣電池專利。它具有關(guān)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(zhǔn)備在不久的將來(lái)促進(jìn)金屬空氣電池的產(chǎn)業(yè)化，該研究工作得到了寧波科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和寧波自然科學(xué)基金會(huì)的支持。
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