寧波材料所利用石墨烯研制出千瓦級鋁空氣電池

    為了滿足不斷發(fā)展的智能電網(wǎng)、移動通訊、電動汽車和應(yīng)急救災(zāi)的需要，迫切需要開發(fā)能量高、成本低、體積小、壽命長的新型化學(xué)電源。金屬空氣電池（也稱為金屬燃料電池）是一種將金屬材料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的化學(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、綠色無污染、放電壽命長與安全環(huán)保等優(yōu)勢，已被國家列入《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，同時(shí)還被國家發(fā)改委、能源局列入《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃（2016-2030年）》。僅在通訊基站備用電源市場方面，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2016年中國通訊基站的數(shù)目是近600萬個(gè)。傳統(tǒng)通訊基站一般采用大容量鉛酸蓄電池配合柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源系統(tǒng)，目前在用鉛酸蓄電池高達(dá)1000多萬組，體積和質(zhì)量均較大，3～4年更換一次，使用壽命較短。然而，金屬空氣電池具有比能量密度高（系統(tǒng)可達(dá)400 Wh/kg以上）、儲存時(shí)間久（約15年）、備用時(shí)間長（30~50 h）及適配溫度范圍寬（–20℃~60℃）等優(yōu)點(diǎn)，是替代通訊基站鉛酸備用電源的優(yōu)異備選。此外，金屬空氣電池能量密度高達(dá)800 Wh/kg，是當(dāng)前商業(yè)化鋰離子動力電池的4倍以上，在電動汽車增程器應(yīng)用方面也同樣具有誘人的市場前景。

　　然而，金屬空氣電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍然面臨諸多技術(shù)瓶頸，影響了其應(yīng)用推廣。究其原因有四方面：一是當(dāng)前研發(fā)應(yīng)用的氧還原催化劑催化活性不夠高，電極功率密度有待提升；二是常規(guī)結(jié)構(gòu)的空氣陰極極化電阻較大，難于滿足高功率輸出；三是金屬陽極自腐蝕情況嚴(yán)重，導(dǎo)致陽極利用率不高；四是電池系統(tǒng)熱失控問題，導(dǎo)致電池系統(tǒng)無法長時(shí)間工作。自2013年，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所動力鋰電池工程實(shí)驗(yàn)室部署了金屬空氣電池研究，研究團(tuán)隊(duì)在石墨烯復(fù)合催化劑、新結(jié)構(gòu)空氣陰極、金屬陽極合金化、單電池制備工藝等多方面取得了一系列進(jìn)展，其中采用石墨烯復(fù)合錳基氧化物催化劑以及新型石墨烯基高效空氣陰極將單體電池功率密度提高了25%（見圖1），大幅度提升金屬空氣電池綜合性能。系列研究工作發(fā)表在國際電化學(xué)和材料學(xué)術(shù)期刊（Journal of Power Sources，2017, 358, 50；Journal of Power Sources, 2017, 342, 192; Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5, 6411; RSC Advances, 2017, 7, 25838; Electrochimica Acta, 2016, 214, 49; Electrochimica Acta, 2017, 230, 418; Journal of The Electrochemical Society, 2017, 164(7), F768; RSC Advances, 2017, 7, 5214; RSC Advances, 2016, 6, 99179; Journal of Power Sources, 2015, 297, 202）。

　　秉承“料要成材，材要成器，器要好用”的研究理念，研究團(tuán)隊(duì)在電池設(shè)計(jì)及系統(tǒng)集成技術(shù)方面也進(jìn)行了深入研究。在2015年成功研制出能量密度400 Wh/kg、容量3 kWh、輸出功率300 W的鎂空氣電池發(fā)電系統(tǒng)。近日，又成功研制出基于石墨烯空氣陰極的千瓦級鋁空氣電池發(fā)電系統(tǒng)（見圖2），該電池系統(tǒng)能量密度高達(dá)510 Wh/kg、容量20 kWh、輸出功率1000 W。通過實(shí)際演示顯示該電池系統(tǒng)可同時(shí)為一臺電視機(jī)、一臺電腦、一臺電風(fēng)扇以及10個(gè)60W照明燈泡同時(shí)供電（見圖3），初步驗(yàn)證了該鋁空氣電池系統(tǒng)的發(fā)電供電能力。據(jù)悉，研究團(tuán)隊(duì)正在積極設(shè)計(jì)開發(fā)用于通訊基站備用電源和電動汽車增程器的5kW級大功率鋁空氣電池系統(tǒng)。

　　研究團(tuán)隊(duì)圍繞金屬空氣電池研究已發(fā)表SCI論文10余篇、申請發(fā)明專利20余項(xiàng)，具備了關(guān)鍵材料與部件、單體電池、模塊化電池堆的小試制備能力，準(zhǔn)備近期推動金屬空氣電池產(chǎn)業(yè)化。研究工作得到了寧波市科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和寧波市自然科學(xué)基金的資助。

圖1 石墨烯基陰極與常規(guī)陰極的電化學(xué)性能比較

圖2 1000W鋁空氣電池發(fā)電系統(tǒng)

圖3 鋁空氣電池發(fā)電系統(tǒng)演示現(xiàn)場