隨著人類社會發(fā)展對電力能源的依賴程度越來越強(qiáng)，人類社會活動對電源需求以及經(jīng)濟(jì)性要求越來越高，現(xiàn)有的柴油發(fā)電機(jī)組、鉛酸電池、鋰離子電池、氫燃料電池等電源難于完全滿足人們對電源的安全性、經(jīng)濟(jì)性和長續(xù)航等多樣化需求。金屬燃料電池，又稱為金屬空氣電池或金屬空氣燃料電池，是一種將鎂、鋁等輕金屬為燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。它具有能量密度高、低熱輻射、低噪音、儲存時(shí)間久、放電壽命長、適配溫度范圍寬、安全系數(shù)高、資源豐富及綠色無污染等優(yōu)勢，在智能電網(wǎng)、基站備用電源、島礁供電、軍事設(shè)施備用電源及電動汽車增程器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

一直以來，鋁燃料電池面臨諸多技術(shù)瓶頸，如錳氧化物催化劑活性不高、空氣陰極極化電阻較大、陽極鋁析氫自腐蝕嚴(yán)重、熱控制難及難以二次啟動等，使得鋁燃料電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進(jìn)展緩慢。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)室的研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用石墨烯對空氣陰極催化劑材料進(jìn)行改性復(fù)合，大幅度提升電池電化學(xué)性能，系列研究工作發(fā)表在國際化學(xué)和電化學(xué)學(xué)術(shù)期刊上（Chemistry-A European Journal, 2018,24,14816，Electrochimica Acta, 2018,263,544，Energy Technology, 2017,5,2226，Chemical Communications, 2017,53,7921，Electrochimica Acta, 2017,254,14），并受邀在Journal of Materials Chemistry A上發(fā)表綜述評論（2018,6,10595）。

研究團(tuán)隊(duì)始終秉持把科技變成生產(chǎn)力的理念，歷時(shí)近五年時(shí)間，在電池設(shè)計(jì)及系統(tǒng)集成技術(shù)方面進(jìn)行了深入研究。2015年成功研制出能量密度400Wh/kg、容量3kWh、輸出功率300W的鎂燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。2017年開發(fā)出高性能石墨烯基鋁燃料電池核心部件（如圖1），并成功研制出能量密度510Wh/kg、容量20kWh、輸出功率1000W的基于石墨烯空氣陰極的鋁燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。

近期，該研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合浙江省石墨烯制造業(yè)創(chuàng)新中心研發(fā)團(tuán)隊(duì)大力推進(jìn)鋁燃料電池的工藝開發(fā)和工程樣機(jī)研制，成功研制出能量密度高達(dá)545Wh/kg、容量達(dá)130kWh的石墨烯基鋁燃料電池發(fā)電系統(tǒng)（見圖2），該系統(tǒng)由6個(gè)10單元電池串聯(lián)電池堆的陣列組成。測試結(jié)果表明，50A電流放電功率可達(dá)到3000W，峰值功率預(yù)計(jì)可高達(dá)4800W（見圖3）。該電池系統(tǒng)有望應(yīng)用于電動汽車等的動力電源或備用電源。為了展示該電池系統(tǒng)的使用效果，他們開展了對獨(dú)棟建筑照明供電和石墨烯遠(yuǎn)紅外能量房供電的演示（見圖4）。

目前，該項(xiàng)目已經(jīng)具備鋁燃料電池關(guān)鍵材料與部件、單體電池、1kW模塊化電池堆的小批量制備能力。研發(fā)團(tuán)隊(duì)正在積極尋找合適的合作伙伴，旨在加快推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化。

圖1 石墨烯基鋁燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖和核心部件

圖2 1000W及3000W石墨烯基鋁燃料電池發(fā)電系統(tǒng)?

圖3 3000W石墨烯基鋁燃料電池發(fā)電系統(tǒng)性能曲線?

圖4 3000W石墨烯基鋁燃料電池發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立供電現(xiàn)場演示

本文源自寧波材料技術(shù)與工程研究所，本文觀點(diǎn)不代表利特納米立場，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原作者。