宁波材料研究院开发的石墨烯千瓦铝空气电池

宁波材料研究院开发的石墨烯千瓦铝空气电池

为满足发展智能电网、移动通信、电动汽车和应急响应的需要，迫切需要开发新的高能、低成本、小体积、长寿命的化学电源，金属空气电池（又称金属燃料）是直接转化金属材料化学能的化学电源。金属空气电池具有能量密度高、价格低廉、资源丰富、绿色无污染、放电寿命长、安全环保等优点。已列入国家十三五战略新兴产业发展规划，并被国家发改委、能源局列入《能源技术革命与创新行动计划（2016-2030）》，在通信基站备用电源市场，据《国家发展改革委》和《能源局》介绍。据Lete统计，2016年我国通信基站数量近600万个，传统的通信基站通常采用大容量酸电池作为备用电源系统。目前，使用的铅酸电池超过1000万只。它们的体积和质量更大。34年更换一次，使用寿命短，但金属空气电池具有比能量密度高（系统可达到400 Wh/kg及以上）、存储时间长（约15年）、待机时间长（3050小时）、适应温度范围宽（20、60）等优点，是铅酸蓄电池的优良替代品。通信基站的NDBY电源，金属空气电池的能量密度高达800Wh/kg，是目前商用锂离子电池的四倍以上。在电动汽车里程延长器的应用方面也有着诱人的市场前景。

然而，金属空气电池产业的发展仍面临诸多技术瓶颈，影响其应用和推广，其原因是：一是氧还原剂的催化活性不够高，电极的功率密度有待提高；二是空气阴极的极化电阻不足。n常规结构太大，无法满足高功率输出；三是金属阳极自腐蚀导致阳极利用率低；四是电池系统热失控导致电池系统长期失效。2013年以来，锂电池工程中已部署金属空气电池。中国科学院宁波材料技术工程研究所实验室。研究团队在烯烃复合催化剂、新型结构空气阴极、金属阳极合金化、单电池制备技术等方面取得了一系列进展，其中使用了石墨烯复合锰基催化剂和新型石墨烯基高效催化剂，空气阴极提高了SiN的功率密度。GLE电池提高了25%（见图1），大大提高了金属空气电池的综合性能，一系列研究工作发表在《国际电源杂志》（2017，358，50）；《电源杂志》，2017，342，192；材料化学杂志A，2017，56411；RSC进展，2017，725838；ElectrochimicaActa，2016，214，49；Echimica Acta，2017，230，418；电化学学会杂志，2017，418.164（7），F768；RSC进展，2017，7，5214；RSC进展，2016，6，99179；电源杂志，2015，297，202。

2015年，本着材料对材料、材料对实施、设备对用的研究理念，研制成功了能量密度为400Wh/kg、容量为3kWh、输出功率为300W的镁空电池发电系统，最近研制成功了基于石墨的千瓦级铝空电池发电系统。已成功研制出东北空气阴极（见图2）。系统的能量密度高达510 Wh/kg，容量为20 kWh，输出功率为1000 W，实际演示表明，电池系统可以同时为电视、计算机、电风扇和10个60 W照明灯泡供电（见图3）。初步验证了铝空气电池系统的发电能力和供电能力，据报道，研究小组正在积极设计和开发一个5KW大功率铝空气电池系统，用于通信基站和电动车辆扩展器的备用电源。

研究小组发表了十多篇SCI论文，申请了20多项金属空气电池专利。它具有关键材料和部件的小型制备能力，单电池和模块化电池堆，并准备在不久的将来促进金属空气电池的产业化，该研究工作得到了宁波科技创新团队和宁波自然科学基金会的支持。

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