金屬空氣電池是個(gè)什么鬼？據(jù)說石墨烯能顛覆電動(dòng)汽車市場(chǎng)

金屬空氣電池是個(gè)什么鬼？據(jù)說能顛覆電動(dòng)汽車市場(chǎng)

近日，記者從中科院寧波材料所官方網(wǎng)站獲悉，該所研究團(tuán)隊(duì)成功研制出基于石墨烯空氣陰極的千瓦級(jí)鋁空氣電池發(fā)電系統(tǒng)，準(zhǔn)備近期推動(dòng)金屬空氣電池產(chǎn)業(yè)化。

啥是金屬空氣電池？簡(jiǎn)單說，就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(wú)污染、放電壽命長(zhǎng)與安全環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，已被國(guó)家列入《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，同時(shí)還被國(guó)家發(fā)改委、能源局列入《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016-2030年)》。



隨著智能電網(wǎng)、移動(dòng)通訊、電動(dòng)汽車和應(yīng)急救災(zāi)等領(lǐng)域發(fā)展，能量高、成本低、體積小、壽命長(zhǎng)的新型化學(xué)電源的市場(chǎng)需求已是不言自明。僅在通訊基站備用電源市場(chǎng)方面，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2016年中國(guó)通訊基站的數(shù)目是近600萬(wàn)個(gè)，而傳統(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(wàn)組，體積和質(zhì)量均較大，3～4年更換一次，使用壽命短。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(chǔ)存時(shí)間久(約15年)、備用時(shí)間長(zhǎng)(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(dòng)力電池的4倍以上，在電動(dòng)汽車增程器應(yīng)用方面也具有誘人市場(chǎng)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(yáng)極自腐蝕情況嚴(yán)重，導(dǎo)致陽(yáng)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(wú)法長(zhǎng)時(shí)間工作。



2013年起，寧波材料所動(dòng)力鋰電池工程實(shí)驗(yàn)室開始金屬空氣電池研究，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(yáng)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了提高25%，大幅度提升金屬空氣電池綜合性能。



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。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(jí)鋁空氣電池發(fā)電系統(tǒng)，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，該系統(tǒng)可同時(shí)為一臺(tái)電視機(jī)、一臺(tái)電腦、一臺(tái)電風(fēng)扇以及10個(gè)60W照明燈泡供電，初步驗(yàn)證其發(fā)電供電能力。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還積極設(shè)計(jì)開發(fā)用于通訊基站備用電源和電動(dòng)汽車增程器的5kW級(jí)大功率鋁空氣電池系統(tǒng)。



據(jù)了解，該研究團(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(qǐng)發(fā)明專利20余項(xiàng)，具備了從關(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(dòng)金屬空氣電池產(chǎn)業(yè)化。

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