用「鋁+水+空氣」發電，看似不可思議，但是這項「黑科技」已然成為現實。近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所動力鋰電池工程實驗室的研究團隊研製出了新型千瓦級的石墨烯基鋁燃料電池發電系統，為電源安全及長效應用探索出了新的方向。
「黑科技」走進現實
該鋁燃料電池發電系統能量密度高達545Wh/kg、容量達130kWh，由6個10單元電池串聯電池堆的陣列組成。測試結果表明，50A電流放電功率可達到3000W，峰值功率預計可高達4800W。
「鋁燃料電池相當於一個大功率、可自發電的『充電寶』，通過簡單的加水或者加鋁操作便能發電。」團隊相關負責人薛業建介紹。這一電池系統具有能量密度高、安全、可循環、環保無汙染等優點。
同時測評顯示，安裝了車載「充電寶」的新能源汽車，能大幅度提升行駛裡程；通信基站使用鋁燃料電池後，遇到地震、颱風等惡劣天氣時可及時供電。
作為一種特殊的燃料電池，鋁燃料電池在軍事、民用、以及水底動力系統、電信系統後備動力源和可攜式電源等應用方面具有巨大的商業潛力。
鋁燃料電池究竟是何方神聖？
鋁燃料電池，又稱鋁空氣電池，是金屬燃料電池中的一種。金屬燃料電池是一種將鎂、鋁等輕金屬作為燃料產生的化學能直接轉化為電能的裝置。它具有能量密度高、低熱輻射、低噪音、儲存時間久、放電壽命長、適配溫度範圍寬、安全係數高、資源豐富及綠色無汙染等優勢。
加之，柴油發電機組、鉛酸電池、鋰離子電池、氫燃料電池等電源難以完全滿足人們對電源的安全性、經濟性和長續航等多樣化需求。金屬燃料電池的出現帶來了新的希望。
其中鋁燃料電池以其能量密度高、資源豐富，價格合理、製取已經有成熟的工業基礎等優勢被人們抱以了很大的期待。
潛心研究 終獲突破
鋁燃料電池雖然具有廣闊的應用前景，但是卻也面臨著諸多技術瓶頸，使得鋁燃料電池產業化應用進展緩慢。什麼樣的鋁電池能夠克服這些難題、鋁電池的研究能夠走向何處，始終是業界關心的問題。
此時，中國科學院寧波材料技術與工程研究所動力鋰電池工程實驗室的研究團隊進入了人們的視野。
團隊率先研發了一款千瓦級鋁空氣電池，該電池採用了高效的石墨烯基催化劑，利用石墨烯添加劑提升了空氣陰極結構及自主研發的鋁合金陽極，綜合性電化學性能表現十分出色。
研究團隊始終秉持把科技變成生產力的理念，歷時近五年時間，在電池設計及系統集成技術方面進行了深入研究。
2015年，該團隊成功研製出能量密度400Wh/kg、容量3kWh、輸出功率300W的鎂燃料電池發電系統。
石墨烯基鋁燃料電池結構示意圖和核心部件
2017年，團隊開發出高性能石墨烯基鋁燃料電池核心部件，並成功研製出能量密度510Wh/kg、容量20kWh、輸出功率1000W的基於石墨烯空氣陰極的鋁燃料電池發電系統。該款電池系統可同時為電視機、臺式計算機、電風扇及60瓦燈泡持續供電20多個小時，初步驗證了鋁空氣電池系統的發電供電能力，是新能源和新材料領域的一項重大突破。
近期，團隊終於又實現了新的突破，應用石墨烯對空氣陰極催化劑材料進行改性複合，大幅度提升鋁燃料電池電化學性能。目前，該項目已經具備鋁燃料電池關鍵材料與部件、單體電池、1kW模塊化電池堆的小批量製備能力。研發團隊正在積極尋找合適的合作夥伴，旨在加快推進產業化。
1000W及3000W石墨烯基鋁燃料電池發電系統
但是由於功率受限，目前的鋁燃料電池仍無法替代目前的新能源汽車動力電池。薛業建表示團隊將進一步提升電池性能，力爭研發出15千瓦額定功率以上的電源系統。
未來該石墨烯基鋁燃料電池發電系統將取得什麼樣的發展呢？讓我們拭目以待。