動態 | 能量密度高達545Wh/kg、容量達130kWh!寧波材料所等研製出石墨烯基鋁燃料電池

2021-02-15 旺材鋰電

來源：中科院寧波材料所 

隨著人類社會發展對電力能源的依賴程度越來越強，人類社會活動對電源需求以及經濟性要求越來越高，現有的柴油發電機組、鉛酸電池、鋰離子電池、氫燃料電池等電源難於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，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，在智能電網、基站備用電源、島礁供電、軍事設施備用電源及電動汽車增程器等領域具有廣泛的應用前景。

一直以來，鋁燃料電池面臨諸多技術瓶頸，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重、熱控制難及難以二次啟動等，使得鋁燃料電池產業化應用進展緩慢。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，大幅度提升電池電化學性能，系列研究工作發表在國際化學和電化學學術期刊上（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），並受邀在Journal of Materials Chemistry A上發表綜述評論（2018,6,10595）。

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。2017年開發出高性能石墨烯基鋁燃料電池核心部件（如圖1），並成功研製出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。

近期，該研究團隊聯合浙江省石墨烯製造業創新中心研發團隊大力推進鋁燃料電池的工藝開發和工程樣機研製，成功研製出能量密度高達545Wh/kg、容量達130kWh的石墨烯基鋁燃料電池發電系統（見圖2），該系統由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（見圖3）。

該電池系統有望應用於電動汽車等的動力電源或備用電源。為了展示該電池系統的使用效果，他們開展了對獨棟建築照明供電和石墨烯遠紅外能量房供電的演示（見圖4）。

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。

圖1 石墨烯基鋁燃料電池結構示意圖和核心部件


圖2 1000W及3000W石墨烯基鋁燃料電池發電系統


圖3 3000W石墨烯基鋁燃料電池發電系統性能曲線


圖4 3000W石墨烯基鋁燃料電池發電系統獨立供電現場演示

來源：中科院寧波材料所 

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  • 補貼政策首提能量密度指標90-120wh/kg,動力電池企業準備好了嗎?
    非快充類純電動客車電池系統能量密度要高於85Wh/kg。專用車裝載動力電池系統質量能量密度不低於90Wh/kg。 這樣的能量密度指標對於電池企業來講是一個較高的門檻還是一個普遍能達到的水平呢？對此第一電動網作者採訪了電池專家和電池企業負責人。
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    石墨烯被研究者和各大媒體譽為「新材料之王」，是人類已知強度高、韌性好、重量輕、透光率高、導電性佳的新型納米材料。集萬千光芒於一身的石墨烯聚合電池，有著比能量高、充電速率快等優點，正好是當今電動汽車的痛點所在。比如早在2015年，華為瓦特實驗室在日本第56屆日本電池大會上發布的一項快充技術，這款3000mAh的石墨烯電池僅需5分鐘，就可獲得高達48%的電量。
  • 石墨烯電池究竟是什麼?是未來新科技還是騙局?
    2014年，西班牙Graphenano公司就與西班牙科爾瓦多大學，合作研究出了首例石墨烯聚合材料電池。按他們的說法，這款電池有著諸多優點：1.一個石墨烯電池的比能量超過600wh/kg，儲電量是當時市場最好產品的三倍，這個表現放在當今都能呈碾壓態勢（比如目前比亞迪磷酸鐵鋰電池的單體能量密度為150~160Wh/kg、特斯拉最新的21700電池系統的能量密度在300Wh/kg左右）；2.
  • 話說鋁燃料電池: 鋁燃料電池的應用(一)
    【鋁道網】車輛牽引動力鋁燃料電池可分為功率型的與容量型的，前者適用於牽引動力，應用於車輛、航空太空飛行器、航船等領域；後者主要適用於UPS鋁燃料電池可設計成儲備電池，使用前進行活化，使用期滿後，可通過移去消耗的鋁陽極，換上新的鋁陽極，此過程稱為機械再充，鋁陽極被稱為可更換極。機械可再充鋁燃料電池已用於取代因質量和噪聲限制而不適合某些方面應用的柴油和汽油發動機，且應用潛力巨大。下面介紹一些在車輛領域，東深新能源科技有限公司的鋁燃料電池系統的應用實例。