石墨烯基鋁燃料電池發電系統問世,能量密度545Wh/kg,容量130kWh!

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于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、適配溫度范圍寬、安全系數高、資源豐富及綠色無污染等優勢,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復合,大幅度提升電池電化學性能,系列研究工作發表在國際著名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)并受邀在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年成功研制出能量密度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),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電系統。


  近期,該研究團隊聯合浙江省石墨烯制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制,成功研制出能量密度高達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的使用效果,他們開展了對獨棟建筑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制備能力。研發團隊正在積極尋找合適的合作伙伴,旨在加快推進產業化。

微信圖片_20181220134148.jpg

圖1 石墨烯基鋁燃料電池結構示意圖和核心部件


微信圖片_20181220134154.jpg

圖2 1000W及3000W石墨烯基鋁燃料電池發電系統


微信圖片_20181220134159.jpg

圖3 3000W石墨烯基鋁燃料電池發電系統性能曲線


微信圖片_20181220134203.jpg

圖4 3000W石墨烯基鋁燃料電池發電系統獨立供電現場演示