為了滿足不斷發(fā)展的智能電網(wǎng)、移動通訊、電動汽車和應(yīng)急救災(zāi)的需要，迫切需要開發(fā)能量高、成本低、體積小、壽命長的新型化學(xué)電源。近日，寧波材料所動力鋰電池工程實(shí)驗(yàn)室成功研制出基于石墨烯空氣陰極的千瓦級鋁空氣電池發(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。
為了滿足不斷發(fā)展的智能電網(wǎng)、移動通訊、電動汽車和應(yīng)急救災(zāi)的需要，迫切需要開發(fā)能量高、成本低、體積小、壽命長的新型化學(xué)電源。金屬空氣電池（也稱為金屬燃料電池）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、綠色無污染、放電壽命長與安全環(huán)保等優(yōu)勢，已被國家列入《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，同時(shí)還被國家發(fā)改委、能源局列入《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃（2016-2030年）》。僅在通訊基站備用電源市場方面，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2016年中國通訊基站的數(shù)目是近600萬個(gè)。
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多萬組，體積和質(zhì)量均較大，3～4年更換一次，使用壽命較短。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）、儲存時(shí)間久（約15年）、備用時(shí)間長（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)化鋰離子動力電池的4倍以上，在電動汽車增程器應(yīng)用方面也同樣具有誘人的市場前景。
圖1 石墨烯基陰極與常規(guī)陰極的電化學(xué)性能比較
圖2 1000 W鋁空氣電池發(fā)電系統(tǒng)
圖3 鋁空氣電池發(fā)電系統(tǒng)演示現(xiàn)場
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；三是金屬陽極自腐蝕情況嚴(yán)重，導(dǎo)致陽極利用率不高；四是電池系統(tǒng)熱失控問題，導(dǎo)致電池系統(tǒng)無法長時(shí)間工作。
