用“鋁+水+空氣”發(fā)電，看似不可思議，但是這項(xiàng)“黑科技”已然成為現(xiàn)實(shí)。近日，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所動(dòng)力鋰電池工程實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)研制出了新型千瓦級(jí)的石墨烯基鋁燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，為電源安全及長(zhǎng)效應(yīng)用探索出了新的方向。

“黑科技”走進(jìn)現(xiàn)實(shí)

該鋁燃料電池發(fā)電系統(tǒng)能量密度高達(dá)545Wh/kg、容量達(dá)130kWh，由6個(gè)10單元電池串聯(lián)電池堆的陣列組成。測(cè)試結(jié)果表明，50A電流放電功率可達(dá)到3000W，峰值功率預(yù)計(jì)可高達(dá)4800W。

“鋁燃料電池相當(dāng)于一個(gè)大功率、可自發(fā)電的‘充電寶’，通過(guò)簡(jiǎn)單的加水或者加鋁操作便能發(fā)電?！眻F(tuán)隊(duì)相關(guān)負(fù)責(zé)人薛業(yè)建介紹。這一電池系統(tǒng)具有能量密度高、安全、可循環(huán)、環(huán)保無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。

同時(shí)測(cè)評(píng)顯示，安裝了車(chē)載“充電寶”的新能源汽車(chē)，能大幅度提升行駛里程；通信基站使用鋁燃料電池后，遇到地震、臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣時(shí)可及時(shí)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(dòng)力系統(tǒng)、電信系統(tǒng)后備動(dòng)力源和便攜式電源等應(yīng)用方面具有巨大的商業(yè)潛力。

鋁燃料電池究竟是何方神圣？

鋁燃料電池，又稱(chēng)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(chǎn)生的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。它具有能量密度高、低熱輻射、低噪音、儲(chǔ)存時(shí)間久、放電壽命長(zhǎng)、適配溫度范圍寬、安全系數(shù)高、資源豐富及綠色無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)。

加之，柴油發(fā)電機(jī)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(duì)電源的安全性、經(jīng)濟(jì)性和長(zhǎng)續(xù)航等多樣化需求。金屬燃料電池的出現(xiàn)帶來(lái)了新的希望。

其中鋁燃料電池以其能量密度高、資源豐富，價(jià)格合理、制取已經(jīng)有成熟的工業(yè)基礎(chǔ)等優(yōu)勢(shì)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(yīng)用前景，但是卻也面臨著諸多技術(shù)瓶頸，使得鋁燃料電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進(jìn)展緩慢。什么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(yè)界關(guān)心的問(wèn)題。

此時(shí)，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所動(dòng)力鋰電池工程實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)入了人們的視野。

團(tuán)隊(duì)率先研發(fā)了一款千瓦級(jí)鋁空氣電池，該電池采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(jié)構(gòu)及自主研發(fā)的鋁合金陽(yáng)極，綜合性電化學(xué)性能表現(xiàn)十分出色。

研究團(tuán)隊(duì)始終秉持把科技變成生產(chǎn)力的理念，歷時(shí)近五年時(shí)間，在電池設(shè)計(jì)及系統(tǒng)集成技術(shù)方面進(jìn)行了深入研究。

2015年，該團(tuán)隊(duì)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(fā)電系統(tǒng)。

2017年，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出高性能石墨烯基鋁燃料電池核心部件，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(fā)電系統(tǒng)。該款電池系統(tǒng)可同時(shí)為電視機(jī)、臺(tái)式計(jì)算機(jī)、電風(fēng)扇及60瓦燈泡持續(xù)供電20多個(gè)小時(shí)，初步驗(yàn)證了鋁空氣電池系統(tǒng)的發(fā)電供電能力，是新能源和新材料領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破。

近期，團(tuán)隊(duì)終于又實(shí)現(xiàn)了新的突破，應(yīng)用石墨烯對(duì)空氣陰極催化劑材料進(jìn)行改性復(fù)合，大幅度提升鋁燃料電池電化學(xué)性能。目前，該項(xiàng)目已經(jīng)具備鋁燃料電池關(guān)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(fā)團(tuán)隊(duì)正在積極尋找合適的合作伙伴，旨在加快推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化。

但是由于功率受限，目前的鋁燃料電池仍無(wú)法替代目前的新能源汽車(chē)動(dòng)力電池。薛業(yè)建表示團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步提升電池性能，力爭(zhēng)研發(fā)出15千瓦額定功率以上的電源系統(tǒng)。

未來(lái)該石墨烯基鋁燃料電池發(fā)電系統(tǒng)將取得什么樣的發(fā)展呢？讓我們拭目以待。