金屬空氣電池（也稱(chēng)為金屬燃料電池）是一種將金屬材料的化學(xué)能直接轉化為電能的化學(xué)電源，具有能量密度高、價(jià)格低廉、資源豐富、綠色無(wú)污染、放電壽命長(cháng)與安全環(huán)保等優(yōu)勢，已被國家列入《“十三五”國家戰略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規劃》，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(dòng)計劃（2016-2030年）》。然而，金屬空氣電池具有比能量密度高（系統可達400 Wh/kg以上）、儲存時(shí)間久（約15年）、備用時(shí)間長(cháng)（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800 Wh/kg，是當前商業(yè)化鋰離子動(dòng)力電池的4倍以上，在電動(dòng)汽車(chē)增程器應用方面也同樣具有誘人的市場(chǎng)前景。
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，影響了其應用推廣，原因有四：
一是當前研發(fā)應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；
二是常規結構的空氣陰極極化電阻較大，難于滿(mǎn)足高功率輸出；
三是金屬陽(yáng)極自腐蝕情況嚴重，導致陽(yáng)極利用率不高；
四是電池系統熱失控問(wèn)題，導致電池系統無(wú)法長(cháng)時(shí)間工作。
自2013年，中國科學(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)驗室部署了金屬空氣電池研究，研究團隊在石墨烯復合催化劑、新結構空氣陰極、金屬陽(yáng)極合金化、單電池制備工藝等多方面取得了一系列進(jìn)展，其中采用石墨烯復合錳基氧化物催化劑以及新型石墨烯基高效空氣陰極將單體電池功率密度提高了25%（見(jiàn)圖1），大幅度提升金屬空氣電池綜合性能。
另外，研究團隊在電池設計及系統集成技術(shù)方面也進(jìn)行了深入研究。在2015年成功研制出能量密度400 Wh/kg、容量3 kWh、輸出功率300 W的鎂空氣電池發(fā)電系統。近日，又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（見(jiàn)圖2），該電池系統能量密度高達510 Wh/kg、容量20 kWh、輸出功率1000 W。通過(guò)實(shí)際演示顯示該電池系統可同時(shí)為一臺電視機、一臺電腦、一臺電風(fēng)扇以及10個(gè)60W照明燈泡同時(shí)供電（見(jiàn)圖3），初步驗證了該鋁空氣電池系統的發(fā)電供電能力。據悉，研究團隊正在積極設計開(kāi)發(fā)用于通訊基站備用電源和電動(dòng)汽車(chē)增程器的5kW級大功率鋁空氣電池系統。
研究團隊圍繞金屬空氣電池研究已發(fā)表SCI論文10余篇、申請發(fā)明專(zhuān)利20余項，具備了關(guān)鍵材料與部件、單體電池、模塊化電池堆的小試制備能力，準備近期推動(dòng)金屬空氣電池產(chǎn)業(yè)化。
 圖1 石墨烯基陰極與常規陰極的電化學(xué)性能比較
圖2 1000W鋁空氣電池發(fā)電系統
圖3 鋁空氣電池發(fā)電系統演示現場(chǎng)
資料來(lái)源：中國科學(xué)院
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