為了滿足不斷發展的智能電網、移動通訊、電動汽車和應急救災的需要，迫切需要開發能量高、成本低、體積小、壽命長的新型化學電源。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能直接轉化為電能的化學電源。金屬空氣電池具有能量密度高、價格低廉、資源豐富、綠色無污染、放電壽命長與安全環保等優勢，已被國家列入《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》，同時還被國家發改委、能源局列入《能源技術革命創新行動計劃（2016-2030年）》。僅在通訊基站備用電源市場方面，據不完全統計，2016年中國通訊基站的數目是近600萬個。傳統通訊基站一般采用大容量鉛酸蓄電池配合柴油發電機作為備用電源系統，目前在用鉛酸蓄電池高達1000多萬組，體積和質量均較大，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（系統可達400 Wh/kg以上）、儲存時間久（約15年）、備用時間長（30~50 h）及適配溫度范圍寬（–20℃~60℃）等優點，是替代通訊基站鉛酸備用電源的優異備選。此外，金屬空氣電池能量密度高達800 Wh/kg，是當前商業化鋰離子動力電池的4倍以上，在電動汽車增程器應用方面也同樣具有誘人的市場前景。
 

        然而，金屬空氣電池產業發展仍然面臨諸多技術瓶頸，影響了其應用推廣。究其原因有四方面：一是當前研發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，難于滿足高功率輸出；三是金屬陽極自腐蝕情況嚴重，導致陽極利用率不高；四是電池系統熱失控問題，導致電池系統無法長時間工作。自2013年，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、金屬陽極合金化、單電池制備工藝等多方面取得了一系列進展，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%（見圖1），大幅度提升金屬空氣電池綜合性能。
 

圖1 石墨烯基陰極與常規陰極的電化學性能比較
 

        秉承“料要成材，材要成器，器要好用”的研究理念，研究團隊在電池設計及系統集成技術方面也進行了深入研究。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電系統（見圖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。通過實際演示顯示該電池系統可同時為一臺電視機、一臺電腦、一臺電風扇以及10個60W照明燈泡同時供電（見圖3），初步驗證了該鋁空氣電池系統的發電供電能力。據悉，研究團隊正在積極設計開發用于通訊基站備用電源和電動汽車增程器的5kW級大功率鋁空氣電池系統。
 

圖2 1000W鋁空氣電池發電系統



圖3 鋁空氣電池發電系統演示現場
 

        研究團隊圍繞金屬空氣電池研究已發表SCI論文10余篇、申請發明專利20余項，具備了關鍵材料與部件、單體電池、模塊化電池堆的小試制備能力，準備近期推動金屬空氣電池產業化。研究工作得到了寧波市科技創新團隊和寧波市自然科學基金的資助。