铝也能做燃料电池?对,已经面世

2019-10-08      351 次浏览

用“铝+水+空气”发电,这项“黑科技”在宁波走向了市场。近日,从中科院宁波材料所获悉,该所研发团队应用石墨烯对空气阴极催化剂材料进行改性复合,大幅度提升了电池电化学性能。目前,这一电池已实现了批量生产,即将被应用于我市部分通信基站的备用电源中。


铝燃料电池,又称铝空气电池,是以铝摄取空气中的氧而氧化,与水化合转变为氢氧化铝的反应作为燃料电池电极反应,以电化学形式释放能量的供能电池。


电极反应:


负极:(Al):4Al-12e-=4Al3+


正极:(Pt或Fe等):3O2+6H2O+12e-=12OH-


总反应式:4Al+3O2+6H2O=4Al(OH)3↓


铝燃料电池以铝为负极(阳极)、氧为正极(阴极),以氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)水溶液为电解质。


早期铝燃料电池负极材料多用纯铝,但由于纯铝钝化效应强,极化严重,会造成负极极化增大、电位正移和电压滞后。因此现在的铝燃料电池多以铝合金作为负极。


铝燃料电池是一种发电设备,运行过程中(如下图所示)通过消耗铝合金阳极、电解质(液)水和空气中的氧对外输出电能,运行过程中有Al(OH)3产生,是一种很有商业价值的副产物。


其是在催化剂作用下发生化学反应而产生电能的一种化学电源,总反应是铝电解的逆过程。


“铝燃料电池相当于一个大功率、可自发电的‘充电宝’,通过简单的加水或者加铝操作便能发电。”团队相关负责人薛业建说,这一电池系统具有能量密度高、安全、可循环、环保无污染等优点。测评显示,安装了车载“充电宝”的新能源汽车,能大幅度提升行驶里程;通信基站使用铝燃料电池后,遇到地震、台风等恶劣天气时可及时供电。由于其额定功率与我国大多数基站功率需求一致,无需改变原有设备就能直接替换,因此,铝燃料电池在智能电网、基站备用电源、岛礁供电等领域具有广泛的应用前景。“由于功率受限,目前的铝燃料电池仍无法替代目前的新能源汽车动力电池,特别是加速、爬坡性能跟不上。”薛业建说,团队将进一步提升电池性能,力争研发出15千瓦额定功率以上的电源系统。


铝燃料电池的发展史


世界上铝燃料电池的较大规模研发始于上世纪60年代的美国。上世纪70年代,他们集中于航海航标灯、矿井照灯等电源用电池的研究;


上世纪80年代,加拿大铝电源公司(AluminumPower)采用铝合金阳极和有效的空气(氧)电极制成的电池体系在便携式电源、备用电源推向市场,为铝燃料电池的商化应用作出了很大贡献;


2014年6月国外媒体报道了美国铝业公司与以色列菲涅金公司(Phinergy)联合研发的动力铝燃料装置在汽车上进行路况试跑,续航里程达1600km的世界纪录,在燃料电池发展史上具有里程碑意义,为动力铝燃料电池的发展作出了巨大贡献,使菲涅金公司成为世界铝燃料电池的领跑者。


这种铝燃料电池系统阳极由50块铝板组成,每块质量500g,总质量25kg,每一块铝板提供的电力可使电动汽车行驶32km。


2014年2月,美国铝业公司与菲涅金公司就铝燃料电池的进一步开发签订了合作协议,并于6月初在加拿大蒙特利尔一级方程式赛道上对铝燃料电池电动汽车进行了试驾。2017年,其实现了电动汽车专用铝燃料电池批量生产,并推向世界市场。


中国对铝燃料电池研发始于上世纪90年代,现已成为世界较大的铝燃料电池研发与生产国,但研发技术与美国、以色列相比,还有一些差距。


中国从事相关技术研究的单位主要有中国科学院过程工程研究所、大连物理化学研究所、船舶重工712所、北京大学、哈尔滨工业大学、武汉大学、天津大学、北京有色金属研究总院、四川德阳东深新能源科技有限公司、台州非常新能源科技有限公司、云南冶金集团创新金属燃料电池股份有限公司等。


铝燃料电池在前几年的发展较为迅速,已经应用于纯电动汽车供能等方面。


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