Ningbo: Graphen wurde zur Entwicklung von Aluminium-Luftbatterien in Kilowattqualität verwendet

Um den Anforderungen der Entwicklung intelligenter Netze, Mobilkommunikation, Elektrofahrzeuge und Katastrophenhilfe gerecht zu werden, ist es dringend erforderlich, neue chemische Energiequellen mit hoher Energie, geringen Kosten, geringer Größe und langer Lebensdauer zu entwickeln. Metallluftzellen (auch als Metallbrennstoffzellen bekannt) sind chemische Energiequellen, die die chemische Energie von Metallmaterialien direkt in elektrische Energie umwandeln. Metallluftbatterien bieten die Vorteile einer hohen Energiedichte, eines niedrigen Preises, reichhaltiger Ressourcen, umweltfreundlicher Verschmutzung, einer langen Entladungslebensdauer sowie Sicherheits- und Umweltschutz. Sie wurden vom Staat im Nationalen Strategischen Entwicklungsplan für aufstrebende Industrien des "13. Fünfjahresplans" aufgeführt. Gleichzeitig wurde es von der Nationalen Entwicklungs- und Reformkommission und dem Energiebüro in den "Aktionsplan für die Innovation der Energietechnologie-Revolution (2016-2030)" aufgenommen. Nur auf dem Markt für Backup-Stromversorgungsstationen für Kommunikationsbasisstationen beträgt die Anzahl der Kommunikationsbasisstationen in China im Jahr 2016 nach unvollständigen Statistiken fast 6 Millionen. Herkömmliche Kommunikationsbasisstationen verwenden im Allgemeinen Blei-Säure-Batterien mit großer Kapazität und Dieselgeneratoren als Notstromsysteme. Gegenwärtig werden Blei-Säure-Batterien als mehr als 10 Millionen Einheiten verwendet, und ihr Volumen und ihre Qualität sind relativ groß. Sie werden alle 3 bis 4 Jahre ausgetauscht und haben eine kurze Lebensdauer. Metallluftbatterien haben jedoch die Vorteile einer höheren Energiedichte (Systeme bis 400 Wh / kg oder mehr), einer langen Lagerzeit (ca. 15 Jahre), einer langen Reservezeit (30 ~ 50 H) und eines breiten Bereichs geeigneter Temperaturen ( - 20 ° C ~ 60 ° C). Es ist eine hervorragende Alternative zur Blei-Säure-Notstromversorgung für Kommunikationsbasisstationen. Darüber hinaus beträgt die Energiedichte von Metallluftbatterien bis zu 800 Wh / kg, was mehr als dem Vierfachen der von kommerziellen lithium-ionen-batterien entspricht. Es hat auch attraktive Marktaussichten für die Anwendung von Elektrofahrzeugerweiterungen.

Die Entwicklung der Metallluftbatterieindustrie ist jedoch immer noch mit vielen technischen Engpässen konfrontiert, die sich auf ihre Anwendung und Förderung auswirken. Dafür gibt es vier Gründe: Erstens ist die katalytische Aktivität des Sauerstoffreduktionskatalysators nicht hoch genug und die Elektrodenleistungsdichte muss verbessert werden. Das zweite ist, dass der Luftkathodenpolarisationswiderstand herkömmlicher Strukturen groß ist und es schwierig ist, die hohe Ausgangsleistung zu erreichen. Drittens ist die Selbstkorrosion der Metallanode schwerwiegend, was zu einer geringen Anodennutzungsrate führt. Das vierte ist das Problem des thermischen Durchgehens des Batteriesystems, was dazu führt, dass das Batteriesystem für eine lange Zeit nicht funktionieren kann. Seit 2013 beschäftigt das Labor für Lithiumbatterietechnik des Ningbo-Instituts für Werkstofftechnologie und -technik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften die Forschung an Metallluftzellen. Das Forschungsteam hat eine Reihe von Fortschritten bei Graphen-Verbundkatalysatoren, Luftkathoden mit neuer Struktur, Metallanodenlegierungen und Verfahren zur Herstellung einzelner Batterien erzielt. Der Manganoxid-Verbundkatalysator aus Graphen und die neue hocheffiziente Graphen-Luftkathode wurden verwendet, um die Leistungsdichte der einzelnen Batterie um 25% zu erhöhen (siehe Abbildung 1), was die umfassende Leistung der Metallluftbatterie erheblich verbesserte.

Das Forschungsteam hielt sich an das Forschungskonzept "Material, das fertiggestellt werden soll, Material, das fertiggestellt werden soll, Gerät, das verwendet werden soll" und führte eingehende Untersuchungen zum Batteriedesign und zur Systemintegrationstechnologie durch. Im Jahr 2015 wurde erfolgreich ein Stromerzeugungssystem für Magnesium-Luftbatterien mit einer Energiedichte von 400 W / kg, einer Leistung von 3 kWh und einer Ausgangsleistung von 300 W entwickelt. Kürzlich wurde ein auf Luftgraphen-Luftkathoden basierendes Aluminium-Luftbatterie-Stromerzeugungssystem in Kilowattqualität erfolgreich entwickelt (siehe Abbildung 2). Das Batteriesystem hat eine Energiedichte von 510 Wh / kg, eine Kapazität von 20 kWh und eine Ausgangsleistung von 1.000 W. Eine physikalische Demonstration zeigte, dass das Batteriesystem gleichzeitig ein Fernsehgerät, einen Computer, einen elektrischen Lüfter und 10 betreiben kann 60-W-Glühbirnen (siehe Abbildung 3) bestätigen zunächst die Stromerzeugungskapazität des Aluminium-Luftbatteriesystems. Es wird berichtet, dass das Forschungsteam aktiv ein Hochleistungs-Aluminium-Luftbatteriesystem der 5-kW-Klasse für die Notstromversorgung der Kommunikationsbasisstation und für Extender für Elektrofahrzeuge entwirft und entwickelt.

Das Forschungsteam hat mehr als 10 SCI-Artikel und mehr als 20 Erfindungspatente zur Untersuchung von Metallluftbatterien veröffentlicht. Es hat die Fähigkeit, kleine Tests von Schlüsselmaterialien und -komponenten, monolithischen Batterien und modularen Batteriestapeln vorzubereiten, und ist bereit, die Industrialisierung von Metallluftbatterien in naher Zukunft voranzutreiben. Die Forschungsarbeit wurde vom Ningbo Science and Technology Innovation Team und der Ningbo Natural Science Foundation finanziert.

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