Ningbo: el grafeno se utilizó para desarrollar baterías de aire de aluminio de grado kilovatio

Para satisfacer las necesidades de desarrollo de redes inteligentes, comunicaciones móviles, vehículos eléctricos y socorro de emergencia, es urgente desarrollar nuevas fuentes de energía química con alta energía, bajo costo, tamaño pequeño y larga vida. Las celdas de aire de metal (también conocidas como celdas de combustible de metal) son fuentes de energía química que convierten directamente la energía química de los materiales metálicos en energía eléctrica. Las baterías de aire de metal tienen las ventajas de alta densidad de energía, bajo precio, ricos recursos, contaminación verde, larga vida útil de descarga y seguridad y protección del medio ambiente. Han sido incluidos por el estado en el Plan Nacional Estratégico de Desarrollo de la Industria Emergente "13º Plan Quinquenal". Al mismo tiempo, también fue incluido en el "Plan de Acción para la Innovación de la Revolución de la Tecnología Energética (2016-2030)" por la Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma y el Negociado de Energía. Solo en el mercado de energía de respaldo de estaciones base de comunicaciones, según estadísticas incompletas, el número de estaciones base de comunicaciones en China en 2016 es de casi 6 millones. Las estaciones base de comunicación tradicionales generalmente usan baterías de plomo-ácido de gran capacidad y generadores diesel como sistemas de energía de respaldo. En la actualidad, las baterías de plomo-ácido se utilizan en más de 10 millones de unidades, y su volumen y calidad son relativamente grandes. Se reemplazan una vez cada 3 o 4 años y tienen una vida útil corta. Sin embargo, las baterías de aire de metal tienen las ventajas de una mayor densidad de energía (sistemas de hasta 400 Wh / kg o más), un tiempo de almacenamiento prolongado (aproximadamente 15 años), un tiempo de reserva prolongado (30 ~ 50 H) y una amplia gama de temperaturas adecuadas ( - 20 ° C ~ 60 ° C). Es una excelente alternativa a la fuente de alimentación de respaldo de plomo-ácido para estaciones base de comunicación. Además, la densidad de energía de las baterías de aire de metal es tan alta como 800 Wh / kg, que es más de cuatro veces la de las baterías comerciales de iones de litio. También tiene atractivas perspectivas de mercado para la aplicación de extensiones de vehículos eléctricos.

Sin embargo, el desarrollo de la industria de las baterías de aire de metal aún enfrenta muchos obstáculos técnicos, lo que afecta su aplicación y promoción. Hay cuatro razones para esto: en primer lugar, la actividad catalítica del catalizador de reducción de oxígeno no es lo suficientemente alta y es necesario mejorar la densidad de potencia del electrodo; La segunda es que la resistencia a la polarización del cátodo de aire de las estructuras convencionales es grande y es difícil cumplir con la salida de alta potencia. En tercer lugar, la autocorrosión del ánodo metálico es grave, lo que da como resultado una baja tasa de utilización del ánodo; El cuarto es el problema de la fuga térmica del sistema de batería, lo que hace que el sistema de batería no funcione durante mucho tiempo. Desde 2013, el Laboratorio de Ingeniería de Baterías de Litio del Instituto de Tecnología e Ingeniería de Materiales de Ningbo de la Academia de Ciencias de China ha implementado la investigación de celdas de aire de metal. El equipo de investigación ha realizado una serie de avances en catalizadores compuestos de grafeno, cátodo de aire de nueva estructura, aleación de ánodos metálicos y procesos de preparación de una sola batería. El catalizador de óxido de manganeso compuesto de grafeno y el nuevo cátodo de aire de grafeno de alta eficiencia se utilizaron para aumentar la densidad de potencia de la batería individual en un 25% (ver Figura 1), lo que mejoró en gran medida el rendimiento integral de la batería de aire de metal.

Siguiendo el concepto de investigación de "material a terminar, material a terminar, dispositivo que se utilizará", el equipo de investigación también llevó a cabo una investigación en profundidad sobre el diseño de baterías y la tecnología de integración de sistemas. En 2015, se desarrolló con éxito un sistema de generación de energía con batería de aire y magnesio con una densidad de energía de 400 W / kg, una capacidad de 3 kWh y una potencia de salida de 300 W. Recientemente, se desarrolló con éxito un sistema de generación de energía de batería de aire de aluminio de grado kilovatio basado en cátodo de aire de grafeno (ver Figura 2). El sistema de batería tiene una densidad de energía de 510 Wh / kg, una capacidad de 20 kWh y una potencia de salida de 1000 W. Una demostración física mostró que el sistema de batería puede alimentar simultáneamente un televisor, una computadora, un ventilador eléctrico y 10 Bombillas de iluminación de 60W (ver Figura 3), que inicialmente confirman la capacidad de generación de energía del sistema de batería de aire de aluminio. Se informa que el equipo de investigación está diseñando y desarrollando activamente un sistema de batería de aire de aluminio de alta potencia de clase 5kW para la fuente de alimentación de respaldo de la estación base de comunicaciones y los extensores de vehículos eléctricos.

El equipo de investigación ha publicado más de 10 artículos SCI y más de 20 patentes de invención en torno al estudio de las baterías de aire de metal. Tiene la capacidad de preparar pequeñas pruebas de materiales y componentes clave, baterías monolíticas y pilas de baterías modulares, y está lista para promover la industrialización de las baterías de aire de metal en un futuro próximo. El trabajo de investigación fue financiado por el Equipo de Innovación de Ciencia y Tecnología de Ningbo y la Fundación de Ciencias Naturales de Ningbo.

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