金屬燃料電池，又稱為金屬空氣電池或金屬空氣燃料電池，是一種將鎂、鋁等輕金屬為燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。它具有能量密度高、低熱輻射、低噪音、儲存時間久、放電壽命長、適配溫度范圍寬、安全系數(shù)高、資源豐富及綠色無污染等優(yōu)勢，在智能電網(wǎng)、基站備用電源、島礁供電、特種設(shè)施備用電源及電動汽車增程器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

一直以來，鋁燃料電池面臨諸多技術(shù)瓶頸，如錳氧化物催化劑活性不高、空氣陰極極化電阻較大、陽極鋁析氫自腐蝕嚴(yán)重、熱控制難及難以二次啟動等，使得鋁燃料電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進(jìn)展緩慢。

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所動力鋰電池工程實驗室的研究團隊始終秉持把科技變成生產(chǎn)力的理念，歷時近五年時間，在電池設(shè)計及系統(tǒng)集成技術(shù)方面進(jìn)行了深入研究。2015年成功研制出能量密度400Wh/kg、容量3kWh、輸出功率300W的鎂燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。2017年開發(fā)出高性能石墨烯基鋁燃料電池核心部件（如圖1），并成功研制出能量密度510Wh/kg、容量20kWh、輸出功率1000W的基于石墨烯空氣陰極的鋁燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。

圖1石墨烯基鋁燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖和核心部件

近期，該研究團隊聯(lián)合浙江省石墨烯制造業(yè)創(chuàng)新中心研發(fā)團隊大力推進(jìn)鋁燃料電池的工藝開發(fā)和工程樣機研制，成功研制出能量密度高達(dá)545Wh/kg、容量達(dá)130kWh的石墨烯基鋁燃料電池發(fā)電系統(tǒng)（見圖2）。

圖21000W及3000W石墨烯基鋁燃料電池發(fā)電系統(tǒng)

該系統(tǒng)由6個10單元電池串聯(lián)電池堆的陣列組成。測試結(jié)果表明，50A電流放電功率可達(dá)到3000W，峰值功率預(yù)計可高達(dá)4800W（見圖3）。

圖33000W石墨烯基鋁燃料電池發(fā)電系統(tǒng)性能曲線

該電池系統(tǒng)有望應(yīng)用于電動汽車等的動力電源或備用電源。為了展示該電池系統(tǒng)的使用效果，他們開展了對獨棟建筑照明供電和石墨烯遠(yuǎn)紅外能量房供電的演示（見圖4）。

圖43000W石墨烯基鋁燃料電池發(fā)電系統(tǒng)獨立供電現(xiàn)場演示

目前，該項目已經(jīng)具備鋁燃料電池關(guān)鍵材料與部件、單體電池、1kW模塊化電池堆的小批量制備能力。研發(fā)團隊正在積極尋找合適的合作伙伴，旨在加快推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化。