中铝集团突破铝燃料电池产业化技术瓶颈

宁波烯铝新能源有限公司(简称“烯铝公司”)作为中铝集团旗下从事金属空气电池产品研发生产的企业,在本届中国国际铝工业展上首次隆重发布了三款产品:铝燃料应急通信电源、便携式铝燃料应急电源、水电热一体铝燃料应急保障设备.三款产品响应国家能源的战略需要,贴合军用和民用的应急、备用领域的迫切需求,电池性能显著领先,在金属空气电池产业内引起巨大反响.

随着人类社会进步与发展,为避免传统化石能源的过度消耗和二氧化碳温室气体排放等问题,对能源产业的升级以及清洁能源的使用日益受到大家关注.尤其是近年来,随着新能源汽车、智能微电网及5G移动通讯等技术的快速发展,人类社会发展对电力能源的依赖程度越来越强,人类社会活动对电源需求以及经济性要求越来越高.然而,现有的燃油发电机组及各类化学电源(如铅酸电池、锂离子电池、氢燃料电池等)难以完全满足人们对电源的安全性、经济性和长续航等多样化需求.尤其在应急电源环境污染、重大灾害水电热应急保障、动力电池续航时间短、战时供电安全与战略替代能源等军用和民用的痛点难题上,传统能源体系难以提供合适的电源解决方案.

金属空气电池,又称为金属空气燃料电池或金属燃料电池,是一种将镁、铝等轻金属为燃料的化学能直接转化为电能的发电/储能装置.它具有比能量密度高、成本低、安全性高、低热辐射、低噪音、储存时间久、放电寿命长、适配温度范围宽、资源丰富及绿色无污染等优势;尤其是比能量密度远高于其它传统电池,其中铝的理论能量密度可达8140瓦时/公斤,是当前商业化锂离子电池的数十倍,因此,被称为“面向21世纪的绿色能源”.

鉴于金属空气电池具有的上述优点,其作为应急、备用电源非常适合用于解决军用和民用的某些场景的痛点难题.金属空气电池已明确被国家列入《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》,还被列入《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》中,可望实现在电动汽车、智能微电网、通讯基站与应急救灾等领域的规模应用.

为此,中铝集团积极响应国家能源技术革命的号召,主动开展战略新能源新材料的技术研究开发和项目投资合作,通过产学研结合的创新活动提供贴合产业需求的能源解决方案,引领能源技术革命新趋势,推动中国金属空气电池事业向前发展,为解决军用和民用的应急备用电源的痛点难题贡献力量.

烯铝公司是中铝集团下属企业,由中铝创新开发投资有限公司(简称“中铝开投”)于2019年3月出资成立.烯铝公司与中铝中央研究院东南分院、中科院宁波材料所、浙江省石墨烯制造业创新中心紧密合作,拥有石墨烯空气电极技术、铝阳极技术、电源及系统集成控制技术,开展高性能石墨烯基铝燃料电池技术的产业化和商业化工作,旨在实现铝燃料电源系统在通信基站、应急救灾和军事应急保障能源等领域的示范运行和规模应用.

烯铝公司创业技术团队在研发过程中,突破了铝燃料电池的诸多技术瓶颈,如氧催化剂活性不高、空气阴极极化电阻较大、铝阳极自腐蚀严重、热失控及难以二次启动等.在铝合金电极制备方面提出多元合金化结合微观组 织结构调控的全新设计思路,降低了自腐蚀速率,同时提高了铝电极的电化学腐蚀电位的电负性,大幅度提升了铝阳极的燃料利用率;在空气阴极制备方面充分利用石墨烯材料的导电、导热及协同催化等优点,大幅度降低了电池的欧姆极化电阻及反应过电位,显著提升了电池的功率输出性能;在电池堆模块结构设计方面,巧妙地采用散热件与集流件一体化技术,攻克了铝燃料电池实用化过程中的热逃逸难题;在电源系统集成方面,大胆创新的提出流场、温度场及控制信息流的实时多向联动的电源管理系统的架构设计,突破了免清洗和无水冷系统的集成技术瓶颈,集成方案国内领先,为国内外首创.

目前,烯铝公司批量生产的核心部件性能比同类产品性能高出两倍以上,如输出功率密度、电解液消耗量及单位铝合金发电量等;并已成功开发铝燃料应急电源、便携式铝燃料应急电源及水电热一体铝燃料应急保障设备三大系列产品.

-铝燃料应急电源系列标准产品为3kW功率输出的电源系统,并可根据客户需求实现模块化扩展至4.5kW、6kW、10kW、12kW及以上等系列产品.主要针对传统通信基站铅酸电池重量体积大、备电时间短和使用寿命短,燃机发电机组噪音扰民、5G基站扩容难等痛点研制.在相同情况下,备电时间将延迟2倍以上,可应用于全国198万余通信基站及其它通信系统的备用电源.

-便携式铝燃料应急电源系列产品,主要针对野营、野战分队、救援分队等野外供电难、隐蔽难等问题而研制,具有体积小、重量轻、便于携带、噪音/红外特征低等优点.可解决“电从哪来”的问题,只要有水便能供电,一般满载连续供电10小时以上,且可快速更换铝燃料实现超出时间连续供电.

-水电热一体铝燃料应急保障设备系列产品,主要解决驻训、野外勘探、应急救援、战时应急保障等无市电情况下的水电热保障难题.产品使用普通水源(包括河水、雨水等)便能实现供电、供水和供热功能,通过一体化便携设备、方舱等解决野外、灾区安置点或城市避难所等不同场景的供电、供水、供热需求.