以镁电池为例，探讨高性能电池的突破方向

文|科普面面观

编辑|科普面面观

随着人类社会对能源需求的不断增长，传统化石燃料已经无法满足人们的需求，因此新型能源技术的研究和应用变得愈发重要。在这个过程中，电池作为一种储能装置，受到了广泛的关注和研究。

近年来，镁离子电池逐渐成为研究的热点。今天我将带大家探讨镁电池在各方面的优势，从而证明为何镁电池是下一代高性能电池的突破方向。

镁离子的二价特性使其可以携带和存储更多的电荷，这意味着它具有更高的体积比容量和理论能量密度。

具体来说，镁离子电池的理论能量密度可达150-200Wh/kg，比传统的铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池等传统电池技术高出许多。而其体积比容量更高达3833 mAh/cm-3，这意味着在相同体积下，镁离子电池可以储存更多的电能。

随着电子设备和新能源汽车的普及，锂离子电池已成为当今最重要的电池技术之一。然而，锂离子电池在使用过程中存在着一些安全问题，其中枝晶生长是最根本的问题之一。

枝晶生长会导致电池内部短路，引发热失控，甚至引发火灾和爆炸等危险。因此，如何有效地控制锂离子电池的枝晶生长，成为了锂离子电池技术研究的热点之一。

锂离子电池的枝晶生长主要是由于在充电过程中，锂离子还原时会形成树枝状的金属锂。这些锂枝晶会在电极表面快速生长，破坏电极和电解液之间的稳定界面，并导致电池内部的不稳定性，增加了电池发生事故的风险。

与锂离子电池不同的是，镁离子电池在充放电过程中负极表面不会出现镁枝晶。这是由于镁离子的沉积性能相对于锂离子更好，因此不会出现类似于锂电中的枝晶生长刺穿隔膜并导致电池短路起火、爆炸等现象。

锂和镁是两种重要的金属元素，它们在能源领域中有着广泛的应用，尤其是在锂离子电池和镁电池中。锂电池和镁电池作为新一代的储能技术，具有高效、环保、长寿命等优点，是新能源汽车和储能领域中不可或缺的能量源。

然而，锂资源自然储量较低，我国本土供应能力有限。随着储能设备和新能源汽车的大规模应用，锂资源低储量和高成本问题逐渐显露。

据统计，地壳中锂储量仅为0.0065%，而且我国锂资源储量仅为全球的7%。大部分锂矿依赖进口，现有锂资源供应体系对外依存度极高，这对我国新能源汽车和储能的发展带来了制约。

相比之下，我国的镁资源非常充沛。我国是世界上镁资源最为丰富的国家之一，镁资源矿石类型全，分布广。

同时我国是世界上最大的原镁生产国，占全球总产量的80%以上。这意味着未来镁电池一旦实现产业化应用，我国在新能源领域所需锂资源对海外依存度将大幅下降，同时电池制造成本将显著降低。

镁二次电池是参照锂离子电池原理提出的新电池，被称为是具有良好发展前景的新型可充电池。在可充镁电池中，镁离子从正极活性物质中脱出，在外电压的驱使下经由电解液向负极迁移，同时镁离子嵌入负极活性物质中，因电荷平衡，所以要求等量的电子在外电路的导线中从正极流向负极。

充电的结果是使负极处于富镁态，正极处于贫镁态的高能量状态，放电时则相反。外电路的电子流动形成电流，实现化学能向电能的转换。

镁二次电池的研究重点是电解液和正极材料。在电解液方面，需要寻找具有高离子导率和高化学稳定性的材料，以保证电池的稳定性和安全性。在正极材料方面，则需要寻找具有高的电化学活性和稳定性的材料。

正极材料是镁离子电池的关键材料之一，直接影响电池的工作电压和充放电比容量。理想的镁离子电池正极材料要满足容量大、电压平台高、可逆性好、循环效率高、安全稳定、资源丰富、易于制备等要求。

目前镁二次电池正极材料的研究主要集中在过渡金属硫化物、过渡金属氧化物、聚阴离子型化合物、硫及硫族化合物、有机物以及复合材料等。其中，嵌入脱出型正极材料是镁离子电池中最常用的一类材料。

这类材料的基本原理是在充放电过程中，镁离子嵌入和脱出正极材料的晶格中，实现电化学反应。过渡金属硫化物、氧化物和硫及硫族化合物等均属于这类材料。相比于锂离子电池中的嵌入脱出型材料，镁离子电池中的材料有更大的离子半径和更强的离子偏振效应，需要更高的反应活性才能满足电池的需求。

另一类常见的正极材料是转换类型材料。这类材料的原理是在充放电过程中，正极材料经历化学变化，从一个化合物转变为另一个化合物。转换型材料的优点在于具有高的理论比容量和高的工作电压，但是其反应机制复杂，导致循环寿命较短。目前，过渡金属氧化物是转换型正极材料中的主要代表。

开发镁离子电池面临着一些挑战，其中之一就是寻找合适的负极材料。负极材料需要具备可逆沉积和溶解的能力，这是镁离子电池正常工作所必需的。目前，研究者们主要关注两种负极材料：金属镁和合金法插入式负极材料。金属镁是一种优秀的负极材料，因为它可以均匀沉积在负极表面。

但是，传统的电解液中的极性有机物或含水电解液会在负极表面形成钝化膜，使得镁离子无法与负极材料有效接触，从而影响电池性能。为了解决这个问题，研究者们开始使用纳米结构的镁或合金法插入式负极材料。

纳米结构的镁负极材料能够有效地降低钝化膜的厚度。例如，直径为2.5nm的镁负极在镁氧电池体系中表现出较好的性能。此外，合金法插入式负极材料也吸引了研究者的关注。这种材料包括铋、锑、锡等合金负极材料。

纳米团簇的Mg3Bi2作为负极，在LiCl-APC电解液中可以获得360 mAhg-1的电化学性能，且在200次循环过程中仍能保持相对稳定的性能。在镁插入脱出过程中，Bi纳米管演化为相互连接的纳米孔，表现出很好的循环稳定性和倍率性能。

镁离子电池是一种具有巨大潜力的电池技术，但目前仍存在着许多挑战。寻找合适的负极材料是其中之一。纳米结构的镁或合金法插入式负极材料有望解决传统电解液钝化膜的问题，并提高电池的性能。随着技术的不断发展和进步，相信镁离子电池有望成为未来电池领域的重要一员。

电解质在可充镁电池中承担着镁离子传输的重要作用。电解质要能够在电极之间传递离子，同时也要能够限制电解质内部的电荷迁移。因此，理想的电解质应该具有较高的离子传输效率，同时也应该有较高的离子选择性，即只能允许特定的离子通过。

目前，可充镁电池的电解质主要分为液态电解质和固态电解质两种类型。液态电解质主要由醚类电解液和高氯酸镁电解液组成。醚类电解液一般是由环氧乙烷、二甲醚和二甘醇甲醚等溶剂与镁盐混合而成的。

高氯酸镁电解液则是由高浓度的Mg(ClO4)2和乙二醇二甲醚等有机溶剂混合而成。液态电解质具有比较高的离子传输效率和良好的电化学性能，但是存在着不良的耐热性、挥发性和不良的安全性等缺点。

相比之下，固态电解质具有更好的稳定性和安全性。固态电解质一般由多孔性材料和镁盐混合而成，能够提供稳定的离子传输通道，同时也能有效抑制电极表面的钝化层的生成。

当前，固态电解质主要由氧化镁、氧化铝和硫化镁等材料制备而成。其中，氧化镁电解质具有高离子传输效率和较高的离子选择性，同时也有良好的机械稳定性和热稳定性，是一种有着广阔应用前景的电解质材料。

虽然镁二次电池的应用还处于初期探索阶段，但其在提升二次电池的能量密度、延长二次电池寿命、减少二次电池的成本和降低环境污染等方面具有巨大潜力。

相较于锂离子电池和铅酸电池，镁电池具有更高的比能量和比容量，更高的工作电压窗口，以及更加丰富的资源，因此在动力电池领域、储能领域和消费电子领域等有望成为一种重要的替代品。

事实上，欧盟早在其“展望2020”科研计划下的镁电池项目（E-MAGIC）投资即已超过650万欧元，以期替代锂离子电池。

目前，镁电池技术路线多样化，除了镁离子电池外，还有镁一次电池、镁燃料电池和镁海水电池等。其中，镁离子电池是目前研究最为广泛的一种电池技术路线。与锂离子电池相比，镁离子电池具有更高的离子传输速率和更好的安全性能，因此在动力电池和储能电池等领域具有广阔的应用前景。

而镁二次电池和镁燃料电池则主要应用于一次性消费品和移动设备等领域，这些电池能够提供较高的能量密度和较长的使用寿命。而镁海水电池则是一种具有巨大潜力的技术路线，其可以从海水中提取镁离子来供能，具有极高的能源储存密度和环境友好性。

镁电池技术的多样化和广泛应用，将为未来能源和环境保护提供更多的选择和机遇。虽然目前这种技术还存在一些挑战和限制，但是我相信随着技术的不断发展和完善，镁电池将成为一种更为优秀和可持续的能源储存和供应技术。

参考文献：

1.镁电池正极材料性能提升策略的研究进展[J]. 曾静;武东政;庄奕超;赵金保.材料工程,2021

2.动力锂电池回收利用现状与展望[J]. 昝文宇;马北越;刘国强.稀有金属与硬质合金,2020

3.镁二次电池正极材料研究进展[J]. 李艳阳;熊跃;张建民;陈卫华.材料导报,2015

4.镁海水电池及镁阳极材料的研究进展[J]. 林亚青;王为;桑林.材料保护,2015

5.海水电池用镁合金阳极材料制备与性能研究[J]. 贾文彬;房娃;黄锐妮;孙凯.电源技术,2016