储能|兼具高效、安全、资源丰富等特点镁电池正从实验室走向应用

◎本报采访人员雍黎
目前，在镁金属的研究和加工方面我国已经处于领先水平，重庆大学国家镁合金工程技术研究中心建有世界上最大的镁电池研究团队和镁固态储氢团队，已开发多种镁离子电池和储氢密度高达6.1wt%、高安全性的新型储氢材料。
随着新能源汽车、手机、计算机等技术的发展，电池已经成为我们生活中的必需品。但锂电池作为目前主要动力电源的电池，存在资源短缺、成本高、环境污染严重、安全性差等问题。作为锂电池的重要原料，碳酸锂的价格目前还未看到天花板。据报道， 11月7日，无锡电子盘国内电池级碳酸锂现货平均价格为61.5万元/吨，最高价为61.7万元/吨。为此业界一直在寻找其他技术路线。
“后锂电池”时代，哪种电池能够替代锂电池？近日，重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心联合广东国研、广东省科学院等单位合作完成的“镁离子电池”项目荣获2022年国际 “镁未来技术奖” 。这为镁离子电池替代锂电池增加了新的可能，也激发了业界新的期待。
镁电池或将成为锂电池替代者
据了解，全球锂资源约为3950万吨，而具备商业开采价值的锂储备量则仅为1351.9万吨。若锂电池需求量呈爆炸性增长，预计不到17年全球锂资源就会用尽，这也是造成锂电池成本高的原因之一。其储能度电成本大致为0.6—0.9元/千瓦时，这距离规模应用的目标成本0.3—0.4元/千瓦时也还有较大差距。同时，能量密度越高安全性越差是目前锂电池很难解决的问题。此外，一些锂电池体系生产与使用过程中环境污染较严重。
发展新一代高效环保安全电池已成为全球电池产业发展的重点。氢燃料电池、硫系全固态电池、钠离子电池、镁离子电池……科学家们不断探索着锂电池的替代品。
“镁电池具有高效、安全、资源丰富等特点，一旦技术突破，将成为电池工业的颠覆性革命，市场可达万亿元以上。 ”中国工程院院士、国家镁合金材料工程技术研究中心主任、重庆大学教授潘复生在接受科技日报采访人员专访时表示，相比于锂，镁基储能材料具有资源储量丰富、成本低和安全性能高的优势，是极具潜力的新一代储能材料，也是环保且高能量密度的电池材料。
潘复生进一步解释，镁材料具有较为稳定的化学性质，其熔点高达651摄氏度，镁电池相对安全，熔沸点较高并且不容易出现镁枝晶，不易发生爆炸等危险。
镁是所有固态储氢材料中，储氢密度最高的金属材料，可达气态氢密度的1000倍，液态氢的1.5倍。同时由于镁储氢是常温常压，所以安全性远高于高压气态和液态储氢。镁电池体积理论能量密度和锂电池相当。我国镁资源丰富，占到全球的70% ，且镁成本只有锂的1/25—1/50 。在环保方面上， 2015年之后，镁在冶炼、制造、应用及回收过程中，污染排放都小于铝合金，已经成为真正的先进绿色材料。
据了解，镁电池已被欧盟确定为研究项目；美国能源部也开始安排项目，支持一批著名研究单位介入研究；日本电池行业认为，镁电池可能成为锂电池的颠覆者。
从电池三大组件入手攻坚克难
镁电池要从实验室走进实际应用，还有许多技术以及材料方面的难题需要攻克。
“电池主要由三部分组成：正极、负极和电解液，我们的研究主要也是从这三个方面入手。 ”重庆大学材料科学与工程学院教授黄光胜介绍，在正极材料方面，他们研发了高容量的复合硫材料，比容量高达到1200毫安时/克（mAh/g）；高倍率的多孔硫化铜纳米球，比容量能够达到250mAh/g；长寿命高电压锰基普鲁士蓝材料，能够实现3伏（V）电压，循环寿命达1万次。在负极材料方面，他们研究了十几种镁合金负极，具有不易钝化、比容量大于500mAh/g等优势；人工界面层保护金属镁负极，过电势仅50毫伏（mV）。在电解液方面， 2020年他们研发了一种全新的低成本全无机盐型电解液MLCH ，这种电解液具有高电导率和稳定性；同时，团队还研发了具有高电压、低成本特点的非亲核硼基电解液，成功实现了正极、电解液等关键材料的批量试制，开发出安时级镁软包电池。

储能|兼具高效、安全、资源丰富等特点 镁电池正从实验室走向应用

储能|兼具高效、安全、资源丰富等特点镁电池正从实验室走向应用