鎂電池正從實驗室走向應(yīng)用

文／雍黎

隨著新能源汽車、手機(jī)、計算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，電池已經(jīng)成為我們生活中的必需品。但鋰電池作為目前主要動力電源的電池，存在資源短缺、成本高、環(huán)境污染嚴(yán)重、安全性差等問題。作為鋰電池的重要原料，碳酸鋰的價格目前還未看到天花板。據(jù)報道，11月7日，無錫電子盤國內(nèi)電池級碳酸鋰現(xiàn)貨平均價格為61.5萬元/噸，最高價為61.7萬元/噸。為此業(yè)界一直在尋找其他技術(shù)路線。

“后鋰電池”時代，哪種電池能夠替代鋰電池？近日，重慶大學(xué)國家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心聯(lián)合廣東國研、廣東省科學(xué)院等單位合作完成的“鎂離子電池”項目榮獲2022年國際“鎂未來技術(shù)獎”。這為鎂離子電池替代鋰電池增加了新的可能，也激發(fā)了業(yè)界新的期待。

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據(jù)了解，全球鋰資源約為3950萬噸，而具備商業(yè)開采價值的鋰儲備量則僅為1351.9萬噸。若鋰電池需求量呈爆炸性增長，預(yù)計不到17年全球鋰資源就會用盡，這也是造成鋰電池成本高的原因之一。其儲能度電成本大致為0.6—0.9元/千瓦時，這距離規(guī)模應(yīng)用的目標(biāo)成本0.3—0.4元/千瓦時也還有較大差距。同時，能量密度越高安全性越差是目前鋰電池很難解決的問題。此外，一些鋰電池體系生產(chǎn)與使用過程中環(huán)境污染較嚴(yán)重。

發(fā)展新一代高效環(huán)保安全電池已成為全球電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點。氫燃料電池、硫系全固態(tài)電池、鈉離子電池、鎂離子電池……科學(xué)家們不斷探索著鋰電池的替代品。

“鎂電池具有高效、安全、資源豐富等特點，一旦技術(shù)突破，將成為電池工業(yè)的顛覆性革命，市場可達(dá)萬億元以上?！敝袊こ淘涸菏?、國家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心主任、重慶大學(xué)教授潘復(fù)生在接受科技日報記者專訪時表示，相比于鋰，鎂基儲能材料具有資源儲量豐富、成本低和安全性能高的優(yōu)勢，是極具潛力的新一代儲能材料，也是環(huán)保且高能量密度的電池材料。

潘復(fù)生進(jìn)一步解釋，鎂材料具有較為穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，其熔點高達(dá)651攝氏度，鎂電池相對安全，熔沸點較高并且不容易出現(xiàn)鎂枝晶，不易發(fā)生爆炸等危險。

鎂是所有固態(tài)儲氫材料中，儲氫密度最高的金屬材料，可達(dá)氣態(tài)氫密度的1000倍，液態(tài)氫的1.5倍。同時由于鎂儲氫是常溫常壓，所以安全性遠(yuǎn)高于高壓氣態(tài)和液態(tài)儲氫。鎂電池體積理論能量密度和鋰電池相當(dāng)。我國鎂資源豐富，占到全球的70%，且鎂成本只有鋰的1/25—1/50。在環(huán)保方面上，2015年之后，鎂在冶煉、制造、應(yīng)用及回收過程中，污染排放都小于鋁合金，已經(jīng)成為真正的先進(jìn)綠色材料。

據(jù)了解，鎂電池已被歐盟確定為研究項目；美國能源部也開始安排項目，支持一批著名研究單位介入研究；日本電池行業(yè)認(rèn)為，鎂電池可能成為鋰電池的顛覆者。

從電池三大組件入手攻堅克難

鎂電池要從實驗室走進(jìn)實際應(yīng)用，還有許多技術(shù)以及材料方面的難題需要攻克。

目前，在鎂金屬的研究和加工方面我國已經(jīng)處于領(lǐng)先水平，重慶大學(xué)國家鎂合金工程技術(shù)研究中心建有世界上最大的鎂電池研究團(tuán)隊和鎂固態(tài)儲氫團(tuán)隊，已開發(fā)多種鎂離子電池和儲氫密度高達(dá)6.1wt%、高安全性的新型儲氫材料。

“電池主要由三部分組成：正極、負(fù)極和電解液，我們的研究主要也是從這三個方面入手。”重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授黃光勝介紹，在正極材料方面，他們研發(fā)了高容量的復(fù)合硫材料，比容量高達(dá)到1200毫安時/克（mAh/g）；高倍率的多孔硫化銅納米球，比容量能夠達(dá)到250mAh/g；長壽命高電壓錳基普魯士藍(lán)材料，能夠?qū)崿F(xiàn)3伏（V）電壓，循環(huán)壽命達(dá)1萬次。在負(fù)極材料方面，他們研究了十幾種鎂合金負(fù)極，具有不易鈍化、比容量大于500mAh/g等優(yōu)勢；人工界面層保護(hù)金屬鎂負(fù)極，過電勢僅50毫伏（mV）。在電解液方面，2020年他們研發(fā)了一種全新的低成本全無機(jī)鹽型電解液MLCH，這種電解液具有高電導(dǎo)率和穩(wěn)定性；同時，團(tuán)隊還研發(fā)了具有高電壓、低成本特點的非親核硼基電解液，成功實現(xiàn)了正極、電解液等關(guān)鍵材料的批量試制，開發(fā)出安時級鎂軟包電池。

電池三大關(guān)鍵組成部分的技術(shù)重要進(jìn)展，為鎂電池走出實驗室、走向應(yīng)用打好了基礎(chǔ)。

在重慶大學(xué)鎂中心實驗室，記者看到數(shù)顆鎂電池正在進(jìn)行充放電試驗。黃光勝介紹，試驗結(jié)果表明，他們研發(fā)的鎂—普魯士藍(lán)電池、鎂硫電池、鎂硫化銅電池、鎂二氧化釩電池的能量密度均已經(jīng)高于磷酸鐵鋰電池，特別是鎂硫電池，能量密度達(dá)到了785瓦時/千克（Wh/kg），而石墨—磷酸鐵鋰電池僅為160Wh/kg。

“目前，我們已經(jīng)擁有鎂空氣電池、海水激活電池，鎂干電池等一系列電池的制造技術(shù)?！秉S光勝介紹，鎂空氣電池屬于一次鎂燃料電池的一種，陰極使用的是空氣，通過陰陽極氧化還原反應(yīng)放電，是一種清潔、安全、高效的新型能源電池，其能量密度是鉛酸電池的20倍以上，可為電視、照明燈、便攜電腦、手機(jī)及GPS等設(shè)備供電。目前，他們已經(jīng)與企業(yè)合作開始批量生產(chǎn)。

鎂海水激活電池是直接利用海水，將金屬鎂的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，它以鎂為負(fù)極材料并以海水為電解質(zhì)，其最突出的特點就是不需要另外攜帶電解質(zhì)，并且具有能量密度高、安全性好、可進(jìn)行全海深工作的優(yōu)點，在深海著陸器、深海原位實驗站等海洋裝備領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

打造新型儲能科技創(chuàng)新平臺

“在鎂儲氫、鎂電池研發(fā)上，我國具有顯著的技術(shù)基礎(chǔ)和優(yōu)勢?！迸藦?fù)生指出，在鎂金屬的研究和加工方面我國已經(jīng)處于領(lǐng)先水平，重慶大學(xué)國家鎂合金工程技術(shù)研究中心擁有世界上最大的鎂電池研究團(tuán)隊和鎂固態(tài)儲氫團(tuán)隊，已開發(fā)多種鎂離子電池和儲氫密度高達(dá)6.1wt%、高安全性的新型儲氫材料，其主要指標(biāo)均處于世界領(lǐng)先水平。2018—2019年，重慶大學(xué)、重慶市科技局聯(lián)合投入2000多萬元支持鎂儲能材料研究。

2020年，廣東省國研科技研究中心有限公司、重慶大學(xué)、廣東省科學(xué)院等聯(lián)手開展總投入5億元的鎂儲能材料研究開發(fā)項目，在粵港澳大灣區(qū)建立了鎂基儲能研發(fā)中心及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用示范基地，鎂電池與鎂基固態(tài)儲/運氫即將進(jìn)入試制和示范應(yīng)用。

今年5月，重慶大學(xué)與重慶兩江新區(qū)聯(lián)合共建重慶新型儲能材料與裝備研究院（以下簡稱研究院）。研究院瞄準(zhǔn)國家能源戰(zhàn)略和能源轉(zhuǎn)型前沿技術(shù)，聚焦科技成果轉(zhuǎn)化，目標(biāo)建成世界最大的新型儲能材料與裝備研究院。

據(jù)了解，安徽青陽縣擁有豐富的鎂礦資源，原鎂年產(chǎn)高達(dá)30萬噸，具有良好的鎂基材料開發(fā)及制備基礎(chǔ)。研究院擬在“鎂能小鎮(zhèn)”開展一系列鎂電池示范項目，開發(fā)電瓶車、路燈、旅游車及分布式儲能系統(tǒng)。重慶廣陽島項目則擬在廣陽島開展電瓶車、鎂電池路燈、固態(tài)儲氫加氫站以及氫能車等多項鎂儲氫及鎂電池的示范項目。

“今年我們將啟動對鎂動力電池中試，和企業(yè)合作，先讓電動自行車用上鎂電池。”潘復(fù)生透露，目前鎂電池的性能已經(jīng)達(dá)到磷酸鐵鋰電池的水平，這就說明鎂電池已經(jīng)具備作為動力電池商用的可能。當(dāng)然取代鋰電池還需要更進(jìn)一步的研究，對此，他們也啟動了重慶新型儲能材料與裝備研究院全球人才招募行動，共同打造儲能科技創(chuàng)新平臺，助力我國新型儲能領(lǐng)域的發(fā)展。