開發(fā)新一代高效、環(huán)保、安全的電池已成為全球電池行業(yè)發(fā)展的焦點(diǎn)。氫燃料電池、硫基全固態(tài)電池、鈉離子電池、鎂電池……科學(xué)家們正在不斷探索鋰電池的替代品。本文將向您介紹鎂電池的優(yōu)點(diǎn)、應(yīng)用和存在的問題。

 

新型鎂電池材料

鎂電池的工作原理

鎂電池是以鎂為陽極，一些金屬或非金屬氧化物為陰極的一次電池。鎂電池是近年來發(fā)展起來的一種極具潛力的新型二次電池。與鋰離子電池的組成類似，鎂電池主要由四部分組成：陰極、陽極、隔膜和電解質(zhì)。

如圖所示，以放電過程為例，通常金屬鎂在陽極電極側(cè)發(fā)生溶解反應(yīng)，形成Mg2+，Mg2+溶解在電解質(zhì)中。Mg2+遷移到陰極電極側(cè)進(jìn)行嵌入反應(yīng)，并且電子從陽極電極從外部電路遷移到陰極，以完成整個(gè)放電反應(yīng)。充電過程正好相反。

 

 

鎂電池的主要類別

● 鎂干電池

● 鎂二次電池

● 鎂固態(tài)電池

● 鎂儲備電池

● 鎂燃料電池

● 鎂空氣電池

 

鎂電池的優(yōu)點(diǎn)

與鋰電池相比，鎂電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 鎂資源豐富。鎂資源在地殼和海洋中豐富，價(jià)格比鋰便宜得多。成本僅為鋰的1/25-/150，可以使用數(shù)千年；

（2） 鎂電池不易生長枝晶，安全性高；

（3） 鎂及其化合物對環(huán)境無污染；

（4） 鎂電池的理論能量密度與鋰電池相當(dāng)。作為陽極電極，金屬鎂是一種雙電子反應(yīng)，具有高質(zhì)量能量密度（2205mAh·g-1），其體積能量密度（3833mAh·cm-3）甚至高于鋰（2046mAh·cm/3）。

 

 

同時(shí)，鎂具有相對的陽極電勢（-2.37Vvs SHE），因此當(dāng)鎂用作陽極時(shí)，電池將具有更高的工作電壓，這有利于提高電池的能量密度；

（5） 與鋰金屬不同，鎂在沉積過程中傾向于形成二維和三維結(jié)構(gòu)，因此鎂金屬陽極比鋰金屬陽極更安全。

（6） 鎂的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)（648°C/1170°C）高于鋰，其化學(xué)性質(zhì)相對惰性且易于加工；

鎂陽極的比容量是現(xiàn)有商用鋰電池陽極的6倍，達(dá)到2230mAh/g。普魯士藍(lán)鎂陰極具有成本低、電壓高、壽命長的特點(diǎn)。理論能量密度超過500wh/kg，有望取代磷酸鐵鋰。

 

鎂電池的應(yīng)用

最近，鎂干電池僅被用作軍事通信設(shè)備的電源。由于鎂合金陽極難以形成的限制，鎂干電池迄今尚未商業(yè)化和商業(yè)化。隨著鎂加工業(yè)的發(fā)展和鎂合金電池板的成功開發(fā)，鎂干電池的誕生將成為現(xiàn)實(shí)，這將給電池行業(yè)帶來一場革命。鎂二次電池被認(rèn)為是一種新型的綠色電池，由于其安全性和價(jià)格因素，在重載應(yīng)用中具有潛在優(yōu)勢，因此有望適用于電動汽車。

 

 

鎂儲備電池可用于航空航天、軍事和生物醫(yī)學(xué)，如水下推進(jìn)、潛艇、浮標(biāo)、導(dǎo)彈、航天器和生物微系統(tǒng)等。鎂燃料電池作為一種高能化學(xué)電源，在移動電子設(shè)備電源、自主潛水器電源、船用水下儀器電源和備用電源等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。鎂空氣電池是一種初級鎂燃料電池。陰極使用空氣，空氣通過陰極和陽極的氧化還原反應(yīng)排出。它是一種清潔、安全、高效的新能源電池。

它的能量密度是鉛酸電池的20多倍，可以為電視、電燈、便攜式電腦、手機(jī)、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)。

 

鎂電池發(fā)展面臨的困難

鎂電池還處于初步研究階段，還有許多懸而未決的問題，這使得鎂電池遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有實(shí)用化。阻礙鎂電池發(fā)展的主要問題如下：

（1） 由于鎂的化學(xué)活性，在中性和酸性條件下，鎂與水發(fā)生劇烈反應(yīng)并釋放氫氣，降低了電極的利用率，給電池的組裝帶來了困難。

（2） 缺乏合適的非水介質(zhì)來傳導(dǎo)Mg；

（3） 由于鎂離子的體積小、電荷密度高、極化強(qiáng)，很難插入大多數(shù)基質(zhì)中，也很難形成嵌入的化合物。因此，可用的陰極材料是有限的。

（4） 軋制或擠壓陽極鎂合金的金相組織對電池的耐腐蝕性非常不利。隨著對鎂電池的深入研究，有望突破上述問題，開發(fā)出高性能、低成本、安全環(huán)保的鎂電池。

 

 

未來對鎂電池的研究主要應(yīng)從以下幾個(gè)方面著手：

（1） 提高陽極材料純度，優(yōu)化合金成分，開發(fā)高活性、低腐蝕率的鎂合金；

（2） 以前的溶劑僅限于THF和乙醚，它們?nèi)菀孜?，而且電池陽極不能在有水的環(huán)境中使用，因此應(yīng)該找到安全廉價(jià)的溶劑；

（3） 在與陽極材料匹配的陰極電極嵌入材料方面，可以制造納米管、棒或摻雜材料，還可以開發(fā)新的嵌入材料，如有機(jī)復(fù)合材料；

（4） 探索鎂作為陽極電極材料的加工和成型方法，以提高鎂電池的性能。

 

最后的想法：

以上是關(guān)于鎂電池和需要改進(jìn)的領(lǐng)域的介紹，我國鎂資源儲量居世界首位，鎂資源的開發(fā)利用對我國的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義；它有望在未來成為新一代最好的可充電電池。