鎂金屬二次電池向大規模應用邁進

文／王健高 宋迎迎 劉 佳 杜奧冰

近日，記者從中國科學院青島生物能源與過程研究所（以下簡稱青島能源所）獲悉，該研究所固態能源系統技術中心圍繞鎂電池中的關鍵科學問題開展了大量研究工作，在鎂金屬二次電池關鍵科學問題和核心材料方面取得系列成果，該系列成果近期發表在國際權威期刊《德國應化》《先進材料》和《先進能源材料》上。

極具潛力的鎂金屬二次電池

鎂金屬二次電池并不是近些年才出現的概念。從以色列科學家多倫·奧爾巴赫（Doron Aurbach）在2000年首次提出鎂金屬二次電池模型至今，該電化學體系已發展二十余年。青島能源所固態能源系統技術中心研究員崔光磊解釋說，鎂金屬二次電池是指以金屬鎂為負極的可循環電池，組成鎂金屬二次電池的核心是鎂負極、電解液及能嵌入鎂的正極材料。

據介紹，金屬鎂具有極高的體積容量，是作為高體積能量密度電池負極的極佳選擇。鎂金屬二次電池的工作原理與鋰二次電池原理相同，但與鋰二次電池相比更安全，其原因在于鎂及多數鎂化合物都是無毒或低毒的，且鎂不如鋰活潑，易于加工操作，同時也比鋰安全；鎂電池沒有類似鋰電池的枝晶生長問題；在價格方面，由于鎂在地殼中的豐度更高，所以其價格較鋰更便宜。

隨著“雙碳”戰略的實施，新能源迎來跨越式發展。二次電池作為新能源領域被廣泛應用的關鍵裝備之一，其重要性受到各方的重視。

崔光磊表示，盡管研究人員在儲鎂正極、導鎂電解質、鎂金屬負極等關鍵材料方面已經取得了重要進展，但是鎂金屬二次電池還有諸多基礎科學問題亟待克服，產業化應用也尚處于初期探索階段。

具體而言，鎂金屬二次電池的開發主要面臨兩大瓶頸問題。崔光磊表示，一是鎂電解質作為電池體系中的“血液”，起到在正負極之間傳輸鎂離子的重要作用，它在電池體系內部直接與正負極材料接觸，因此需要同時兼顧鎂金屬負極與高能儲鎂正極的特殊需求，這極大地限制了鎂電解質組分的可選擇范圍，開發與正負極界面兼容性良好的新型鎂電解質體系意義重大；二是因為二價鎂離子不僅帶有兩個電荷，而且“個頭小”，這既是鎂離子能夠在相同體積條件下存儲更多電荷的奧秘，同時也造成了鎂離子具有電荷密度大、極化作用強的特性，而強極化作用會導致鎂離子在正極材料晶格內部受到較大庫侖力作用的牽制，從而造成鎂離子擴散速度緩慢，因此鎂金屬二次電池常見的嵌入型正極材料結構普遍表現出較差的可逆脫嵌鎂離子能力，開發新型高效儲鎂正極材料迫在眉睫。

解決鎂金屬二次電池研發系列難題

圍繞上述鎂電池待解的關鍵問題，在崔光磊的帶領下，青島能源所科研團隊多年來開展了大量研究工作。

針對鎂電解質方面的問題，崔光磊研究團隊通過大量的篩選測試和理論分析，確立了硼（鋁）基鎂鹽的合成路線，開發出一系列高性能硼（鋁）基鎂電解質體系，其表現出優異的鎂離子傳輸特性和鎂金屬負極兼容性。

崔光磊表示，研究人員通過鎂金屬負極的界面優化工程進一步拓展了鎂電解質組分的可選擇范圍，極大地提升了多種鎂電解質體系與鎂金屬負極的界面兼容性。研究團隊還深入解析了鎂金屬負極界面處的微觀電化學反應過程，實現了鎂金屬沉積/溶出行為的高效調控，為鎂金屬負極的高效、循環利用奠定了重要理論基礎。

“除了上述液態鎂電解質體系，為了充分發揮鎂金屬電池的高安全特性，研究人員基于技術中心在固態鋰電池方面多年的技術積累，還設計開發了多種單離子導體概念的聚合物基固態鎂電解質體系，該體系表現出優異的室溫鎂離子傳輸性能和正負極界面兼容性。研究人員還成功制備了相應的固態鎂金屬二次電池器件，實現了鎂金屬電池的寬溫區、長循環工作，為研發適應地下資源勘探、太空探索等極端工況的特種電源提供了充足的技術儲備。”崔光磊說，此外，針對儲鎂正極材料方面的問題，研究團隊則重點關注具有高比容量特性的轉化型正極。

崔光磊認為，在眾多在研的新興電池技術中，鎂金屬二次電池憑借高體積能量密度、高安全性、高自然豐度以及低成本等諸多優勢，成為“后鋰離子電池”時期極具發展潛力的電池體系之一。

目前，研究團隊及合作伙伴們已經在鎂金屬二次電池領域發表高影響力SCI論文三十余篇，申請相關專利十余項，基本形成了具有完全自主知識產權的鎂金屬電池核心技術。在實際應用場景方面，該團隊以中國科學院深海智能技術先導專項為牽引，已突破了鎂金屬二次電池制作工藝上的關鍵技術瓶頸，開發出能量密度560瓦時/千克的單體電池。基于該單體電池設計組裝的鎂硫電池系統，不僅順利通過了深海高壓環境的模擬打壓測試，而且已經跟隨中國科學院深海所科考船，在南海實現了深海環境下連續30小時的穩定工作，成功實現了鎂金屬二次電池的示范應用。目前，更大的應用示范項目也正在籌備進行當中。

崔光磊表示，盡管鎂金屬二次電池的大規模應用還處于初期探索階段，但是其在提升二次電池的安全性、降低二次電池的成本、緩解二次電池的污染等方面都有重要潛力，有望在多個應用場景中部分替代鋰電池或鉛酸電池。