鎂金屬二次電池向大規(guī)模應(yīng)用邁進

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(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心圍繞鎂電池中的關(guān)鍵科學問題開展了大量研究工作，在鎂金屬二次電池關(guān)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(fā)表在國際權(quán)威期刊《德國應(yīng)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(xiàn)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(fā)展二十余年。青島能源所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)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(huán)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(jù)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(shù)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(zhàn)略的實施，新能源迎來跨越式發(fā)展。二次電池作為新能源領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的關(guān)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(zhì)、鎂金屬負極等關(guān)鍵材料方面已經(jīng)取得了重要進展，但是鎂金屬二次電池還有諸多基礎(chǔ)科學問題亟待克服，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)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(fā)主要面臨兩大瓶頸問題。崔光磊表示，一是鎂電解質(zhì)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(nèi)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(zhì)組分的可選擇范圍，開發(fā)與正負極界面兼容性良好的新型鎂電解質(zhì)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(nèi)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(jié)構(gòu)普遍表現(xiàn)出較差的可逆脫嵌鎂離子能力，開發(fā)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(fā)系列難題

圍繞上述鎂電池待解的關(guān)鍵問題，在崔光磊的帶領(lǐng)下，青島能源所科研團隊多年來開展了大量的研究工作。

針對鎂電解質(zhì)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(fā)出一系列高性能硼（鋁）基鎂電解質(zhì)體系，其表現(xiàn)出優(yōu)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(yōu)化工程進一步拓展了鎂電解質(zhì)組分的可選擇范圍，極大地提升了多種鎂電解質(zhì)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(yīng)過程，實現(xiàn)了鎂金屬沉積/溶出行為的高效調(diào)控，為鎂金屬負極的高效、循環(huán)利用奠定了重要的理論基礎(chǔ)。

“除了上述液態(tài)鎂電解質(zhì)體系，為了充分發(fā)揮鎂金屬電池的高安全特性，研究人員基于技術(shù)中心在固態(tài)鋰電池方面多年的技術(shù)積累，還設(shè)計開發(fā)了多種單離子導體概念的聚合物基固態(tài)鎂電解質(zhì)體系，該體系表現(xiàn)出優(yōu)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(yīng)的固態(tài)鎂金屬二次電池器件，實現(xiàn)了鎂金屬電池的寬溫區(qū)、長循環(huán)工作，為研發(fā)適應(yīng)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(shù)儲備?！贝薰饫谡f，此外，針對儲鎂正極材料方面的問題，研究團隊則重點關(guān)注具有高比容量特性的轉(zhuǎn)化型正極。

崔光磊認為，在眾多在研的新興電池技術(shù)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(yōu)勢，成為“后鋰離子電池”時期極具發(fā)展?jié)摿Φ碾姵伢w系之一。

目前，研究團隊及合作伙伴們已經(jīng)在鎂金屬二次電池領(lǐng)域發(fā)表高影響力SCI論文三十余篇，申請相關(guān)專利十余項，基本形成了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的鎂金屬電池核心技術(shù)。在實際應(yīng)用場景方面，該團隊以中國科學院深海智能技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)瓶頸，開發(fā)出能量密度560瓦時/千克的單體電池?；谠搯误w電池設(shè)計組裝的鎂硫電池系統(tǒng)，不僅順利通過了深海高壓環(huán)境的模擬打壓測試，而且已經(jīng)跟隨中國科學院深海所科考船，在南海實現(xiàn)了深海環(huán)境下連續(xù)30小時的穩(wěn)定工作，成功實現(xiàn)了鎂金屬二次電池的示范應(yīng)用。目前，更大的應(yīng)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(guī)模應(yīng)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(yīng)用場景中部分替代鋰電池或鉛酸電池。