一種豐富的元素可能是高能量電池的關(guān)鍵。

盡管鋰電池可以為手機(jī)、筆記本電腦和電動(dòng)汽車供應(yīng)動(dòng)力，科學(xué)家們?nèi)栽趯ふ倚碌碾姵鼗瘜W(xué)物質(zhì)，為電池供應(yīng)更高的能量、更高的穩(wěn)定性和更長的使用壽命。鎂是一種潛在的有希望的元素，它可能構(gòu)成新電池的基礎(chǔ)。

阿貢化學(xué)家BrianIngram致力于鎂離子電池研究。在他來看，鎂離子電池終有一天會(huì)在未來供應(yīng)動(dòng)力方面發(fā)揮重要用途。

鎂或成為超越鋰離子技術(shù)的新電池的基礎(chǔ)。（照片由Shutterstock/tunasalmon供應(yīng)）

Q：我們?yōu)楹我戒囯姵啬兀?/p>

A：鋰電池可以滿足當(dāng)今對(duì)個(gè)人電子和電動(dòng)汽車等許多應(yīng)用。然而，隨著儲(chǔ)能在其他應(yīng)用上的持續(xù)發(fā)展，特別是未來脫碳方面，儲(chǔ)能將面對(duì)新技術(shù)和成本方面的挑戰(zhàn)，這要求我們尋找更低廉的電池、更好的供應(yīng)鏈、更快的充電速度、更長時(shí)間的放電，供應(yīng)安全性能并延長電池生命周期。作為電池研究人員，我們要開發(fā)不同種類的電池，以滿足不同的應(yīng)用需求，允許市場(chǎng)選擇合適的技術(shù)，并使更好的材料供應(yīng)鏈成為可能，防止電池大規(guī)模生產(chǎn)而導(dǎo)致更高的成本。

Q：鎂離子電池有可能克服什么挑戰(zhàn)呢？

A：在交通領(lǐng)域，目前用于個(gè)人車輛上的鋰電池面對(duì)兩項(xiàng)挑戰(zhàn)。首先，可持續(xù)性影響和鈷等元素的數(shù)量限制了其可擴(kuò)展性；其次，將儲(chǔ)能擴(kuò)展到長途卡車、鐵路、海運(yùn)以及領(lǐng)域?qū)⒁蠕囯x子更高的能量密度。從鋰電池轉(zhuǎn)向低成本、更可持續(xù)、高性能電池將提高儲(chǔ)能的選擇。

Q：鎂離子的優(yōu)勢(shì)是什么？

A：鎂離子電池在儲(chǔ)能上是一種具有潛力的化學(xué)物質(zhì)。鎂電池具有潛在優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殒V具有更加穩(wěn)定的供應(yīng)鏈，具有可持續(xù)性，原材料成本或許低于先進(jìn)鋰電池。

Q：是什么使鎂離子電池不同于鋰電池？

A：鎂離子的理論能量密度至少是和鋰電池相當(dāng)?shù)模欢锌赡軐?shí)現(xiàn)比鋰更高的能量密度，因?yàn)槊總€(gè)鎂離子上的電子都是鋰離子的兩倍。鎂也是比鋰更豐富的元素，有助于建立更穩(wěn)定的供應(yīng)鏈。

Q：鎂離子電池是如何工作的？

A：原則上，鎂離子電池的功能和目前的鋰電池非常相似。鎂離子在陽極（由鎂金屬制成）和陰極（由金屬氧化物材料制成）之間移動(dòng)。使電子繞著外部電路快速移動(dòng)，供應(yīng)電力。

Q：鎂離子電池有什么缺點(diǎn)嗎？又會(huì)面對(duì)什么挑戰(zhàn)呢？

A：不幸的是，鎂離子電池在成為鋰電池的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手之前，面對(duì)一些科學(xué)方面和技術(shù)方面的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)基本上來自鎂是攜帶大量電荷的小離子這一現(xiàn)實(shí)。這會(huì)導(dǎo)致鎂離子和周圍材料發(fā)生許多不必要的相互用途。

例如，將鎂從電解液轉(zhuǎn)移到固體電極要更多的能量，通常會(huì)導(dǎo)致"寄生"反應(yīng)和儲(chǔ)存電荷的過程之間的競(jìng)爭(zhēng)，從而限制了電池的壽命。此外，鎂在所有材料中的移動(dòng)都比鋰遲緩。因此，充電速度也受到限制。我們?nèi)耘f在尋找克服這些困難的方法，這就是研究的意義所在。

Q：鎂離子電池將意味著什么？

A：現(xiàn)在說這個(gè)還為時(shí)尚早，但還要更多的研究。因?yàn)樯鲜鎏魬?zhàn)的確存在，鎂離子電池雖有著巨大潛力，但還有更多的不確定性。要供應(yīng)令人信服的證據(jù)，要證明能量實(shí)際上是由金屬氧化物正極儲(chǔ)存和釋放的，仍要完成更多研究。我們的團(tuán)隊(duì)最近完成了一項(xiàng)研究，并建議科學(xué)界采取行動(dòng)，使‘鎂離子能夠儲(chǔ)能’這一結(jié)論令人信服。通過這樣做，我們澄清了聯(lián)合儲(chǔ)能研究中心（JointCenterforEnergyStorageResearch）、阿貢其他地方以及其他機(jī)構(gòu)在不到十年的時(shí)間里取得的重大突破，并期待著在這一進(jìn)展的基礎(chǔ)上再接再厲。

Q：除了鎂以外，還有什么其他元素是我們應(yīng)該關(guān)注的嗎？

A：鈣也是一種具有潛力的材料，具有和鎂相同的很多優(yōu)勢(shì)，但初步研究證明鈣是更具有移動(dòng)性的離子。我們對(duì)鈣的研究處于早期階段，仍在探索許多開放性問題和科學(xué)挑戰(zhàn)。

我國化學(xué)和物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)楊柳

2022.3.16