镁金属二次电池向大规模应用迈进
◎本报记者 王健高 实习记者 宋迎迎 通 讯 员 刘 佳 杜奥冰
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近日，记者从中国科学院青岛生物能源与过程研究所（以下简称青岛能源所）获悉，该研究所固态能源系统技术中心围绕镁电池中的关键科学问题开展了大量研究工作，在镁金属二次电池关键科学问题和核心材料方面取得系列成果，该系列成果近期发表在国际权威期刊《德国应化》《先进材料》和《先进能源材料》上。
极具潜力的镁金属二次电池
镁金属二次电池并不是近些年才出现的概念。从以色列科学家多伦·奥尔巴赫（Doron Aurbach）在2000年首次提出镁金属二次电池模型至今，该电化学体系已发展二十余年。青岛能源所固态能源系统技术中心研究员崔光磊解释说，镁金属二次电池是指以金属镁为负极的可循环电池，组成镁金属二次电池的核心是镁负极、电解液及能嵌入镁的正极材料。
据介绍，金属镁具有极高的体积容量，是作为高体积能量密度电池负极的极佳选择。镁金属二次电池的工作原理与锂二次电池原理相同，但与锂二次电池相比更安全，其原因在于镁及多数镁化合物都是无毒或低毒的，且镁不如锂活泼，易于加工操作，同时也比锂安全；镁电池没有类似锂电池的枝晶生长问题；在价格方面，由于镁在地壳中的丰度更高，所以其价格较锂更便宜。
随着“双碳”战略的实施，新能源迎来跨越式发展。二次电池作为新能源领域被广泛应用的关键装备之一，其重要性受到各方的重视。
崔光磊表示，尽管研究人员在储镁正极、导镁电解质、镁金属负极等关键材料方面已经取得了重要进展，但是镁金属二次电池还有诸多基础科学问题亟待克服，产业化应用也尚处于初期探索阶段。
具体而言，镁金属二次电池的开发主要面临两大瓶颈问题。崔光磊表示，一是镁电解质作为电池体系中的“血液”，起到在正负极之间传输镁离子的重要作用，它在电池体系内部直接与正负极材料接触，因此需要同时兼顾镁金属负极与高能储镁正极的特殊需求，这极大地限制了镁电解质组分的可选择范围，开发与正负极界面兼容性良好的新型镁电解质体系意义重大；二是因为二价镁离子不仅带有两个电荷，而且“个头小”，这既是镁离子能够在相同体积条件下存储更多电荷的奥秘，同时也造成了镁离子具有电荷密度大、极化作用强的特性，而强极化作用会导致镁离子在正极材料晶格内部受到较大库仑力作用的牵制，从而造成镁离子扩散速度缓慢，因此镁金属二次电池常见的嵌入型正极材料结构普遍表现出较差的可逆脱嵌镁离子能力，开发新型高效储镁正极材料迫在眉睫。
解决镁金属二次电池研发系列难题
围绕上述镁电池待解的关键问题，在崔光磊的带领下，青岛能源所科研团队多年来开展了大量研究工作。
针对镁电解质方面的问题，崔光磊研究团队通过大量的筛选测试和理论分析，确立了硼（铝）基镁盐的合成路线，开发出一系列高性能硼（铝）基镁电解质体系，其表现出优异的镁离子传输特性和镁金属负极兼容性。
崔光磊表示，研究人员通过镁金属负极的界面优化工程进一步拓展了镁电解质组分的可选择范围，极大地提升了多种镁电解质体系与镁金属负极的界面兼容性。研究团队还深入解析了镁金属负极界面处的微观电化学反应过程，实现了镁金属沉积/溶出行为的高效调控，为镁金属负极的高效、循环利用奠定了重要理论基础。
“除了上述液态镁电解质体系，为了充分发挥镁金属电池的高安全特性，研究人员基于技术中心在固态锂电池方面多年的技术积累，还设计开发了多种单离子导体概念的聚合物基固态镁电解质体系，该体系表现出优异的室温镁离子传输性能和正负极界面兼容性。研究人员还成功制备了相应的固态镁金属二次电池器件，实现了镁金属电池的宽温区、长循环工作，为研发适应地下资源勘探、太空探索等极端工况的特种电源提供了充足的技术储备。”崔光磊说，此外，针对储镁正极材料方面的问题，研究团队则重点关注具有高比容量特性的转化型正极。
崔光磊认为，在众多在研的新兴电池技术中，镁金属二次电池凭借高体积能量密度、高安全性、高自然丰度以及低成本等诸多优势，成为“后锂离子电池”时期极具发展潜力的电池体系之一。
目前，研究团队及合作伙伴们已经在镁金属二次电池领域发表高影响力SCI论文三十余篇，申请相关专利十余项，基本形成了具有完全自主知识产权的镁金属电池核心技术。在实际应用场景方面，该团队以中国科学院深海智能技术先导专项为牵引，已突破了镁金属二次电池制作工艺上的关键技术瓶颈，开发出能量密度560瓦时/千克的单体电池。基于该单体电池设计组装的镁硫电池系统，不仅顺利通过了深海高压环境的模拟打压测试，而且已经跟随中国科学院深海所科考船，在南海实现了深海环境下连续30小时的稳定工作，成功实现了镁金属二次电池的示范应用。目前，更大的应用示范项目也正在筹备进行当中。
崔光磊表示，尽管镁金属二次电池的大规模应用还处于初期探索阶段，但是其在提升二次电池的安全性、降低二次电池的成本、缓解二次电池的污染等方面都有重要潜力，有望在多个应用场景中部分替代锂电池或铅酸电池。
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