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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(xué)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(xué)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(fù)極的可循環(huán)電池，組成鎂金屬二次電池的核心是鎂負(fù)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(fù)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(shí)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(dǎo)鎂電解質(zhì)、鎂金屬負(fù)極等關(guān)鍵材料方面已經(jīng)取得了重要進(jìn)展，但是鎂金屬二次電池還有諸多基礎(chǔ)科學(xué)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(fù)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(fù)極材料接觸，因此需要同時兼顧鎂金屬負(fù)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(fù)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?yàn)槎r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(qiáng)的特性，而強(qiáng)極化作用會導(dǎo)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(kuò)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。