一種豐富的元素可能是高能量電池的關鍵。

盡管鋰電池可以為手機、筆記本電腦和電動汽車供應動力，科學家們仍在尋找新的電池化學物質，為電池供應更高的能量、更高的穩定性和更長的使用壽命。鎂是一種潛在的有希望的元素，它可能構成新電池的基礎。

阿貢化學家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在未來供應動力方面發揮重要用途。

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

Q：我們為何要超越鋰電池呢？

A：鋰電池可以滿足當今對個人電子和電動汽車等許多應用。然而，隨著儲能在其他應用上的持續發展，特別是未來脫碳方面，儲能將面對新技術和成本方面的挑戰，這要求我們尋找更低廉的電池、更好的供應鏈、更快的充電速度、更長時間的放電，供應安全性能并延長電池生命周期。作為電池研究人員，我們要開發不同種類的電池，以滿足不同的應用需求，允許市場選擇合適的技術，并使更好的材料供應鏈成為可能，防止電池大規模生產而導致更高的成本。

Q：鎂離子電池有可能克服什么挑戰呢？

A：在交通領域，目前用于個人車輛上的鋰電池面對兩項挑戰。首先，可持續性影響和鈷等元素的數量限制了其可擴展性；其次，將儲能擴展到長途卡車、鐵路、海運以及領域將要比鋰離子更高的能量密度。從鋰電池轉向低成本、更可持續、高性能電池將提高儲能的選擇。

Q：鎂離子的優勢是什么？

A：鎂離子電池在儲能上是一種具有潛力的化學物質。鎂電池具有潛在優勢，因為鎂具有更加穩定的供應鏈，具有可持續性，原材料成本或許低于先進鋰電池。

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的，然而有可能實現比鋰更高的能量密度，因為每個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，有助于建立更穩定的供應鏈。

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。使電子繞著外部電路快速移動，供應電力。

Q：鎂離子電池有什么缺點嗎？又會面對什么挑戰呢？

A：不幸的是，鎂離子電池在成為鋰電池的商業競爭對手之前，面對一些科學方面和技術方面的挑戰。這些挑戰基本上來自鎂是攜帶大量電荷的小離子這一現實。這會導致鎂離子和周圍材料發生許多不必要的相互用途。

例如，將鎂從電解液轉移到固體電極要更多的能量，通常會導致"寄生"反應和儲存電荷的過程之間的競爭，從而限制了電池的壽命。此外，鎂在所有材料中的移動都比鋰遲緩。因此，充電速度也受到限制。我們仍舊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：現在說這個還為時尚早，但還要更多的研究。因為上述挑戰的確存在，鎂離子電池雖有著巨大潛力，但還有更多的不確定性。要供應令人信服的證據，要證明能量實際上是由金屬氧化物正極儲存和釋放的，仍要完成更多研究。我們的團隊最近完成了一項研究，并建議科學界采取行動，使‘鎂離子能夠儲能’這一結論令人信服。通過這樣做，我們澄清了聯合儲能研究中心（JointCenterforEnergyStorageResearch）、阿貢其他地方以及其他機構在不到十年的時間里取得的重大突破，并期待著在這一進展的基礎上再接再厲。

Q：除了鎂以外，還有什么其他元素是我們應該關注的嗎？

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

我國化學和物理電源行業協會楊柳

2022.3.16