你听过镁电池吗？取代锂电池的电动车迎来新发展
相信大家对于锂电池加持的电动车再熟悉又不过，不论是成本还是性能等多方面来说锂电池确实有不少优势，但近年来逐渐出现了不少或可替代锂电池的新型电池。而最近，来自美国休士顿大学研究团队开发出来的新型镁电池，其电容量比商用锂离子电池高出 2倍的标称也是让人兴奋不已。
电动车市场迎来镁电池：电容量全面提高（图源：Weibo）
众所周知，镁电池充、放电过程充电性能会迅速衰退，因此多年来人们也一直在寻找能存储大量镁离子的阴极材料来研究镁电池，但不论是寻找还是打破氯化镁键仅储存镁离子技术都是困难重重，需要的技术也是攻坚克难。
据悉，休士顿大学电机电子工程学系副教授 Yan Yao团队在《自然通讯》杂志发布最新研究，他们设计了纳米结构的电池阴极，让新型镁电池大大增加 4倍存储容量。早期镁电池储存容量为 100mAh / g，相比之下新电池可达 400mAh / g，而一般的商业锂离子电池阴极容量则约 200mAh / g。
据研究人员介绍，新款镁电池的电压在 1伏特左右（锂离子电池的电压 3~4伏特），它在一定程度上受电压限制，但研究人员仍期盼镁电池的新设计能应用在更有价值的领域。正因为实现镁电池如此困难，因此目前镁电池主要供军事通信、气象测候仪、海难救生设备、高空雷达仪等设备使用。
确实，如今各种新能源市场几乎是锂离子电池占据大半壁江山，但由于锂电池的安全性引发担忧，因此多年来业内一直在新型更便宜、更安全的新电池。此次休士顿大学研究团队开发的新型镁电池，意在以更低价格制造更高能量电池，或许能为未来电动车市场发展带来极大推动。
高性能镁电池应用大有可为
■本报记者 李丽旻《 中国能源报 》（ 2024年05月06日 第 11 版）
在储能需求高涨的当下，电池技术呈现多元化发展，除主流锂电池外，镁、钠等新兴材料也在电化学领域迎来前所未有的发展动力。业界普遍认为，拥有相对安全和高能量密度的镁电池在多个应用场景下都有望替代锂电池，成为下一代高性能电池。
■ 技术频获突破
近日，日本东北大学研究人员宣布，开发了一种可充电镁电池阴极材料，即使在低温条件下也能够实现高效充放电。
日本东北大学材料研究所研究人员在《材料化学杂志》上发表了上述成果，提出一种新型岩盐结构作为镁电池负极，有助于镁离子在电池中扩散，从而提高镁离子在电池中的活力。利用最新的岩盐材料，该款镁离子电池能够在90摄氏度下有效工作，与以往镁离子电池的工作温度相比明显下降。
日本东北大学材料研究所教授Tetsu Ichitsubo表示，这项研究克服此前电池的材料性能限制，为下一代电池研发应用铺平了道路，更有望对技术、环境和社会产生重大影响。
在电化学储能需求高涨的当下，电池技术已不再局限于锂电池，成本相对更低、安全系数相对更高的镁电池也获得更多关注，实际上，以镁基为材料的电池在近年来不断发展。
今年2月，澳大利亚RMIT大学研究人员宣布，以镁、锌等金属为材料设计了一种“镁水电池”，该款电池使用水替代传统有机电解液，不仅拥有更高安全性能，还具有可拆卸、可回收的特性。据悉，镁离子电池在充放电循环过程中负极不会出现类似锂枝晶的“镁枝晶”，可避免出现锂电中的锂枝晶生长刺穿隔膜并导致电池短路起火爆炸的情况。
该款电池研发人员表示，最新研发的“镁水电池”可实现安全拆卸，凭借其安全特性，随着技术进步，户用储能、便携设备等小型储能设备中都可能实现应用。
■ 材料供应链优势明显
根据国际能源署最新数据，过去几年，电池储能技术发展速度空前，2023年，全球储能电池部署规模同比增速达到130%，电网侧储能、可再生能源发电侧储能、户用储能、移动储能应用需求均高速上涨。
但是，国际能源署指出，锂离子电池应用规模的扩大很大程度上受限于上游资源，锂资源分布并不均衡，同时锂离子电池的回收和再利用成本也相对较高，都成为锂离子电池扩大应用的瓶颈所在。
非锂电池技术的发展应运而生，镁离子便是一个范例。在业界看来，镁离子电池的一个重要优势是更为稳定的供应链基础。日本东北大学材料研究所教授Tomoya Kawaguchi认为，锂资源稀缺且分布不均，而镁资源相对更为丰富，镁离子电池的出现，为锂离子电池提供了更可持续和更具成本效益的替代品。从研发情况来看，镁电池有望在各种下游应用中发挥关键作用，包括电网侧储能、电动汽车甚至便携式电子设备，将为全球向可再生能源过渡和减少碳足迹作出贡献。
中国工程院院士、重庆大学教授潘复生曾指出，稀土、镁和钒钛都是我国富有的战略资源。目前，我国在稀土、镁、钒钛等固态储氢方面有好的工作基础，特别是稀土固态储氢和镁固态储氢领域都处于世界领先水平。
市场研究机构首创证券也指出，镁具有易提取、分布广泛的特性，在制成镁电池后，其潜在成本优势及资源安全属性均高于锂电池。
■ 有望替代锂电池
除了显著的供应链优势，镁离子电池的高能量密度同样受到关注。数据显示，作为二价金属，与一价锂、钠相比，镁离子可以携带和存储更多电荷，理论能量密度可达到锂离子电池的1.5倍左右。
上述“镁水电池”研发人员指出，最新研发的镁电池与锂电池相比有更长的工作时长和使用寿命，在下游应用过程中可适应更高强度使用。从目前实验情况来看，该款电池还能与光伏组件进行整合，已有数据证明该款电池在可再生能源发电储能场景中具有应用潜力。
首创证券预测称，镁离子电池的特性与储能场景要求高度贴合，未来镁电池在储能电池、动力电池、电动工具等应用场景中有望替代传统锂电池和铅酸电池。
实际上，发展新一代高效、环保、安全的电池已成为全球电池产业发展重点。去年，我国科技部发布“高端功能与智能材料”重点专项，布局了两项镁合金储能研发计划，其中就包括“高比能长寿命镁二次电池关键材料与技术”，拟开发镁为负极的二次电池技术。
欧盟委员会也成立了“欧洲镁电池社区”，表示将持续推动可充放电的镁离子电池发展，研发出能量密度在400瓦时/千克以上、成本在100欧元/千瓦时以下的电池产品。
记者了解到，除了镁离子电池外，全固态电池、钠离子电池、全钒液流电池等新兴技术都在持续推进，电池技术边界正不断扩展。
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