资源储量丰富+成本低 镁离子电池能否替代锂电池？
碳酸锂价格持续高位震荡。
11月17日，生意社数据显示，工业级碳酸锂国内混合均价为58.7万元/吨，电池级碳酸锂国内混合均价为60.4万元/吨，碳酸锂整体保持稳中偏强。生意社方面分析称，目前锂电产业链的电池厂相关企业多处于供不应求的状态。
锂资源供应紧张和锂价暴增也让业内开始思考其他动力电池路线，如钠离子电池、镁离子电池等。宁德时代董事长助理孟祥峰日前公开表示，通过钠离子电池产业化解决部分锂资源供应紧张和锂价暴增问题。光大证券分析称钠离子电池产业化进程有望加速，增量空间未来可期。
与此同时，镁离子电池也闯入业内视野，资源储量丰富且成本低的镁离子电池能否代替锂电池？
2022年两会期间，中国工程院院士潘复生曾表示，镁离子电池的储能性优于锂电池。他认为在储能领域，相对于锂而言，镁基储能材料存在资源储量丰富、成本低、安全性能高等优势，在新一代储能材料方面极具潜力，同时还是环保且高能量密度的电池材料。一旦未来行业技术突破，将成为电池工业的颠覆性革命，市场空间可达万亿元以上。
不过，多位业内人士告诉新京报贝壳财经记者，镁离子电池想要从科研走向产业还需要克服更多障碍。
我国镁产量丰富，且镁离子电池更加安全
锂属于稀有金属，在地壳中的含量约为0.0065%。全球锂资源约为3950万吨，而具备商业开采价值的锂储备量则仅为1351.9万吨，业内认为若锂电池需求量持续爆发式增长，锂的价格或仍处于高位。
镁属于地球上储量最丰富的轻金属之一，在地壳中的含量约为2%。中国有色金属工业协会数据显示，中国是世界上镁矿资源最丰富的国家，总储量及产量均为世界第一；2021年我国原镁产量94.88万吨，产量约占全球总产量的83%，我国已连续20余年成为全球最大的原镁供应国。
兴储世纪总裁助理刘继茂表示，相较于锂电池，镁电池成本更低，并且国内镁矿储备丰富，基本无需考虑资源问题。
据记者了解，镁离子电池跟锂离子电池一样，由正极、负极和电解质构成；原则上，镁离子电池的功能与目前的锂离子电池非常相似。镁离子在正极与负极之间移动，使电子绕着外部电路快速移动，提供电力；其中正极由镁金属制成，负极则是由金属氧化物材料制成。
从镁离子电池的安全性来看，一方面是镁不如锂活泼易于加工操作，镁暴露在空气也比锂安全；同时锂电池在充放电的过程中被还原成锂金属状态，在负极表面形成枝晶，使得电解液界面与电极之间不稳定，更为严重的情况则是会导致电池内部的隔膜被锂枝晶刺破，从而使得电池内部短接，引发电池的燃烧和爆炸，相对而言，镁离子电池在充放电过程中没有类似锂电池的枝晶生长的问题。
另一方面锂的熔点约为180摄氏度，而镁的熔点约为651摄氏度，因而更为安全，与锂离子电池相比其充电量和放电电压更高。从成本方面来看，由于镁资源丰富，镁的成本远低于锂的成本；从能量密度方面来看，镁离子以2价正离子（Mg2+）的形态存在，理论上如果两块电池分别使用了同等密度含量的镁离子和锂离子，使用镁离子作为传递电子介质的电池能量存储密度将是锂电池的两倍。在环保方面上，2015年之后镁在冶炼、制造、应用及回收过程中，污染排放都小于铝合金。
中国工程院院士潘复生日前在中国国际储能大会上表示，镁既是高效、安全的储氢材料，也是环保高密度的安全电池材料，他进一步表示，日本电池行业认为，镁电池可能成为锂电池的颠覆者。
优势明显为何迟迟没有商用？
其实镁离子电池早在2000年就已问世，但产业化进展缓慢，尚难以商用。
原因在于镁离子电池优势突出，但劣势也同样明显。一方面，从目前研究来看，镁离子电池虽然能量密度高，但其理论比容量却比锂离子电池低了近60%，难以应用在新能源汽车上。另一方面，电极材料选择受限，业内普遍认为现阶段制约镁离子电池快速发展的重要原因就是电极材料，由于镁离子具有电荷密度大、极化作用强、体积小等特点，难以插入到基质中形成嵌入式化合物，导致正负极材料的选择受到较大限制。
刘继茂表示，镁离子电池低成本的背后是镁电池的低安全性；镁电池存在“电压滞后”的特性，极易发生腐蚀反应，其次镁电池贮存性能差，因此不宜长期间歇放电使用。镁金属能否在高电流密度条件下保持无枝晶生长，业界也存在一定争议。
此外，镁离子电池电压相对较小，在充放电过程中电池容量容易出现砍半的情况；尽管目前有相关研究团队正在研究镁离子容量放缓下降，但仍处于实验室阶段。真锂研究首席分析师墨柯表示，镁离子电池在技术和材料上仍有相当多障碍有待克服，目前还没有找到比较合适的电极材料，谈不上大规模应用，他认为考虑到一项新技术从实验室研制到量产再到大规模应用的过程，这些替代技术可能需要等待二三十年才能发展成熟。
汽车行业专家、黄河科技学院客座教授张翔表示，目前镁离子电池技术发展相对缓慢，短期内难以成为锂离子电池的替代品。
更符合储能要求，但尚未走出实验室
刘继茂认为，储能电站更看重电池的寿命、安全性和使用成本，相比之下，镁电池与钠电池在使用寿命上更加出色，更符合储能要求。张翔表示，由于车用电池标准更高，镁离子电池更适合储能领域，但目前镁离子电池想要大规模量产，仍有很多痛点问题要解决，需要保持产品质量的持续稳定性。
镁金属行业前景广阔，不过目前仍处于产业化初期探索阶段。Wind数据显示，A股市场上具备镁金属相关业务的公司仅有15家。云海金属在回复投资者提问时表示，会积极关注及参与镁的新应用领域，包括镁储氢、镁电池的研发及产业化。但北京利尔、濮耐股份、盐湖股份等表示暂未涉及镁电池领域。
智慧芽创新研究中心研究员黄静雯表示，镁电池还没完全走出实验室，产业化应用也处在初期探索阶段。刘继茂也认为，镁离子电池这类“黑科技”更是停留在研究机构层面，想跳出科研走向产业，还需要较长一段时间，反而钠离子电池有突围的可能性。张翔也认为目前研究镁离子电池的企业数量较少，距离产业化比较远。
潘复生曾在两会期间建议，尽快从国家层面设立专项，加大力度支持研究开发、平台建设、产业化示范和工程化应用，特别是加大对镁基储能材料与产品领域的支持力度。
新京报贝壳财经记者 王琳琳
编辑 徐超
校对 付春愔
Q&A：镁会成为电池的未来吗？阿贡化学家Brian Ingram对此发表意见
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一种丰富的元素可能是高能量电池的关键。
尽管锂离子电池可以为手机、笔记本电脑和电动汽车提供动力，科学家们仍在寻找新的电池化学物质，为电池提供更高的能量、更高的稳定性和更长的使用寿命。镁是一种潜在的有希望的元素，它可能构成新电池的基础。
阿贡化学家Brian Ingram致力于镁离子电池研究。在他来看，镁离子电池终有一天会在未来提供动力方面发挥重要作用。
镁或成为超越锂离子技术的新电池的基础。（照片由Shutterstock/tunasalmon提供）
Q：我们为什么需要超越锂离子电池呢？
A：锂离子电池可以满足当今对个人电子和电动汽车等许多应用。然而，随着储能在其他应用上的持续发展，特别是未来脱碳方面，储能将面临新技术与成本方面的挑战，这要求我们寻找更低廉的电池、更好的供应链、更快的充电速度、更长时间的放电，提供安全性能并延长电池生命周期。作为电池研究人员，我们需要开发不同种类的电池，以满足不同的应用需求，允许市场选择合适的技术，并使更好的材料供应链成为可能，防止电池大规模生产而导致更高的成本。
Q：镁离子电池有可能克服哪些挑战呢？
A：在交通领域，目前用于个人车辆上的锂离子电池面临两项挑战。首先，可持续性影响和钴等元素的数量限制了其可扩展性；其次，将储能扩展到长途卡车、铁路、海运以及航空领域将需要比锂离子更高的能量密度。从锂离子电池转向低成本、更可持续、高性能电池将提高储能的选择。
Q：镁离子的优势是什么？
A：镁离子电池在储能上是一种具有潜力的化学物质。镁电池具有潜在优势，因为镁具有更加稳定的供应链，具有可持续性，原材料成本或许低于先进锂离子电池。
Q：是什么使镁离子电池不同于锂离子电池？
A：镁离子的理论能量密度至少是与锂离子电池相当的，然而有可能实现比锂更高的能量密度，因为每个镁离子上的电子都是锂离子的两倍。镁也是比锂更丰富的元素，有助于建立更稳定的供应链。
Q：镁离子电池是如何工作的？
A：原则上，镁离子电池的功能与目前的锂离子电池非常相似。镁离子在阳极（由镁金属制成）与阴极（由金属氧化物材料制成）之间移动。使电子绕着外部电路快速移动，提供电力。
Q：镁离子电池有什么缺点吗？又会面临什么挑战呢？
A：不幸的是，镁离子电池在成为锂离子电池的商业竞争对手之前，面临一些科学方面与技术方面的挑战。这些挑战基本上来自镁是携带大量电荷的小离子这一现实。这会导致镁离子与周围材料发生许多不必要的相互作用。
例如，将镁从电解液转移到固体电极需要更多的能量，通常会导致“寄生”反应与储存电荷的过程之间的竞争，从而限制了电池的寿命。此外，镁在所有材料中的移动都比锂迟缓。因此，充电速度也受到限制。我们仍旧在寻找克服这些困难的方法，这就是研究的意义所在。
Q：镁离子电池将意味着什么？
A：现在说这个还为时尚早，但还需要更多的研究。因为上述挑战的确存在，镁离子电池虽有着巨大潜力，但还有更多的不确定性。要提供令人信服的证据，要证明能量实际上是由金属氧化物正极储存和释放的，仍需要完成更多研究。我们的团队最近完成了一项研究，并建议科学界采取行动，使‘镁离子能够储能’这一结论令人信服。通过这样做，我们澄清了联合储能研究中心（Joint Center for Energy Storage Research）、阿贡其他地方以及其他机构在不到十年的时间里取得的重大突破，并期待着在这一进展的基础上再接再厉。
Q：除了镁以外，还有什么其他元素是我们应该关注的吗？
A：钙也是一种具有潜力的材料，具有与镁一样的很多优势，但初步研究证明钙是更具有移动性的离子。我们对钙的研究处于早期阶段，仍在探索许多开放性问题与科学挑战。
中国化学与物理电源行业协会 杨柳
2022.3.16
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