镁金属二次电池向大规模应用迈进

记者最近几天从中科院青岛生物能源与过程研究所获悉，该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了一系列成果该系列成果最近发表在国际权威期刊《华英》，《德国先进材料》和《先进能源材料》上

极具潜力的镁金属二次电池

镁二次电池并不是近几年的新概念自2000年以色列科学家Doren auerbach首次提出镁金属二次电池模型以来，电化学系统已经发展了二十多年青岛能源学院固态能源系统技术中心研究员崔光磊解释，镁金属二次电池是指以金属镁为负极的可回收电池镁金属二次电池的核心是镁负极，电解液和能嵌入镁的正极材料

根据介绍，金属镁具有极高的体积容量，是高体积能量密度电池负极的极佳选择镁二次电池的工作原理与锂二次电池相同，但比锂二次电池更安全原因是镁和大多数镁化合物无毒或低毒，镁的活性不如锂，易于加工操作，比锂更安全镁电池没有类似锂电池的枝晶生长问题，在价格上，镁比锂便宜，因为它在地壳中的丰度更高

伴随着双碳战略的实施，新能源迎来了跨越式发展作为新能源领域广泛应用的关键设备之一，二次电池的重要性已经受到各方的关注

崔光磊表示，虽然科研人员在镁储能正极，镁导电电解质，镁金属负极等关键材料方面取得了重要进展，但镁金属二次电池仍有许多基础科学问题需要攻克，产业化应用仍处于初步探索阶段。

具体来说，镁金属二次电池的发展主要面临两个瓶颈崔光磊表示:第一，镁电解液作为电池系统中的血液，在正负极之间起着输送镁离子的重要作用它与电池体系内部的正负极材料直接接触，需要同时兼顾镁金属负极和高能镁储能正极的特殊要求，极大地限制了镁电解质组分的可选范围开发一种与正负极具有良好界面相容性的新型镁电解质体系具有重要意义二是因为二价镁离子不仅带两个电荷，而且体积小，这就是镁离子在相同体积下可以储存更多电荷的奥秘，同时镁离子具有电荷密度高，极化强的特点但强极化会使镁离子受到阴极材料晶格中较大的库仑力效应的约束，导致镁离子扩散速度变慢因此，常见的镁金属二次电池的嵌入式正极材料普遍表现出较差的可逆脱嵌能力，因此被开发出来

解决镁金属二次电池研发的系列问题。

围绕上述镁电池需要解决的关键问题，在崔光磊的带领下，青岛能源研究院的研究团队多年来开展了大量的研究工作。

针对镁电解质存在的问题，崔光磊研究团队通过大量的筛选试验和理论分析，确立了硼基镁盐的合成路线，开发了一系列高性能的硼基镁电解质体系，表现出优异的镁离子传输特性和镁金属阳极相容性。

崔光磊说，研究人员通过镁金属阳极界面优化项目，进一步扩大了镁电解质组分的可选范围，大大提高了各种镁电解质体系与镁金属阳极的界面相容性研究团队还深入分析了镁金属阳极界面的微观电化学反应过程，实现了镁金属沉积/溶解行为的高效调控，为镁金属阳极的高效和循环利用奠定了重要的理论基础

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性特点，科研人员还基于技术中心多年的固体锂电池技术积累，设计开发了多种基于聚合物的单离子导体概念的固体镁电解质体系该体系在室温下表现出优异的镁离子传输性能和正负电极间的界面相容性科研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度范围，长循环工作，为研发适用于地下资源勘探，空间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，针对镁储存正极材料存在的问题，研究团队重点研究了高比容量的转换正极

崔光磊认为，在众多正在研究的新兴电池技术中，镁二次电池以其高体积能量密度，高安全性，高自然丰度，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，研究团队和合作伙伴在镁金属二次电池领域发表了30余篇高影响力SCI论文，申请了十余项相关专利，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，团队在中科院深海智能技术先导专项的指导下，突破了镁金属二次电池制造过程中的关键技术瓶颈，研发出能量密度为560瓦时/千克的单体电池基于单体电池设计组装的镁硫电池系统，不仅成功通过了深海高压环境下的模拟压力测试，还跟随中科院深海所科考船，实现了在南海深海环境下稳定工作30小时，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在筹备中

崔光磊表示，镁二次电池的大规模应用虽然还处于探索的初级阶段，但在提高安全性，降低成本，缓解二次电池污染等方面潜力巨大，有望在多个应用场景中部分替代锂电池或铅酸电池。