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