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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

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-03-17
 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

 
关于我们:中国化学与物理电源行业协会(China Industrial Association of Power Sources,缩写:CIAPS) 是由电池行业企(事)业单位自愿组成的全国性、行业性、非营利性的社会组织。协会成立于1989年12月,现有530多家会员单位,下设碱性蓄电池与新型化学电源分会、酸性蓄电池分会、锂电池分会、太阳能光伏分会、干电池工作委员会、电源配件分会、移动电源分会、储能应用分会、动力电池应用分会和电池隔膜分会等十个分支机构。
本会专业范围包括:铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、氢镍蓄电池、锌锰碱锰电池、锂一次电池、锂离子电池、太阳电池、燃料电池、锌银电池、热电池、超级电容器、温差发电器及其他各种新型电池、电池系统解决方案,以及各类电池用原材料、零配件、生产设备、测试仪器和电池管理系统等。

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