◎本報記者 王健高 實習記者 宋迎迎 通 訊 員 劉 佳 杜奧冰

近日，記者從中國科學院青島生物能源與過程研究所（以下簡稱青島能源所）huoxi，gaiyanjiusuogutainengyuanxitongjishuzhongxinweiraomeidianchizhongdeguanjiankexuewentikaizhanledaliangyanjiugongzuo
，zaimeijinshuercidianchiguanjiankexuewentihehexincailiaofangmianqudexiliechengguo，gaixiliechengguojinqifabiaozaiguojiquanweiqikan《德國應化》《先進材料》和《先進能源材料》上。

極具潛力的鎂金屬二次電池

鎂金屬二次電池並不是近些年才出現的概念。從以色列科學家多倫·奧爾巴赫（Doron Aurbach）在2000年(nian)首(shou)次(ci)提(ti)出(chu)鎂(mei)金(jin)屬(shu)二(er)次(ci)電(dian)池(chi)模(mo)型(xing)至(zhi)今(jin)，該(gai)電(dian)化(hua)學(xue)體(ti)係(xi)已(yi)發(fa)展(zhan)二(er)十(shi)餘(yu)年(nian)。青(qing)島(dao)能(neng)源(yuan)所(suo)固(gu)態(tai)能(neng)源(yuan)係(xi)統(tong)技(ji)術(shu)中(zhong)心(xin)研(yan)究(jiu)員(yuan)崔(cui)光(guang)磊(lei)解(jie)釋(shi)說(shuo)，鎂(mei)金(jin)屬(shu)二(er)次(ci)電(dian)池(chi)是(shi)指(zhi)以(yi)金(jin)屬(shu)鎂(mei)為(wei)負(fu)極(ji)的(de)可(ke)循(xun)環(huan)電(dian)池(chi)
，組(zu)成(cheng)鎂(mei)金(jin)屬(shu)二(er)次(ci)電(dian)池(chi)的(de)核(he)心(xin)是(shi)鎂(mei)負(fu)極(ji)
、電解液及能嵌入鎂的正極材料。

據(ju)介(jie)紹(shao)，金(jin)屬(shu)鎂(mei)具(ju)有(you)極(ji)高(gao)的(de)體(ti)積(ji)容(rong)量(liang)
，是(shi)作(zuo)為(wei)高(gao)體(ti)積(ji)能(neng)量(liang)密(mi)度(du)電(dian)池(chi)負(fu)極(ji)的(de)極(ji)佳(jia)選(xuan)擇(ze)。鎂(mei)金(jin)屬(shu)二(er)次(ci)電(dian)池(chi)的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)與(yu)鋰(li)二(er)次(ci)電(dian)池(chi)原(yuan)理(li)相(xiang)同(tong)
，但(dan)與(yu)鋰(li)二(er)次(ci)電(dian)池(chi)相(xiang)比(bi)更(geng)安(an)全(quan)
，其(qi)原(yuan)因(yin)在(zai)於(yu)鎂(mei)及(ji)多(duo)數(shu)鎂(mei)化(hua)合(he)物(wu)都(dou)是(shi)無(wu)毒(du)或(huo)低(di)毒(du)的(de)，且(qie)鎂(mei)不(bu)如(ru)鋰(li)活(huo)潑(po)，易(yi)於(yu)加(jia)工(gong)操(cao)作(zuo)
，同(tong)時(shi)也(ye)比(bi)鋰(li)安(an)全(quan)；鎂電池沒有類似鋰電池的枝晶生長問題；在價格方麵，由於鎂在地殼中的豐度更高，所以其價格較鋰更便宜。

隨著“雙碳”戰略的實施，新能源迎來跨越式發展。二次電池作為新能源領域被廣泛應用的關鍵裝備之一

，其重要性受到各方的重視。

崔光磊表示，盡管研究人員在儲鎂正極、導鎂電解質、鎂(mei)金(jin)屬(shu)負(fu)極(ji)等(deng)關(guan)鍵(jian)材(cai)料(liao)方(fang)麵(mian)已(yi)經(jing)取(qu)得(de)了(le)重(zhong)要(yao)進(jin)展(zhan)，但(dan)是(shi)鎂(mei)金(jin)屬(shu)二(er)次(ci)電(dian)池(chi)還(hai)有(you)諸(zhu)多(duo)基(ji)礎(chu)科(ke)學(xue)問(wen)題(ti)亟(ji)待(dai)克(ke)服(fu)，產(chan)業(ye)化(hua)應(ying)用(yong)也(ye)尚(shang)處(chu)於(yu)初(chu)期(qi)探(tan)索(suo)階(jie)段(duan)。

具體而言，鎂金屬二次電池的開發主要麵臨兩大瓶頸問題。崔光磊表示，一是鎂電解質作為電池體係中的“血液”，qidaozaizhengfujizhijianchuanshumeilizidezhongyaozuoyong
，tazaidianchitixineibuzhijieyuzhengfujicailiaojiechu，yincixuyaotongshijiangumeijinshufujiyugaonengchumeizhengjideteshuxuqiu

，zhejidadixianzhilemeidianjiezhizufendekexuanzefanwei，kaifayuzhengfujijiemianjianrongxinglianghaodexinxingmeidianjiezhitixiyiyizhongda；二是因為二價鎂離子不僅帶有兩個電荷，而且“個頭小”
，這既是鎂離子能夠在相同體積條件下存儲更多電荷的奧秘
，同時也造成了鎂離子具有電荷密度大、極(ji)化(hua)作(zuo)用(yong)強(qiang)的(de)特(te)性(xing)，而(er)強(qiang)極(ji)化(hua)作(zuo)用(yong)會(hui)導(dao)致(zhi)鎂(mei)離(li)子(zi)在(zai)正(zheng)極(ji)材(cai)料(liao)晶(jing)格(ge)內(nei)部(bu)受(shou)到(dao)較(jiao)大(da)庫(ku)侖(lun)力(li)作(zuo)用(yong)的(de)牽(qian)製(zhi)，從(cong)而(er)造(zao)成(cheng)鎂(mei)離(li)子(zi)擴(kuo)散(san)速(su)度(du)緩(huan)慢(man)，因(yin)此(ci)鎂(mei)金(jin)屬(shu)二(er)次(ci)電(dian)池(chi)常(chang)見(jian)的(de)嵌(qian)入(ru)型(xing)正(zheng)極(ji)材(cai)料(liao)結(jie)構(gou)普(pu)遍(bian)表(biao)現(xian)出(chu)較(jiao)差(cha)的(de)可(ke)逆(ni)脫(tuo)嵌(qian)鎂(mei)離(li)子(zi)能(neng)力(li)，開(kai)發(fa)新(xin)型(xing)高(gao)效(xiao)儲(chu)鎂(mei)正(zheng)極(ji)材(cai)料(liao)迫(po)在(zai)眉(mei)睫(jie)。

解決鎂金屬二次電池研發係列難題

圍繞上述鎂電池待解的關鍵問題，在崔光磊的帶領下，青島能源所科研團隊多年來開展了大量研究工作。

針對鎂電解質方麵的問題，崔光磊研究團隊通過大量的篩選測試和理論分析
，確立了硼（鋁）基鎂鹽的合成路線，開發出一係列高性能硼（鋁）基鎂電解質體係，其表現出優異的鎂離子傳輸特性和鎂金屬負極兼容性。

崔cui光guang磊lei表biao示shi，研yan究jiu人ren員yuan通tong過guo鎂mei金jin屬shu負fu極ji的de界jie麵mian優you化hua工gong程cheng進jin一yi步bu拓tuo展zhan了le鎂mei電dian解jie質zhi組zu分fen的de可ke選xuan擇ze範fan圍wei
，極ji大da地di提ti升sheng了le多duo種zhong鎂mei電dian解jie質zhi體ti係xi與yu鎂mei金jin屬shu負fu極ji的de界jie麵mian兼jian容rong性xing。研yan究jiu團tuan隊dui還hai深shen入ru解jie析xi了le鎂mei金jin屬shu負fu極ji界jie麵mian處chu的de微wei觀guan電dian化hua學xue反fan應ying過guo程cheng，實shi現xian了le鎂mei金jin屬shu沉chen積ji/溶出行為的高效調控，為鎂金屬負極的高效
、循環利用奠定了重要理論基礎。

“除(chu)了(le)上(shang)述(shu)液(ye)態(tai)鎂(mei)電(dian)解(jie)質(zhi)體(ti)係(xi)
，為(wei)了(le)充(chong)分(fen)發(fa)揮(hui)鎂(mei)金(jin)屬(shu)電(dian)池(chi)的(de)高(gao)安(an)全(quan)特(te)性(xing)，研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)基(ji)於(yu)技(ji)術(shu)中(zhong)心(xin)在(zai)固(gu)態(tai)鋰(li)電(dian)池(chi)方(fang)麵(mian)多(duo)年(nian)的(de)技(ji)術(shu)積(ji)累(lei)，還(hai)設(she)計(ji)開(kai)發(fa)了(le)多(duo)種(zhong)單(dan)離(li)子(zi)導(dao)體(ti)概(gai)念(nian)的(de)聚(ju)合(he)物(wu)基(ji)固(gu)態(tai)鎂(mei)電(dian)解(jie)質(zhi)體(ti)係(xi)，該(gai)體(ti)係(xi)表(biao)現(xian)出(chu)優(you)異(yi)的(de)室(shi)溫(wen)鎂(mei)離(li)子(zi)傳(chuan)輸(shu)性(xing)能(neng)和(he)正(zheng)負(fu)極(ji)界(jie)麵(mian)兼(jian)容(rong)性(xing)。研究人員還成功製備了相應的固態鎂金屬二次電池器件
，實現了鎂金屬電池的寬溫區、長循環工作，為研發適應地下資源勘探、太空探索等極端工況的特種電源提供了充足的技術儲備。”崔光磊說，此外，針對儲鎂正極材料方麵的問題，研究團隊則重點關注具有高比容量特性的轉化型正極。

崔光磊認為
，在眾多在研的新興電池技術中
，鎂金屬二次電池憑借高體積能量密度
、高安全性、高自然豐度以及低成本等諸多優勢，成為“後鋰離子電池”時期極具發展潛力的電池體係之一。

目前，研究團隊及合作夥伴們已經在鎂金屬二次電池領域發表高影響力SCIlunwensanshiyupian，shenqingxiangguanzhuanlishiyuxiang，jibenxingchenglejuyouwanquanzizhuzhishichanquandemeijinshudianchihexinjishu。zaishijiyingyongchangjingfangmian，gaituanduiyizhongguokexueyuanshenhaizhinengjishuxiandaozhuanxiangweiqianyin，yitupolemeijinshuercidianchizhizuogongyishangdeguanjianjishupingjing，kaifachunengliangmidu560瓦時/qiankededantidianchi。jiyugaidantidianchishejizuzhuangdemeiliudianchixitong
，bujinshunlitongguoleshenhaigaoyahuanjingdemonidayaceshi，erqieyijinggensuizhongguokexueyuanshenhaisuokekaochuan，zainanhaishixianleshenhaihuanjingxialianxu30小時的穩定工作，成功實現了鎂金屬二次電池的示範應用。目前，更大的應用示範項目也正在籌備進行當中。

崔光磊表示，盡管鎂金屬二次電池的大規模應用還處於初期探索階段，但是其在提升二次電池的安全性、降低二次電池的成本、緩解二次電池的汙染等方麵都有重要潛力，有望在多個應用場景中部分替代鋰電池或鉛酸電池。