镁离子电池：从共同研究到二次电池的大规模应用。

多国合作

共同研究镁离子电池

锂离子电池可以说是当今最为常见的电池之一，但随着技术演进，总会有新的技术出现，而下一代潜力电池除了有钠离子电池、锌离子电池等电池，现在“镁离子电池”也受到关注。西班牙哥多华大学、中国厦门大学与保加利亚科学院携手合作，利用新的化合物为电化学储能系统开辟新的道路，其中锂离子电池虽然是电池龙头，但也有一些问题，包括电池材料集中在拉丁美洲、钴与锂金属的稀缺，再加上电池本身的安全性问题等。

所有电池都由阳极、阴极和电解质组成，三者间可发生会释放可用能量的化学反应。在此次研究中，研究人员使用金属镁作为阳极（电池的负极），因为金属镁比目前的锂离子电池的负极容量更大，而且不会产生枝晶（影响电池安全的沉积物，导致电池短路）。

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虽然金属镁可以使电池容量翻倍，但产生反应也更加困难。UCO研究员表示：“不是所有材料都可以和镁一起使用，且同时需要理论和实践的初步研究才能最终实现高效镁电池。”因此，有必要将镁金属与合适的阴极（电池的正极）结合起来。此次研究中的阴极材料是镁锰氧化物Mg2MnO4，能以稳定的结构呈现。该化合物会引起还原和氧化还原过程，并产生电池能量。在这个过程中，阴极金属（锰）被还原并释放电子给阳极金属（镁），阳极金属接收并氧化。而离子转移会通过连接阳极和阴极的电解质完成。在此次研究中，研究人员使用了一种非水电解质，可以在更高的电压下工作。

过去许多研究团队都在寻找新的电池替代材料，包括钠、钙、铝和镁，如今哥多华大学联合团队深入探索镁离子电池的可行性。镁离子电池跟锂离子电池一样，由阳极、阴极和电解质构成，具有成本低廉、不会生成晶枝、镁地球储量丰富、无毒性与储能性能较高优势。只是有鉴于镁活性高，并不是什么材料都可以跟镁“合作”，而团队研究的则是稳定性相对高的氧化物Mg2MnO4，利用氧化还原过程产生电能，最终电池电压可以达到3.1 V，代表实验室的电池能量密度为335 Wh/kg，大概是锂离子电池的60%。

关于二次电池

二次电池又称为充电电池或蓄电池，是指在电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继续使用的电池。利用化学反应的可逆性，可以组建成一个新电池，即当一个化学反应转化为电能之后，还可以用电能使化学体系修复，然后再利用化学反应转化为电能，所以叫二次电池（可充电电池）。目前市场上主要充电电池有镍氢电池、镍镉电池、铅酸（或铅蓄）电池、锂离子电池、聚合物锂离子电池等。那么与一次电池相比，又有哪些不同呢？

1、自放电能力

一次电池自放电能力远低于二次电池。同时它也只能放电一次，而二次电池可以反复循环放电。

2、环保

一次电池使用后就必须废弃，而二次电池可反复使用，符合国家标准的次世代二次电池通常可反复使用1000次以上，也就是说充电电池产生的废弃物不到一次电池的1000分之1，不论从减少废弃物还是从资源利用及经济的角度来考虑，二次电池的优越性都是十分明显。

3、内阻

一次电池内阻远大二次电池，其大电流放电性能亦不及二次电池。

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镁金属二次电池

镁金属二次电池并不是近些年才出现的概念。从以色列科学家多伦奥尔巴赫在2000年首次提出镁金属二次电池模型至今，该电化学体系已发展二十余年。青岛能源所固态能源系统技术中心研究员崔光磊解释说，镁金属二次电池是指以金属镁为负极的可循环电池，组成镁金属二次电池的核心是镁负极、电解液及能嵌入镁的正极材料。

金属镁具有极高的体积容量，是作为高体积能量密度电池负极的极佳选择。镁金属二次电池的工作原理与锂二次电池原理相同，但与锂二次电池相比更安全，其原因在于镁及多数镁化合物都是无毒或低毒的，且镁不如锂活泼，易于加工操作，同时也比锂安全；镁电池没有类似锂电池的枝晶生长问题；在价格方面，由于镁在地壳中的丰度更高，所以其价格较锂更便宜。

随着“双碳”战略的实施，新能源迎来跨越式发展。二次电池作为新能源领域被广泛应用的关键装备之一，其重要性受到各方的重视。近日，青岛能源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系列成果；崔光磊表示，尽管研究人员在储镁正极、导镁电解质、镁金属负极等关键材料方面已经取得了重要进展，但是镁金属二次电池还有诸多基础科学问题亟待克服，产业化应用也尚处于初期探索阶段。

具体而言，镁金属二次电池的开发主要面临两大瓶颈问题。一是镁电解质作为电池体系中的“血液”，起到在正负极之间传输镁离子的重要作用，它在电池体系内部直接与正负极材料接触，因此需要同时兼顾镁金属负极与高能储镁正极的特殊需求，这极大地限制了镁电解质组分的可选择范围，开发与正负极界面兼容性良好的新型镁电解质体系意义重大；二是因为二价镁离子不仅带有两个电荷，而且“个头小”，这既是镁离子能够在相同体积条件下存储更多电荷的奥秘，同时也造成了镁离子具有电荷密度大、极化作用强的特性。

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围绕上述镁电池待解的关键问题，在崔光磊的带领下，青岛能源所科研团队多年来开展了大量研究工作。针对镁电解质方面的问题，崔光磊研究团队通过大量的筛选测试和理论分析，确立了硼（铝）基镁盐的合成路线，开发出一系列高性能硼（铝）基镁电解质体系，其表现出优异的镁离子传输特性和镁金属负极兼容性。

目前在实际应用场景方面，该团队以中国科学院深海智能技术先导专项为牵引，已突破了镁金属二次电池制作工艺上的关键技术瓶颈，开发出能量密度560瓦时/千克的单体电池。基于该单体电池设计组装的镁硫电池系统，不仅顺利通过了深海高压环境的模拟打压测试，而且已经跟随中国科学院深海所科考船，在南海实现了深海环境下连续30小时的稳定工作，成功实现了镁金属二次电池的示范应用。

锂电池or镁电池

安全生都是第一位

无论是锂电池还是美电池：除了寿命，续航以及充电速度等因素，最重要的，还是要更加安全，才能保障使用者的安全，而这个因素在生产电池的时候就已经开始产生作用了—

比如针对电池的完全烘烤：

真空隧道干燥系统

真空隧道干燥系统一般用于圆柱锂离子电池的批量烘烤生产，全自动运行。采用国际先进的真空隧道烘烤工艺，保证电池烘烤的一致性，兼顾清洁生产与设备易检点维护；以及能够完全继承整套生产设备的手套箱：

锂电池手套箱是一个全密闭的腔体，把腔体内外的环境完全隔绝开，腔体的一面安装有视窗 和手套，操作人员通过手套对腔体内的物料进行操作：在操作前，对整个箱体抽真空，把箱体内空气完全抽掉，降低水氧含量至0.1ppm以下，然后填充惰性气体气体进行生产。