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开发新一代高效、环保、安全的电池已成为全球电池行业发展的焦点。氢燃料电池、硫基全固态电池、钠离子电池、镁电池……科学家们正在不断探索锂电池的替代品。本文将向您介绍镁电池的优点、应用和存在的问题。

 

新型镁电池材料

镁电池的工作原理

镁电池是以镁为阳极，一些金属或非金属氧化物为阴极的一次电池。镁电池是近年来发展起来的一种极具潜力的新型二次电池。与锂离子电池的组成类似，镁电池主要由四部分组成：阴极、阳极、隔膜和电解质。

如图所示，以放电过程为例，通常金属镁在阳极电极侧发生溶解反应，形成Mg2+，Mg2+溶解在电解质中。Mg2+迁移到阴极电极侧进行嵌入反应，并且电子从阳极电极从外部电路迁移到阴极，以完成整个放电反应。充电过程正好相反。

 

 

镁电池的主要类别

● 镁干电池

● 镁二次电池

● 镁固态电池

● 镁储备电池

● 镁燃料电池

● 镁空气电池

 

镁电池的优点

与锂电池相比，镁电池具有以下优点：

（1） 镁资源丰富。镁资源在地壳和海洋中丰富，价格比锂便宜得多。成本仅为锂的1/25-/150，可以使用数千年；

（2） 镁电池不易生长枝晶，安全性高；

（3） 镁及其化合物对环境无污染；

（4） 镁电池的理论能量密度与锂电池相当。作为阳极电极，金属镁是一种双电子反应，具有高质量能量密度（2205mAh·g-1），其体积能量密度（3833mAh·cm-3）甚至高于锂（2046mAh·cm/3）。

 

 

同时，镁具有相对的阳极电势（-2.37Vvs SHE），因此当镁用作阳极时，电池将具有更高的工作电压，这有利于提高电池的能量密度；

（5） 与锂金属不同，镁在沉积过程中倾向于形成二维和三维结构，因此镁金属阳极比锂金属阳极更安全。

（6） 镁的熔点和沸点（648°C/1170°C）高于锂，其化学性质相对惰性且易于加工；

镁阳极的比容量是现有商用锂电池阳极的6倍，达到2230mAh/g。普鲁士蓝镁阴极具有成本低、电压高、寿命长的特点。理论能量密度超过500wh/kg，有望取代磷酸铁锂。

 

镁电池的应用

最近，镁干电池仅被用作军事通信设备的电源。由于镁合金阳极难以形成的限制，镁干电池迄今尚未商业化和商业化。随着镁加工业的发展和镁合金电池板的成功开发，镁干电池的诞生将成为现实，这将给电池行业带来一场革命。镁二次电池被认为是一种新型的绿色电池，由于其安全性和价格因素，在重载应用中具有潜在优势，因此有望适用于电动汽车。

 

 

镁储备电池可用于航空航天、军事和生物医学，如水下推进、潜艇、浮标、导弹、航天器和生物微系统等。镁燃料电池作为一种高能化学电源，在移动电子设备电源、自主潜水器电源、船用水下仪器电源和备用电源等方面具有广阔的应用前景。镁空气电池是一种初级镁燃料电池。阴极使用空气，空气通过阴极和阳极的氧化还原反应排出。它是一种清洁、安全、高效的新能源电池。

它的能量密度是铅酸电池的20多倍，可以为电视、电灯、便携式电脑、手机、GPS等设备供电。目前，他们已经与企业合作开始批量生产。

 

镁电池发展面临的困难

镁电池还处于初步研究阶段，还有许多悬而未决的问题，这使得镁电池远远没有实用化。阻碍镁电池发展的主要问题如下：

（1） 由于镁的化学活性，在中性和酸性条件下，镁与水发生剧烈反应并释放氢气，降低了电极的利用率，给电池的组装带来了困难。

（2） 缺乏合适的非水介质来传导Mg；

（3） 由于镁离子的体积小、电荷密度高、极化强，很难插入大多数基质中，也很难形成嵌入的化合物。因此，可用的阴极材料是有限的。

（4） 轧制或挤压阳极镁合金的金相组织对电池的耐腐蚀性非常不利。随着对镁电池的深入研究，有望突破上述问题，开发出高性能、低成本、安全环保的镁电池。

 

 

未来对镁电池的研究主要应从以下几个方面着手：

（1） 提高阳极材料纯度，优化合金成分，开发高活性、低腐蚀率的镁合金；

（2） 以前的溶剂仅限于THF和乙醚，它们容易吸水，而且电池阳极不能在有水的环境中使用，因此应该找到安全廉价的溶剂；

（3） 在与阳极材料匹配的阴极电极嵌入材料方面，可以制造纳米管、棒或掺杂材料，还可以开发新的嵌入材料，如有机复合材料；

（4） 探索镁作为阳极电极材料的加工和成型方法，以提高镁电池的性能。

 

最后的想法：

以上是关于镁电池和需要改进的领域的介绍，我国镁资源储量居世界首位，镁资源的开发利用对我国的发展具有重要的战略意义；它有望在未来成为新一代最好的可充电电池。