【科普系列】镁电池简介

曾静材料工程 2021-05-08

近年来，随着能源危机与环境污染问题的日益加剧，减少化石能源的使用、大力发展新型可再生能源的趋势势不可挡。可充电电池作为一种重要的电化学储能设备，目前在大型储能和便携式电子设备中应用广泛，其中最具有代表性的当属锂离子电池。锂离子电池虽然能量密度高（200 Wh•kg^-1），但是锂资源的相对匮乏以及在全球分布不均导致其价格昂贵，并且也存在潜在的由锂枝晶引起的安全性问题，这些问题限制了锂离子电池的进一步发展。因此，开发低成本、高安全性、高能量密度的电化学储能设备对于未来储能的发展至关重要。

镁电池是一种近年发展起来的极具潜力的新型二次电池。与锂离子电池组成类似，镁电池主要由正极、负极、隔膜和电解液四部分组成。如图1所示，以放电过程为例，一般地，金属镁在负极侧发生溶解反应生成Mg²⁺溶于电解液中，Mg²⁺迁移至正极侧发生嵌入反应，电子则由外电路从负极迁移至正极完成整个放电反应。充电过程则与之相反。与锂离子电池相比，镁电池有很多优点：（1）镁资源在地壳和海洋中的储量丰富，价格比锂便宜得多，并且我国的镁资源储量高居世界第一，镁资源的开发利用对我国发展具有重大战略意义；（2）镁金属作为负极，是两电子反应，具有很高的质量能量密度（2205 mAh•g^-1），其体积能量密度（3833 mAh•cm^-3）更是高于锂（2046 mAh•cm^-3），同时镁具有比较负的电极电位（— 2.37 Vvs SHE），因此以镁为负极时电池会具有较高的工作电压，这有利于提高电池的能量密度；（3）不同于锂金属，镁在沉积时倾向于形成二维和三维的结构，因此镁金属负极比锂金属负极具有更高的安全性。

图1 镁电池的工作示意图

尽管镁电池的研发时间较早，但目前仍处于发展的初级阶段，电解液和正极材料是限制其发展的两大关键原因。虽然Mg²⁺（0.072 nm）与Li⁺（0.076 nm）具有相近的离子半径，但Mg²⁺带两个正电荷，因此Mg²⁺具有更高的电荷密度。这使得Mg²⁺在固相材料中扩散时受到更强的库仑排斥作用，且在扩散过程中难以维持局域电中性平衡，因此Mg²⁺在固相中的扩散非常困难，导致镁电池在电解液和正极方面面临着严峻的挑战。在电解液方面，传统电解液会与镁负极反应并在镁负极表面生成固体电解液界面（SEI），但与锂离子电池中的SEI不同，镁电池中的大部分SEI不能够传导Mg²⁺，这导致金属镁不能在镁负极侧完成可逆的溶解/沉积行为，因此需要开发新的电解液体系，如格式试剂体系等。在正极方面，Mg²⁺缓慢的扩散动力学导致适合镁电池的电极材料少，并且性能不够理想。自2000年以色列Bar-Ilan University的Doron Aurbach课题组开发出第一个可充镁电池模型（Mo₆S₈|| Mg(AlCl₂BuEt)₂-THF || Mg）以来，关于可充电镁电池的研究逐渐增多，也取得了一定的研究成果,然而距离可充电镁电池实现实际应用仍然要有很长的一段路要走。