国外镁电池最新发展

熊碧云

（中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384）

1 镁电池原理与结构

镁电池是以镁为主要原料的新型高性能环保电池。镁是一种活泼轻金属，与锂处于对角线位置，其化学性质和离子半径与锂有很多相似之处。与锂相比，镁虽然电极电位较高[锂为－3.03 V，镁为－2.37 V(酸性)、－2.69 V(碱性)]、理论比容量相对较低(锂为3 862mAh/g，镁为2 205mAh/g)，但价格低廉、对环境友好、熔点高(649℃)、易加工处理、安全性更高，因此以镁作为负极的镁电池成为了一种新型电池体系的研究热点。镁还是地球上储量最丰富的金属元素之一，具有良好的机械性能、物理和化学性能，被广泛应用于多种领域。金属镁的活性非常大，并且蕴含巨大能量。科学家正在拓宽他们的新能源思维，将目光锁定在金属镁，认为它有可能成为新能源的一种替代品。他们正试图寻找更好的办法，从金属镁中分解出能量。据估算，海水当中的氧化镁至少够全世界消耗30万年。我国镁资源非常丰富,具有开发镁电池独特的优势。

其中，镁锰电池与普通锌锰电池相似，随时可以放电；镁储备型电池在干燥状态下可长期储存，临用时加水使之活化即可使用。

2 镁电池优势及用途

随着世界各国能源资源的日益短缺，而对能源的需求量日益增加，寻求一种新能源的课题就摆在我们面前。同时，由于人们对环保的要求越来越高，因而这种新能源必须是无污染、能量高、体积小、质量轻、价格低廉的一种新产品电池。镁电池在造价同等的情况下与目前的高倍电能电池相比较使用时间超过了10倍。除了电能以外还在几个方面有着独特的优势：无污染——Mg-MnO2电池从原材料(所有的原材料)到生产过程直至电池使用完后变成废弃物对环境无任何污染，可以称为绿色电池；贮存寿命长；比能量高；工作温度范围宽——一般的干电池推荐使用温度范围为－5～45℃，而Mg-MnO2电池在－20～60℃下工作正常；性价比高——做出同型号的电池，虽然Mg-MnO2电池的成本是碱性电池的1.1倍，但性能却优异得多；大电流放电性能好；放电电压平稳等。

镁电池目前主要供军事通信和气象测候仪、海难救生设备和高空雷达仪等使用，未来在可移动电子设备电源、自主式潜航器电源、海洋水下仪器电源和备用电源等方面，也具有非常广阔的应用前景。

3 各国镁电池最新发展

美国

美国麻省理工学院材料科学家几年前发起了材料基因组计划，利用计算机技术分析和预测“在整个已知的化学世界中的材料性能”。他们系统地分析了各种化合物用作电池材料的可能性，2009年参与创办了Pellion科技公司，已经确定了镁离子电池的阴极材料。更为重要的是，它可以利用现有的锂离子电池制造工艺。专家认为“如果你要发明一种新材料取代现有的材料，可能需要花5～10年时间，但是如果你还需要发明一种新的制造工艺，那就要花上10～20年时间”。因此，利用现有工艺大大缩短了镁电池量产的时间。美国能源部先进研究计划署近期宣布：作为麻省理工学院衍生公司的美国Pellion Technologies正研发高能密集可充电镁电池，有潜力突破当前各种电动和混合电动汽车的储能技术。与目前普遍使用的锂电池相比较，镁电池成本更低，效率更高并更加符合一个新倡导的理念——安全性。Pellion Technologies将大量进行计算材料设计，并加快材料合成和电解质优化，以鉴定出新的高能密集镁阳极材料以及可兼容的电解化学材料。如果成功，该项目有望研发出首个量产型镁电池。

根据美国能源部能源技术实验室 (NETL)的一项报告显示，较其他电池而言，镁电池性能优越，为理想替代品。镁价格相对价低，镁锂合金安全性高且质量较轻，其化合物通常无毒。该报告表示，镁为双电子，其电化学性质和锂相似，为12 g/F，锂为7 g/F，钠为23 g/F，镁电池的理论比容量为2 205 Ah/kg，为理想的高比容量电池系统。合适的设计构造可使得镁电池的放电量在0.8～2.1 V的开路电压中达到400～1 100Wh/kg，为理想的智能电网储存系统和固定的备用能源。为促进镁电池的实际应用，NETL的研究院正在研发新型的镁系合金，加入钙、锌和钇。这些合金将以熔铸和粉末冶金等方式生产。

美国加州理工大学的研究人员利用镁燃料和液体反应生成氢气，后者可作为燃料电池的能源，反应生成的氧化镁则是一种相对无害的物质。

日本

日本丰田汽车公司正在研发一种新型镁电池，该电池蓄电量为现有锂电池的2倍。该公司人员表示，丰田位于美国密歇根州安娜堡的科研中心正在研制一种新型镁-硫电池，作为对日本实验室未来化学电池研究的补充。装配镁电池或其他材料电池的汽车或将于2020年上市。公司人员透露，该公司正从事镁离子电池技术开发工作，蓄能水平达到锂电池的两倍，可为电动车提供更优越的动力源，为丰田在日本的未来电池材料项目提供技术支持与补充。

日本东京理工大学的研究人员指出，虽然自然界中镁的含量非常丰富，但镁的提取和制造成本很高，实际操作中还会产生不小的碳排放。镁有很多的工业制造方法，比如电解和一种被称为皮江法(Pidgeon Process)的高温提镁工艺，但是这类方法耗能巨大，生产1 kg的镁大致需要消耗10 kg的煤。为了改进这一流程，研究人员研发出了一种只利用可再生能源的工艺，方法是利用高强度太阳能产生激光，从而以极高的温度燃烧海水，从中提取出氧化镁。研究人员解释称，利用太阳能产生激光是必须的，因为仅靠太阳能无法产生3 700℃的高温，而这个温度是提取海水中氧化镁的必备条件。这一方法被命名为“镁注射循环”。纯净的镁可以作为一种燃料(其能量密度大致是氢气的10倍)。镁和水混合在一起会产生热量，将水加热为水蒸气，便可通过推动涡轮等方式供能。反应还会产生氢气，燃烧后可以生成更多的能量。最终反应的产物是水和氧化镁，可以通过激光再次转化回来。当然，这一工艺也并非十全十美，主要问题集中在太阳能收集器通常非常巨大，并且造价不菲。除此之外，太阳能产生的激光通常功率比较低。研究人员采用的对策是使用较小的菲涅耳透镜，这是一种透明、相对较薄的、由同心环棱镜构成的平面反光镜。这种镜子常被安装在灯塔之上，用以放大光线。另一个手段就是大幅提升激光材料——掺钕钇铝石榴石的能量输出。这种物质普通情况下只能吸收入射光线中7%的能量，但涂上铬之后这一数字会飙升至67%。目前三菱公司已经与其合作，在日本千岁地区建立了一个示范工厂。这座工厂中的激光设备能够产生80W的功率，足以分解出海水中70%的镁。据透露，当激光能够产生400W功率的时候，“镁注射循环”就可以大范围商用。

日本蓄电池厂商古河电池(Furukawa Battery)的一项镁燃料电池科技已经实现商业化，主要利用海水作为电解液产生电量。此项技术是由古河电池和日本东北大学合作开发。之前镁一直被认为是燃料电池触媒，但是一直受易燃烧以及被电解质溶解等问题困扰。日本东北大学称已经通过使用镁阻燃剂解决易燃问题，后者是由日本国家先进工业科技研究机构的一项独立研究项目来研发。协助开发此项技术的研究人员称，现在已经可以在每个家庭中实现低成本的应急电源安装。每个镁燃料电池都有电解液，并通过化学反应产生电量。电解液携带由一个电极传递至另一个电极的带电粒子。目前传统电解液主要是可溶无机盐、熔融碳酸盐、磷酸、质子交换膜和固体氧化物。电解液的选择对于追求高效科技的燃料电池开发商来说是主要的限制。通过使用盐水电解液系统，古河电池希望将电池价格降低至传统铅酸蓄电池成本的一半。如果成功，通讯和医疗保健行业等都会有镁电池产品的出现。

以色列

以色列巴尔-艾兰大学开发出一种可充电镁电池，它可重复使用数千次之多，而容量衰退很低。实验室测试表明，电池可反复充电达3 000多次，单一电池可提供1.1～1.3 V电压，其能量密度堪与现有电池相比。可充电镁电池的能量密度可提升50%，电压可达15V。理论比能量大于200Wh/kg。电池无毒、不易爆炸、自放电率低并可在高温下工作。电池工作温度为－20～60℃。新型镁电池可产生2倍于铅酸电池的能量。

以色列希伯来大学的研究者也发明出了一种以镁为基础的可充电电池，这种电池寿命长且比较稳定。

以色列科学家还研制出一种使用金属镁作为正极的小型充电电池，并在继续开发高性能、低成本、安全环保的大型充电镁电池。历来研制镁充电电池有两大技术障碍：一是普通电解液容易使镁电极板表面生成钝化层，进而大大降低电池性能；二是难以找到合适的材料充当电池负极。不过，这两个难题已被以色列科学家克服。他们采用镁有机环铝酸盐溶液作为电解液，用硫镁化合物作为负极，成功地制造出一个小型可充电的镁电池，能输出1.3 V的电压。

加拿大

加拿大不列颠哥伦比亚省能源公司MagPower的工程师们研究出了一种新颖的方法。他们用水和空气与镁燃料发生反应，以镁作为金属阳极制造出了一种新型的金属燃料电池。

4 展望

专家认为，从理论上讲，镁电池可供提高的研究发展空间，远远超过锂电池，如果能实现镁电池一半的理论容量，将会是一场新的能源利用方式的革命，故能开发出实用的镁电池，其意义将超过现在的锂电池。由于镁金属材料价格并不昂贵，来源相对较难枯竭，如果采用氢离子附着镁离子的MgH2材料，则放电量可以翻倍。另外，镁离子电池能量密度很高，甚至超过了聚合物电解质电池。从电池容量角度考虑，两者差距不大。而从储蓄能量密度角度考虑，镁离子电池拥有明显优势。可以说，镁电池是迄今为止最具有理论前景的适用电动汽车的绿色蓄电池。当然，镁合金作为金属燃料电池或其它水溶液电解质体系电池的负极材料，还需开发合适的合金体系以及寻找减缓镁合金自腐速度的添加剂以重点减少其负差效应。

分析人士认为，虽然现在镁电池项目还没有走出实验室，还处于研发阶段，估计最少还要10年时间，但相信随着研究的不断深入，镁电池最终有望在新能源技术中发挥重要作用[1-2]。

[1] 吕鸣祥.化学电源[M].天津：天津大学出版社，1992：258-261.

[2] 李国欣.新型化学电源技术概论[M].上海：上海科学技术出版社，2006.