盡管鋰離子電池可以為手機、筆記本電腦和電動汽車提供動力，科學家們仍在尋找新的電池化學物質，為電池提供更高的能量、更高的穩定性和更長的使用壽命。鎂是一種潛在的有希望的元素，它可能構成新電池的基礎。
阿貢化學家Brian Ingram致力于鎂離子電池研究。在他來看，鎂離子電池終有一天會在未來提供動力方面發揮重要作用。
鎂或成為超越鋰離子技術的新電池的基礎。（照片由Shutterstock/tunasalmon提供）
Q：我們為什么需要超越鋰離子電池呢？
A：鋰離子電池可以滿足當今對個人電子和電動汽車等許多應用。然而，隨著儲能在其他應用上的持續發展，特別是未來脫碳方面，儲能將面臨新技術與成本方面的挑戰，這要求我們尋找更低廉的電池、更好的供應鏈、更快的充電速度、更長時間的放電，提供安全性能并延長電池生命周期。作為電池研究人員，我們需要開發不同種類的電池，以滿足不同的應用需求，允許市場選擇合適的技術，并使更好的材料供應鏈成為可能，防止電池大規模生產而導致更高的成本。
Q：鎂離子電池有可能克服哪些挑戰呢？
A：在交通領域，目前用于個人車輛上的鋰離子電池面臨兩項挑戰。首先，可持續性影響和鈷等元素的數量限制了其可擴展性；其次，將儲能擴展到長途卡車、鐵路、海運以及航空領域將需要比鋰離子更高的能量密度。從鋰離子電池轉向低成本、更可持續、高性能電池將提高儲能的選擇。
Q：鎂離子的優勢是什么？
A：鎂離子電池在儲能上是一種具有潛力的化學物質。鎂電池具有潛在優勢，因為鎂具有更加穩定的供應鏈，具有可持續性，原材料成本或許低于先進鋰離子電池。
Q：是什么使鎂離子電池不同于鋰離子電池？
A：鎂離子的理論能量密度至少是與鋰離子電池相當的，然而有可能實現比鋰更高的能量密度，因為每個鎂離子上的電子都是鋰離子的兩倍。鎂也是比鋰更豐富的元素，有助于建立更穩定的供應鏈。
Q：鎂離子電池是如何工作的？
A：原則上，鎂離子電池的功能與目前的鋰離子電池非常相似。鎂離子在陽極（由鎂金屬制成）與陰極（由金屬氧化物材料制成）之間移動。使電子繞著外部電路快速移動，提供電力。
Q：鎂離子電池有什么缺點嗎？又會面臨什么挑戰呢？
A：不幸的是，鎂離子電池在成為鋰離子電池的商業競爭對手之前，面臨一些科學方面與技術方面的挑戰。這些挑戰基本上來自鎂是攜帶大量電荷的小離子這一現實。這會導致鎂離子與周圍材料發生許多不必要的相互作用。
例如，將鎂從電解液轉移到固體電極需要更多的能量，通常會導致“寄生”反應與儲存電荷的過程之間的競爭，從而限制了電池的壽命。此外，鎂在所有材料中的移動都比鋰遲緩。因此，充電速度也受到限制。我們仍舊在尋找克服這些困難的方法，這就是研究的意義所在。
Q：鎂離子電池將意味著什么？
A：現在說這個還為時尚早，但還需要更多的研究。因為上述挑戰的確存在，鎂離子電池雖有著巨大潛力，但還有更多的不確定性。要提供令人信服的證據，要證明能量實際上是由金屬氧化物正極儲存和釋放的，仍需要完成更多研究。我們的團隊最近完成了一項研究，并建議科學界采取行動，使‘鎂離子能夠儲能’這一結論令人信服。通過這樣做，我們澄清了聯合儲能研究中心（Joint Center for Energy Storage Research）、阿貢其他地方以及其他機構在不到十年的時間里取得的重大突破，并期待著在這一進展的基礎上再接再厲。
Q：除了鎂以外，還有什么其他元素是我們應該關注的嗎？
A：鈣也是一種具有潛力的材料，具有與鎂一樣的很多優勢，但初步研究證明鈣是更具有移動性的離子。我們對鈣的研究處于早期階段，仍在探索許多開放性問題與科學挑戰。
中國化學與物理電源行業協會 楊柳
2022.3.16