重慶大學鎂中心實驗室里正在進行試驗的鎂電池 本報記者 雍黎攝
目前，在鎂金屬的研究和加工方面我國已經處于領先水平，重慶大學國家鎂合金工程技術研究中心建有世界上最大的鎂電池研究團隊和鎂固態(tài)儲氫團隊，已開發(fā)多種鎂離子電池和儲氫密度高達6.1wt%、高安全性的新型儲氫材料。
隨著新能源汽車、手機、計算機等技術的發(fā)展，電池已經成為我們生活中的必需品。但鋰電池作為目前主要動力電源的電池，存在資源短缺、成本高、環(huán)境污染嚴重、安全性差等問題。作為鋰電池的重要原料，碳酸鋰的價格目前還未看到天花板。據報道，11月7日，無錫電子盤國內電池級碳酸鋰現(xiàn)貨平均價格為61.5萬元/噸，最高價為61.7萬元/噸。為此業(yè)界一直在尋找其他技術路線。
“后鋰電池”時代，哪種電池能夠替代鋰電池？近日，重慶大學國家鎂合金材料工程技術研究中心聯(lián)合廣東國研、廣東省科學院等單位合作完成的“鎂離子電池”項目榮獲2022年國際 “鎂未來技術獎”。這為鎂離子電池替代鋰電池增加了新的可能，也激發(fā)了業(yè)界新的期待。
鎂電池或將成為鋰電池替代者
據了解，全球鋰資源約為3950萬噸，而具備商業(yè)開采價值的鋰儲備量則僅為1351.9萬噸。若鋰電池需求量呈爆炸性增長，預計不到17年全球鋰資源就會用盡，這也是造成鋰電池成本高的原因之一。其儲能度電成本大致為0.6—0.9元/千瓦時，這距離規(guī)模應用的目標成本0.3—0.4元/千瓦時也還有較大差距。同時，能量密度越高安全性越差是目前鋰電池很難解決的問題。此外，一些鋰電池體系生產與使用過程中環(huán)境污染較嚴重。
發(fā)展新一代高效環(huán)保安全電池已成為全球電池產業(yè)發(fā)展的重點。氫燃料電池、硫系全固態(tài)電池、鈉離子電池、鎂離子電池……科學家們不斷探索著鋰電池的替代品。
“鎂電池具有高效、安全、資源豐富等特點，一旦技術突破，將成為電池工業(yè)的顛覆性革命，市場可達萬億元以上。”中國工程院院士、國家鎂合金材料工程技術研究中心主任、重慶大學教授潘復生在接受科技日報記者專訪時表示，相比于鋰，鎂基儲能材料具有資源儲量豐富、成本低和安全性能高的優(yōu)勢，是極具潛力的新一代儲能材料，也是環(huán)保且高能量密度的電池材料。
潘復生進一步解釋，鎂材料具有較為穩(wěn)定的化學性質，其熔點高達651攝氏度，鎂電池相對安全，熔沸點較高并且不容易出現(xiàn)鎂枝晶，不易發(fā)生爆炸等危險。
鎂是所有固態(tài)儲氫材料中，儲氫密度最高的金屬材料，可達氣態(tài)氫密度的1000倍，液態(tài)氫的1.5倍。同時由于鎂儲氫是常溫常壓，所以安全性遠高于高壓氣態(tài)和液態(tài)儲氫。鎂電池體積理論能量密度和鋰電池相當。我國鎂資源豐富，占到全球的70%，且鎂成本只有鋰的1/25—1/50。在環(huán)保方面上，2015年之后，鎂在冶煉、制造、應用及回收過程中，污染排放都小于鋁合金，已經成為真正的先進綠色材料。
據了解，鎂電池已被歐盟確定為研究項目；美國能源部也開始安排項目，支持一批著名研究單位介入研究；日本電池行業(yè)認為，鎂電池可能成為鋰電池的顛覆者。
從電池三大組件入手攻堅克難
鎂電池要從實驗室走進實際應用，還有許多技術以及材料方面的難題需要攻克。
“電池主要由三部分組成：正極、負極和電解液，我們的研究主要也是從這三個方面入手。”重慶大學材料科學與工程學院教授黃光勝介紹，在正極材料方面，他們研發(fā)了高容量的復合硫材料，比容量高達到1200毫安時/克（mAh/g）；高倍率的多孔硫化銅納米球，比容量能夠達到250mAh/g；長壽命高電壓錳基普魯士藍材料，能夠實現(xiàn)3伏（V）電壓，循環(huán)壽命達1萬次。在負極材料方面，他們研究了十幾種鎂合金負極，具有不易鈍化、比容量大于500mAh/g等優(yōu)勢；人工界面層保護金屬鎂負極，過電勢僅50毫伏 （mV）。在電解液方面，2020年他們研發(fā)了一種全新的低成本全無機鹽型電解液MLCH，這種電解液具有高電導率和穩(wěn)定性；同時，團隊還研發(fā)了具有高電壓、低成本特點的非親核硼基電解液，成功實現(xiàn)了正極、電解液等關鍵材料的批量試制，開發(fā)出安時級鎂軟包電池。
電池三大關鍵組成部分的技術重要進展，為鎂電池走出實驗室、走向應用打好了基礎。
在重慶大學鎂中心實驗室，記者看到數(shù)顆鎂電池正在進行充放電試驗。黃光勝介紹，試驗結果表明，他們研發(fā)的鎂—普魯士藍電池、鎂硫電池、鎂硫化銅電池、鎂二氧化釩電池的能量密度均已經高于磷酸鐵鋰電池，特別是鎂硫電池，能量密度達到了785瓦時/千克 （Wh/kg），而石墨—磷酸鐵鋰電池僅為160Wh/kg。
“目前，我們已經擁有鎂空氣電池、海水激活電池，鎂干電池等一系列電池的制造技術。”黃光勝介紹，鎂空氣電池屬于一次鎂燃料電池的一種，陰極使用的是空氣，通過陰陽極氧化還原反應放電，是一種清潔、安全、高效的新型能源電池，其能量密度是鉛酸電池的20倍以上，可為電視、照明燈、便攜電腦、手機及GPS等設備供電。目前，他們已經與企業(yè)合作開始批量生產。
鎂海水激活電池是直接利用海水，將金屬鎂的化學能轉化為電能的裝置，它以鎂為負極材料并以海水為電解質，其最突出的特點就是不需要另外攜帶電解質，并且具有能量密度高、安全性好、可進行全海深工作的優(yōu)點，在深海著陸器、深海原位實驗站等海洋裝備領域具有很好的應用前景。
打造新型儲能科技創(chuàng)新平臺
“在鎂儲氫、鎂電池研發(fā)上，我國具有顯著的技術基礎和優(yōu)勢。”潘復生指出，在鎂金屬的研究和加工方面我國已經處于領先水平，重慶大學國家鎂合金工程技術研究中心擁有世界上最大的鎂電池研究團隊和鎂固態(tài)儲氫團隊，已開發(fā)多種鎂離子電池和儲氫密度高達6.1wt%、高安全性的新型儲氫材料，其主要指標均處于世界領先水平。2018—2019年，重慶大學、重慶市科技局聯(lián)合投入2000多萬元支持鎂儲能材料研究。
2020年，廣東省國研科技研究中心有限公司、重慶大學、廣東省科學院等聯(lián)手開展總投入5億元的鎂儲能材料研究開發(fā)項目，在粵港澳大灣區(qū)建立了鎂基儲能研發(fā)中心及產業(yè)化應用示范基地，鎂電池與鎂基固態(tài)儲/運氫即將進入試制和示范應用。
今年5月，重慶大學與重慶兩江新區(qū)聯(lián)合共建重慶新型儲能材料與裝備研究院（以下簡稱研究院）。研究院瞄準國家能源戰(zhàn)略和能源轉型前沿技術，聚焦科技成果轉化，目標建成世界最大的新型儲能材料與裝備研究院。
據了解，安徽青陽縣擁有豐富的鎂礦資源，原鎂年產高達30萬噸，具有良好的鎂基材料開發(fā)及制備基礎。研究院擬在“鎂能小鎮(zhèn)”開展一系列鎂電池示范項目，開發(fā)電瓶車、路燈、旅游車及分布式儲能系統(tǒng)。重慶廣陽島項目則擬在廣陽島開展電瓶車、鎂電池路燈、固態(tài)儲氫加氫站以及氫能車等多項鎂儲氫及鎂電池的示范項目。
“今年我們將啟動對鎂動力電池中試，和企業(yè)合作，先讓電動自行車用上鎂電池。”潘復生透露，目前鎂電池的性能已經達到磷酸鐵鋰電池的水平，這就說明鎂電池已經具備作為動力電池商用的可能。當然取代鋰電池還需要更進一步的研究，對此，他們也啟動了重慶新型儲能材料與裝備研究院全球人才招募行動，共同打造儲能科技創(chuàng)新平臺，助力我國新型儲能領域的發(fā)展。
