記者最近幾天從中科院青島生物能源與過程研究所獲悉，該所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心圍繞鎂電池中的關(guān)鍵科學(xué)問題開展了大量研究工作，在鎂金屬二次電池關(guān)鍵科學(xué)問題和核心材料方面取得了一系列成果該系列成果最近發(fā)表在國際權(quán)威期刊《華英》，《德國先進(jìn)材料》和《先進(jìn)能源材料》上

極具潛力的鎂金屬二次電池

鎂二次電池并不是近幾年的新概念自2000年以色列科學(xué)家Doren auerbach首次提出鎂金屬二次電池模型以來，電化學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展了二十多年青島能源學(xué)院固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心研究員崔光磊解釋，鎂金屬二次電池是指以金屬鎂為負(fù)極的可回收電池鎂金屬二次電池的核心是鎂負(fù)極，電解液和能嵌入鎂的正極材料

根據(jù)介紹，金屬鎂具有極高的體積容量，是高體積能量密度電池負(fù)極的極佳選擇鎂二次電池的工作原理與鋰二次電池相同，但比鋰二次電池更安全原因是鎂和大多數(shù)鎂化合物無毒或低毒，鎂的活性不如鋰，易于加工操作，比鋰更安全鎂電池沒有類似鋰電池的枝晶生長問題，在價(jià)格上，鎂比鋰便宜，因?yàn)樗诘貧ぶ械呢S度更高

伴隨著雙碳戰(zhàn)略的實(shí)施，新能源迎來了跨越式發(fā)展作為新能源領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵設(shè)備之一，二次電池的重要性已經(jīng)受到各方的關(guān)注

崔光磊表示，雖然科研人員在鎂儲能正極，鎂導(dǎo)電電解質(zhì)，鎂金屬負(fù)極等關(guān)鍵材料方面取得了重要進(jìn)展，但鎂金屬二次電池仍有許多基礎(chǔ)科學(xué)問題需要攻克，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍處于初步探索階段。

具體來說，鎂金屬二次電池的發(fā)展主要面臨兩個(gè)瓶頸崔光磊表示:第一，鎂電解液作為電池系統(tǒng)中的血液，在正負(fù)極之間起著輸送鎂離子的重要作用它與電池體系內(nèi)部的正負(fù)極材料直接接觸，需要同時(shí)兼顧鎂金屬負(fù)極和高能鎂儲能正極的特殊要求，極大地限制了鎂電解質(zhì)組分的可選范圍開發(fā)一種與正負(fù)極具有良好界面相容性的新型鎂電解質(zhì)體系具有重要意義二是因?yàn)槎r(jià)鎂離子不僅帶兩個(gè)電荷，而且體積小，這就是鎂離子在相同體積下可以儲存更多電荷的奧秘，同時(shí)鎂離子具有電荷密度高，極化強(qiáng)的特點(diǎn)但強(qiáng)極化會使鎂離子受到陰極材料晶格中較大的庫侖力效應(yīng)的約束，導(dǎo)致鎂離子擴(kuò)散速度變慢因此，常見的鎂金屬二次電池的嵌入式正極材料普遍表現(xiàn)出較差的可逆脫嵌能力，因此被開發(fā)出來

解決鎂金屬二次電池研發(fā)的系列問題。

圍繞上述鎂電池需要解決的關(guān)鍵問題，在崔光磊的帶領(lǐng)下，青島能源研究院的研究團(tuán)隊(duì)多年來開展了大量的研究工作。

針對鎂電解質(zhì)存在的問題，崔光磊研究團(tuán)隊(duì)通過大量的篩選試驗(yàn)和理論分析，確立了硼基鎂鹽的合成路線，開發(fā)了一系列高性能的硼基鎂電解質(zhì)體系，表現(xiàn)出優(yōu)異的鎂離子傳輸特性和鎂金屬陽極相容性。

崔光磊說，研究人員通過鎂金屬陽極界面優(yōu)化項(xiàng)目，進(jìn)一步擴(kuò)大了鎂電解質(zhì)組分的可選范圍，大大提高了各種鎂電解質(zhì)體系與鎂金屬陽極的界面相容性研究團(tuán)隊(duì)還深入分析了鎂金屬陽極界面的微觀電化學(xué)反應(yīng)過程，實(shí)現(xiàn)了鎂金屬沉積/溶解行為的高效調(diào)控，為鎂金屬陽極的高效和循環(huán)利用奠定了重要的理論基礎(chǔ)

除了上述液態(tài)鎂電解質(zhì)體系，為了充分發(fā)揮鎂金屬電池的高安全性特點(diǎn)，科研人員還基于技術(shù)中心多年的固體鋰電池技術(shù)積累，設(shè)計(jì)開發(fā)了多種基于聚合物的單離子導(dǎo)體概念的固體鎂電解質(zhì)體系該體系在室溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的鎂離子傳輸性能和正負(fù)電極間的界面相容性科研人員還成功制備了相應(yīng)的固態(tài)鎂金屬二次電池器件，實(shí)現(xiàn)了鎂金屬電池的寬溫度范圍，長循環(huán)工作，為研發(fā)適用于地下資源勘探，空間探索等極端工況的特種電源提供了充足的技術(shù)儲備崔光磊說，此外，針對鎂儲存正極材料存在的問題，研究團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)研究了高比容量的轉(zhuǎn)換正極

崔光磊認(rèn)為，在眾多正在研究的新興電池技術(shù)中，鎂二次電池以其高體積能量密度，高安全性，高自然豐度，低成本等諸多優(yōu)勢，成為后鋰離子電池時(shí)期極具發(fā)展?jié)摿Φ碾姵伢w系之一。

目前，研究團(tuán)隊(duì)和合作伙伴在鎂金屬二次電池領(lǐng)域發(fā)表了30余篇高影響力SCI論文，申請了十余項(xiàng)相關(guān)專利，基本形成了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的鎂金屬電池核心技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用場景方面，團(tuán)隊(duì)在中科院深海智能技術(shù)先導(dǎo)專項(xiàng)的指導(dǎo)下，突破了鎂金屬二次電池制造過程中的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，研發(fā)出能量密度為560瓦時(shí)/千克的單體電池基于單體電池設(shè)計(jì)組裝的鎂硫電池系統(tǒng)，不僅成功通過了深海高壓環(huán)境下的模擬壓力測試，還跟隨中科院深海所科考船，實(shí)現(xiàn)了在南海深海環(huán)境下穩(wěn)定工作30小時(shí)，成功實(shí)現(xiàn)了鎂金屬二次電池的示范應(yīng)用目前，更大的應(yīng)用示范項(xiàng)目也在籌備中

崔光磊表示，鎂二次電池的大規(guī)模應(yīng)用雖然還處于探索的初級階段，但在提高安全性，降低成本，緩解二次電池污染等方面潛力巨大，有望在多個(gè)應(yīng)用場景中部分替代鋰電池或鉛酸電池。