鎂電池:鋰離子電池的唯一替代品?

在開始之前，我們先來看看普通的鋰離子電池是如何工作的。一般來說，鋰離子電池依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間來回運(yùn)輸電子，從而出現(xiàn)供外部電子設(shè)備使用的電流。當(dāng)鋰離子電池放電時(shí)，鋰離子首先與陰極的電子結(jié)合，然后將負(fù)載電子轉(zhuǎn)移到陽極并卸載貨物，形成一個(gè)出現(xiàn)電流的閉環(huán)。同樣地，鋰離子在放電后集中在陽極上，當(dāng)外加電流時(shí)，鋰離子，即充滿電子的鋰離子，從陽極上脫離并返回到陰極上。所以當(dāng)所有的離子都處于高能量時(shí)，就意味著電池充滿了電。

可充電鋰離子電池的放電機(jī)理

電子在鋰離子周圍移動(dòng)的過程類似于運(yùn)輸貨物的過程，因?yàn)橐\(yùn)輸?shù)呢浳锿ǔ１徽R地包裝在容器中，大量的電子構(gòu)成了方向性電流。由于鋰離子電池中的鋰離子通常以一個(gè)價(jià)電子(Li1+)的形式存在，它們只能與一個(gè)電子結(jié)合，而鎂則是另一回事。通常情況下，鎂離子以2價(jià)正離子(Mg2+)的形式存在，這意味著假如它在電池中充當(dāng)搬運(yùn)工的角色，一次可以攜帶兩個(gè)電子。因此，從理論上講，假如兩個(gè)電池使用相同密度的鎂離子和鋰離子，使用鎂離子作為電子傳遞介質(zhì)，其儲能密度將是鋰離子電池的兩倍。

但話又說回來，大家都了解理論不一定適用于現(xiàn)實(shí)。首先，最要害的問題是，當(dāng)鎂離子和兩個(gè)電子的負(fù)一價(jià)結(jié)合時(shí)，整個(gè)原子核有了兩次負(fù)電荷，而且負(fù)電荷越多，吸引其他鎂離子的能力也就越強(qiáng)。因此，當(dāng)鎂離子的電荷量新增一倍，在充滿電解質(zhì)的南北極之間移動(dòng)時(shí)，它們的速度自然會大大降低。

但研究表明，科學(xué)家的擔(dān)憂可能不會出現(xiàn)太大影響。根據(jù)測試結(jié)果的報(bào)告,它證明了鎂離子是最多只有四個(gè)相鄰離子綁定,這意味著在鎂離子電池通過南北兩極,會影響其他離子的最大數(shù)量的運(yùn)動(dòng)低于之前的預(yù)期,因此對解決這個(gè)問題似乎不要花太多的曲折。

計(jì)算機(jī)模型顯示，電解液中的鎂離子只受四個(gè)相鄰離子的影響

鑒于此，今后若要發(fā)展儲能密度更高的鎂離子電池，既要選擇一種能充分發(fā)揮電池功能也有利于鎂離子共同運(yùn)動(dòng)的電解質(zhì)，就成了當(dāng)務(wù)之急。勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室的克里斯汀佩爾松現(xiàn)在已經(jīng)測試了數(shù)千種不同的電解質(zhì)和電極的組合，以找到一種能使鋰離子的潛在價(jià)值最大化的載體。此外，研究人員利用超級計(jì)算機(jī)進(jìn)行了一系列基本的物理模擬，以測量鎂離子在電池應(yīng)用中如何有效地傳輸電子，從電荷密度到原子的維數(shù)。

除了上述諸多優(yōu)點(diǎn)外，鋰的開采成本低于鎂，綜合利用價(jià)值更大。豐田已經(jīng)在這項(xiàng)技術(shù)上投入了大量資金，特斯拉首席執(zhí)行官埃隆馬斯克(elonmusk)也曾多次公開表示，特斯拉及其超級電池廠已經(jīng)準(zhǔn)備好接受鎂電池。鋼鐵俠喜歡自吹自擂，但從傳統(tǒng)鋰離子電池到鎂電池的轉(zhuǎn)變不會對電池設(shè)計(jì)出現(xiàn)太大的影響，廠可以通過更新裝配線工具，輕松地制造出能量密度為其兩倍的特斯拉鎂電池。

鎂 雙碳電池

考慮到開發(fā)鎂電池的諸多好處，作者相信這項(xiàng)技術(shù)很快就會實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，除非有一個(gè)更好的方法，比如日本的雙碳、鋰空氣電池，甚至是目前可用的氫燃料動(dòng)力電池，首先占領(lǐng)市場，否則鎂電池必須成為行業(yè)內(nèi)鋰的替代品。但無論哪一種電池占據(jù)上風(fēng)，毫無疑問，鋰離子電池將在未來幾年繼續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位。