镁电池优缺点简介

镁电池优缺点简介
随着全球能源消耗高速增长，环境日益恶化，以化学电池代替交通行业中的石油成为竞相研究的热点，特别在电动汽车领域中的应用。

现在使用的二次电池主要是Pb酸、Ni-Cd、Ni-MH及Li离子电池，它们在应用于电动汽车方面显然都不太理想。

前两种电池含有害元素Pb和Cd，严重污染环境。

锂离子二次电池则更适用于小容量，大容量储电时，由于Li的特别活泼，会遇到安全问题；另外，锂离子电池因为成本较高，Li和Co资源相对比较缺乏，提炼难度大，易造成环境污染。

环保廉价、能量密度比高的二次可循环镁离子电池将是一个重要的替代能源载体。

在元素周期表中，Mg与Li处于对角线位置，两者有相似的化学性质（表1）。

与锂离子电池相比较（表2），镁离子电池的优点主要有以下几点：（一）Mg蕴藏丰富，价格低廉，海水和土壤中含有丰富的氯化镁和氧化镁提炼方便，节能。

（二）Mg安全无污染且加工处理比锂方便；Mg的化合物无毒或者低毒，可循环性能好，具有生物和环境友好性，属于绿色能源。

（三）电极电位较低，能量密度高。

（四）循环寿命性能好，（-20~80 °C条件下）循环2000次后容量仅损失15%。

（五）安全性能高，熔点高达649 °C。

表1 镁和锂的性质对比
表 2 镁离子电池与锂离子电池的相关参数比较
基于以上优点，1990年，Gregory等人首次报道了较完整的镁二次电池系统进行试验。

该电池充放电的库仑效率可达99% ，虽然存在低的开路电压、高极化等不足、无足够稳定性等问题而不成功，但却说明了二次镁电池从技术上是可行的。

其后，由Aurbach等人组装的镁二次电池在性能上明显提高，该电池在电流密度0.2~0.3 mA/cm2下，放电平台达到了1.1~1.2 V 左右，循环近600次，向实用迈出一大步。

还有很多其他类似报道，其质量比容量从几十到410 mAh/g 不等，实用性和稳定性均不佳。

理论上，镁离子电池比锂离子电池具有更大的研究空间。

因为从充电电池容量角度考虑，镁离子电池为3.8 Ah/g，锂离子电池为3.86 Ah/g，两者差距不大。

而从储蓄能量密度角度考虑，镁离子电池有两个正电荷，而锂离子只有一个，因此镁离子电池比锂离子电池具有更大的储能能力。

但是目前镁电池的研究还处于初级阶段，主要是因为对电极材料及电解质材料合成及其电化学性能的研究都不够完善。

镁电池主要面临的技术难题和挑战主要有三点：
（一）合适的负极材料：由于镁的化学活性高，在绝大多数溶液中极易形成不传导的钝化膜，这种钝化膜致密，二价镁离子难以通过，使得镁离子难以溶解或者沉淀，限制了镁的化学活性。

镁电池负极目前多为镁金属或合金，其它报道
较少，需要不断研发新系列的适用材料。

（二）合适的正极材料：镁离子体积小，电荷密度大，极化作用强，很难插入到许多基质中去，较难形成嵌入式化合物，所以可以供选择的正极材料受限，与商品化成熟的锂离子电池相比暂无明显优势。

由于镁主要在正极材料中进行嵌入和脱嵌，因此正极材料的主要研究方向是找出能使镁离子进行可逆的插入与脱嵌，并能在电解液中稳定存在的材料。

目前正极材料的选择一般集中在无机过渡金属氧化物、硫化物、硼化物、磷酸盐以及其它化合物上面。

（三）可靠的电解质：由于镁与水发生反应，一般采用非水极性质子有机溶剂，加入无机盐或者有机盐构成电解质溶液。

对于溶剂的基本要求是：导电率高、电位窗口宽等。

镁的可逆沉积必须在无钝化膜的前提下进行。

寻找一种电解液体系能够满足高效率的可逆沉积，并具有较宽的电化学窗口以及高的电导率是今后研究的方向。

已报道的电解液体系有格氏试剂的醚溶液，MgPhCl-AlCl3/THF，Mg(SnPh3)2等有机电解质，但是有机电解质在充放电的过程中可能会放出气体，具有一定的安全隐患。

目前电解液体系还不是很稳定，在不同程度上存在着一些缺点。

2014年7月15日，据报道，日本京都大学教授内本喜晴领导的研究小组使用一种铁硅化合物作为电极正极，以一种含乙醚的有机溶剂作为电解液，开发出一款镁蓄电池，这种电池的充电量达到锂电池的1.3倍，其放电电压比锂电池高了2伏特，并且实现了稳定的充放电，但材料费用仅为锂电池的10%。

该小组准备进一步开展研究，缩小镁蓄电池充电和放电时的电压差，减少能量损失，以早日达到实用化。

日本丰田公司也正在有条不紊地开发镁离子电池，用于取代锂离子电池。

如果日本率先开发出实用的二次镁电池，将对整个相关产业产生重大影响，意义非凡，其商业价值也是无法估量的。

总的来说，镁电池满足了人们对于开发高性能、低成本、安全环保的大型充电电池的需求。

但由于镁电池的容量比低，它的设计并不是为了在小尺度设备上与锂电池进行竞争，而是要应用在锂电池不能替代的大负荷的用途的设备上面。

目前镁二次电池的研究还处于初步阶段，离实际应用还有一段距离。

随着对镁二次电池研究的不断深入，镁二次电池有可能成为大型设备的新能源。