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Telegram中文搜索引擎:“后锂电池”时代,镁离子电池或能替代锂电池

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目前,在镁金属的研究和加工方面我国已经处于领先水平,重庆大学国家镁合金工程技术研究中心建有世界上最大的镁电池研究团队和镁固态储氢团队,已开发多种镁离子电池和储氢密度高达6.1wt%、高安全性的新型储氢材料。


随着新能源汽车、手机、计算机等技术的发展,电池已经成为我们生活中的必需品。但锂电池作为目前主要动力电源的电池,存在资源短缺、成本高、环境污染严重、安全性差等问题。作为锂电池的重要原料,碳酸锂的价格目前还未看到天花板。据报道,11月7日,无锡电子盘国内电池级碳酸锂现货平均价格为61.5万元/吨,最高价为61.7万元/吨。为此业界一直在寻找其他技术路线。

“后锂电池”时代,哪种电池能够替代锂电池?近日,重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心联合广东国研、广东省科学院等单位合作完成的“镁离子电池”项目荣获2022年国际“镁未来技术奖”。这为镁离子电池替代锂电池增加了新的可能,也激发了业界新的期待。


镁金属二次电池应用场景有望扩大


镁金属二次电池是指以金属镁为负极的可循环电池,组成镁金属二次电池的核心是镁负极、电解液及能嵌入镁的正极材料。金属镁具有极高的体积容量,是作为高体积能量密度电池负极的极佳选择。


在实际应用场景方面,青岛能源所崔光磊研究团队以中国科学院深海智能技术先导专项为牵引,已突破了镁金属二次电池制作工艺上的关键技术瓶颈,开发出能量密度560瓦时/千克的单体电池。


镁金属二次电池的大规模应用还处于初期探索阶段,不过其在提升二次电池的安全性、降低二次电池的成本、缓解二次电池的污染等方面都有重要潜力,有望在多个应用场景中部分替代锂电池或铅酸电池。


在新能源车领域,镁合金的应用规模持续扩大。首创证券研报指出,汽车轻量化是行业大势所趋,同时新能源车对于续航里程及安全性的需求对轻量化更为迫切。近几年我国汽车单车用镁量已从2015年的1.5公斤提升至近5公斤,2030年纯电单车重量下降35%,单车用镁量达到45公斤,未来镁合金在汽车轻量化市场空间广阔。


镁电池或将成为锂电池替代者

据了解,全球锂资源约为3950万吨,而具备商业开采价值的锂储备量则仅为1351.9万吨。若锂电池需求量呈爆炸性增长,预计不到17年全球锂资源就会用尽,这也是造成锂电池成本高的原因之一。其储能度电成本大致为0.6—0.9元/千瓦时,这距离规模应用的目标成本0.3—0.4元/千瓦时也还有较大差距。同时,能量密度越高安全性越差是目前锂电池很难解决的问题。此外,一些锂电池体系生产与使用过程中环境污染较严重。


发展新一代高效环保安全电池已成为全球电池产业发展的重点。氢燃料电池、硫系全固态电池、钠离子电池、镁离子电池……科学家们不断探索着锂电池的替代品。


“镁电池具有高效、安全、资源丰富等特点,一旦技术突破,将成为电池工业的颠覆性革命,市场可达万亿元以上。”中国工程院院士、国家镁合金材料工程技术研究中心主任、重庆大学教授潘复生在接受科技日报记者专访时表示,相比于锂,镁基储能材料具有资源储量丰富、成本低和安全性能高的优势,是极具潜力的新一代储能材料,也是环保且高能量密度的电池材料。


潘复生进一步解释,镁材料具有较为稳定的化学性质,其熔点高达651摄氏度,镁电池相对安全,熔沸点较高并且不容易出现镁枝晶,不易发生爆炸等危险。


镁是所有固态储氢材料中,储氢密度最高的金属材料,可达气态氢密度的1000倍,液态氢的1.5倍。同时由于镁储氢是常温常压,所以安全性远高于高压气态和液态储氢。镁电池体积理论能量密度和锂电池相当。我国镁资源丰富,占到全球的70%,且镁成本只有锂的1/25—1/50。在环保方面上,2015年之后,镁在冶炼、制造、应用及回收过程中,污染排放都小于铝合金,已经成为真正的先进绿色材料。


据了解,镁电池已被欧盟确定为研究项目;美国能源部也开始安排项目,支持一批著名研究单位介入研究;日本电池行业认为,镁电池可能成为锂电池的颠覆者。

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从电池三大组件入手攻坚克难


镁电池要从实验室走进实际应用,还有许多技术以及材料方面的难题需要攻克。


“电池主要由三部分组成:正极、负极和电解液,我们的研究主要也是从这三个方面入手。”重庆大学材料科学与工程学院教授黄光胜介绍,在正极材料方面,他们研发了高容量的复合硫材料,比容量高达到1200毫安时/克(mAh/g);高倍率的多孔硫化铜纳米球,比容量能够达到250mAh/g;长寿命高电压锰基普鲁士蓝材料,能够实现3伏(V)电压,循环寿命达1万次。在负极材料方面,他们研究了十几种镁合金负极,具有不易钝化、比容量大于500mAh/g等优势;人工界面层保护金属镁负极,过电势仅50毫伏(mV)。在电解液方面,2020年他们研发了一种全新的低成本全无机盐型电解液MLCH,这种电解液具有高电导率和稳定性;同时,团队还研发了具有高电压、低成本特点的非亲核硼基电解液,成功实现了正极、电解液等关键材料的批量试制,开发出安时级镁软包电池。

电池三大关键组成部分的技术重要进展,为镁电池走出实验室、走向应用打好了基础。


在重庆大学镁中心实验室,记者看到数颗镁电池正在进行充放电试验。黄光胜介绍,试验结果表明,他们研发的镁—普鲁士蓝电池、镁硫电池、镁硫化铜电池、镁二氧化钒电池的能量密度均已经高于磷酸铁锂电池,特别是镁硫电池,能量密度达到了785瓦时/千克(Wh/kg),而石墨—磷酸铁锂电池仅为160Wh/kg。


“目前,我们已经拥有镁空气电池、海水激活电池,镁干电池等一系列电池的制造技术。”黄光胜介绍,镁空气电池属于一次镁燃料电池的一种,阴极使用的是空气,通过阴阳极氧化还原反应放电,是一种清洁、安全、高效的新型能源电池,其能量密度是铅酸电池的20倍以上,可为电视、照明灯、便携电脑、手机及GPS等设备供电。目前,他们已经与企业合作开始批量生产。


镁海水激活电池是直接利用海水,将金属镁的化学能转化为电能的装置,它以镁为负极材料并以海水为电解质,其最突出的特点就是不需要另外携带电解质,并且具有能量密度高、安全性好、可进行全海深工作的优点,在深海着陆器、深海原位实验站等海洋装备领域具有很好的应用前景。


打造新型储能科技创新平台


“在镁储氢、镁电池研发上,我国具有显著的技术基础和优势。”潘复生指出,在镁金属的研究和加工方面我国已经处于领先水平,重庆大学国家镁合金工程技术研究中心拥有世界上最大的镁电池研究团队和镁固态储氢团队,已开发多种镁离子电池和储氢密度高达6.1wt%、高安全性的新型储氢材料,其主要指标均处于世界领先水平。2018—2019年,重庆大学、重庆市科技局联合投入2000多万元支持镁储能材料研究。


2020年,广东省国研科技研究中心有限公司、重庆大学、广东省科学院等联手开展总投入5亿元的镁储能材料研究开发项目,在粤港澳大湾区建立了镁基储能研发中心及产业化应用示范基地,镁电池与镁基固态储/运氢即将进入试制和示范应用。


今年5月,重庆大学与重庆两江新区联合共建重庆新型储能材料与装备研究院(以下简称研究院)。研究院瞄准国家能源战略和能源转型前沿技术,聚焦科技成果转化,目标建成世界最大的新型储能材料与装备研究院。


据了解,安徽青阳县拥有丰富的镁矿资源,原镁年产高达30万吨,具有良好的镁基材料开发及制备基础。研究院拟在“镁能小镇”开展一系列镁电池示范项目,开发电瓶车、路灯、旅游车及分布式储能系统。重庆广阳岛项目则拟在广阳岛开展电瓶车、镁电池路灯、固态储氢加氢站以及氢能车等多项镁储氢及镁电池的示范项目。


“今年我们将启动对镁动力电池中试,和企业合作,先让电动自行车用上镁电池。”潘复生透露,目前镁电池的性能已经达到磷酸铁锂电池的水平,这就说明镁电池已经具备作为动力电池商用的可能。当然取代锂电池还需要更进一步的研究,对此,他们也启动了重庆新型储能材料与装备研究院全球人才招募行动,共同打造储能科技创新平台,助力我国新型储能领域的发展。


来源:科技日报、数据宝

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