鋰離子電池已經(jīng)成為從手機(jī)到電動(dòng)汽車(chē)以及大規(guī)模電網(wǎng)支持的首選儲(chǔ)能介質(zhì)。但鋰不是可用于電池的唯一輕質(zhì)金屬。因此，世界各地的研究人員正在研究可能商業(yè)化的其他候選人。

鎂是特別感興趣的。潛在地，由金屬鎂制成的電池可以具有比當(dāng)今的鋰離子電池更高的能量密度，更高的穩(wěn)定性和更低的成本。至少這些是能源部國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的科學(xué)家們的預(yù)測(cè)，他們?cè)凇白匀换瘜W(xué)”中詳細(xì)介紹了他們最近使用可充電金屬鎂電池的結(jié)果。

NREL材料科學(xué)部門(mén)的科學(xué)家，“自然”論文的合著者春美板在NREL新聞稿中指出：“主要的鋰離子電池技術(shù)正在接近每單位體積可以?xún)?chǔ)存的最大能量，因此迫切需要探索能夠以更低成本提供更多能量的新型電池化學(xué)品。“

與電池應(yīng)用中的鋰相比，鎂具有其他幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)鎂原子在電池放電階段釋放兩個(gè)電子，而鋰的電子則為一個(gè)電子。這使它有可能提供鋰電池幾乎兩倍的電能。另外，在電池充電階段，鎂不會(huì)在金屬表面生長(zhǎng)樹(shù)枝狀晶體。生長(zhǎng)在鋰金屬表面上的尖銳枝晶可能會(huì)導(dǎo)致電池短路。缺乏枝晶生長(zhǎng)應(yīng)該使鎂電池更容易處理和更安全。最后，鎂比鋰更常見(jiàn)和容易獲得。據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局稱(chēng)，它是第八豐富的元素，可以從礦床或海水中商業(yè)提取。

然而，在電池應(yīng)用中，鎂有一些問(wèn)題。這是NREL科學(xué)家集中精力的地方。最大的問(wèn)題是鎂與傳統(tǒng)的碳酸鹽電解質(zhì)反應(yīng)，在金屬表面形成一層鈍化層，充當(dāng)阻擋層并防止鎂離子在充電過(guò)程中到達(dá)鎂金屬。國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的研究人員需要找到一個(gè)固體界面層，他們可以用它來(lái)涂覆鎂金屬以防止與電解質(zhì)的反應(yīng)-但這仍然可以使鎂離子進(jìn)出金屬表面。

在左側(cè)，沒(méi)有涂層，鎂形成一層防止離子進(jìn)出金屬的層。在右側(cè)，由NREL研究人員生產(chǎn)的人造層允許鎂離子從金屬傳遞到電解質(zhì)。（：JohnFrenzl/NREL）

他們選擇了合成半結(jié)晶有機(jī)聚合物樹(shù)脂聚丙烯腈。它以纖維形式用于制造各種產(chǎn)品，如戶(hù)外遮陽(yáng)蓬，游艇帆船，混凝土鋼筋，以及碳纖維股線的起點(diǎn)。有機(jī)聚合物與鎂離子鹽混合并涂覆金屬鎂以保護(hù)其不受電解質(zhì)的損害。根據(jù)NREL的報(bào)告，用涂覆的鎂金屬制成的原型電池單元顯示出巨大的希望，并且實(shí)現(xiàn)了可逆的充電和放電-這在之前從未展示過(guò)。

與電池研究的幾乎所有突破一樣，NREL關(guān)于其鎂電池的聲明必須被視為通往商業(yè)化道路的第一步。盡管如此，這只是一個(gè)開(kāi)始，希望能激勵(lì)其他人研究鎂作為鋰可能的最終替代品。