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重慶大學(xué)鎂中心實(shí)驗室里正在進(jìn)行試驗的鎂電池 本報記者 雍黎攝
目前,在鎂金屬的研究和加工方面我國已經(jīng)處于領(lǐng)先水平,重慶大學(xué)國家鎂合金工程技術(shù)研究中心建有世界上最大的鎂電池研究團隊和鎂固態(tài)儲氫團隊,已開(kāi)發(fā)多種鎂離子電池和儲氫密度高達6.1wt%、高安全性的新型儲氫材料。
隨著(zhù)新能源汽車(chē)、手機、計算機等技術(shù)的發(fā)展,電池已經(jīng)成為我們生活中的必需品。但鋰電池作為目前主要動(dòng)力電源的電池,存在資源短缺、成本高、環(huán)境污染嚴重、安全性差等問(wèn)題。作為鋰電池的重要原料,碳酸鋰的價(jià)格目前還未看到天花板。據報道,11月7日,無(wú)錫電子盤(pán)國內電池級碳酸鋰現貨平均價(jià)格為61.5萬(wàn)元/噸,最高價(jià)為61.7萬(wàn)元/噸。為此業(yè)界一直在尋找其他技術(shù)路線(xiàn)。
“后鋰電池”時(shí)代,哪種電池能夠替代鋰電池?近日,重慶大學(xué)國家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心聯(lián)合廣東國研、廣東省科學(xué)院等單位合作完成的“鎂離子電池”項目榮獲2022年國際“鎂未來(lái)技術(shù)獎”。這為鎂離子電池替代鋰電池增加了新的可能,也激發(fā)了業(yè)界新的期待。
鎂電池或將成為鋰電池替代者
據了解,全球鋰資源約為3950萬(wàn)噸,而具備商業(yè)開(kāi)采價(jià)值的鋰儲備量則僅為1351.9萬(wàn)噸。若鋰電池需求量呈爆炸性增長(cháng),預計不到17年全球鋰資源就會(huì )用盡,這也是造成鋰電池成本高的原因之一。其儲能度電成本大致為0.6—0.9元/千瓦時(shí),這距離規模應用的目標成本0.3—0.4元/千瓦時(shí)也還有較大差距。同時(shí),能量密度越高安全性越差是目前鋰電池很難解決的問(wèn)題。此外,一些鋰電池體系生產(chǎn)與使用過(guò)程中環(huán)境污染較嚴重。
發(fā)展新一代高效環(huán)保安全電池已成為全球電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。氫燃料電池、硫系全固態(tài)電池、鈉離子電池、鎂離子電池……科學(xué)家們不斷探索著(zhù)鋰電池的替代品。
“鎂電池具有高效、安全、資源豐富等特點(diǎn),一旦技術(shù)突破,將成為電池工業(yè)的顛覆性革命,市場(chǎng)可達萬(wàn)億元以上?!敝袊こ淘涸菏?、國家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心主任、重慶大學(xué)教授潘復生在接受科技日報記者專(zhuān)訪(fǎng)時(shí)表示,相比于鋰,鎂基儲能材料具有資源儲量豐富、成本低和安全性能高的優(yōu)勢,是極具潛力的新一代儲能材料,也是環(huán)保且高能量密度的電池材料。
潘復生進(jìn)一步解釋?zhuān)V材料具有較為穩定的化學(xué)性質(zhì),其熔點(diǎn)高達651攝氏度,鎂電池相對安全,熔沸點(diǎn)較高并且不容易出現鎂枝晶,不易發(fā)生爆炸等危險。
鎂是所有固態(tài)儲氫材料中,儲氫密度最高的金屬材料,可達氣態(tài)氫密度的1000倍,液態(tài)氫的1.5倍。同時(shí)由于鎂儲氫是常溫常壓,所以安全性遠高于高壓氣態(tài)和液態(tài)儲氫。鎂電池體積理論能量密度和鋰電池相當。我國鎂資源豐富,占到全球的70%,且鎂成本只有鋰的1/25—1/50。在環(huán)保方面上,2015年之后,鎂在冶煉、制造、應用及回收過(guò)程中,污染排放都小于鋁合金,已經(jīng)成為真正的先進(jìn)綠色材料。
據了解,鎂電池已被歐盟確定為研究項目;美國能源部也開(kāi)始安排項目,支持一批著(zhù)名研究單位介入研究;日本電池行業(yè)認為,鎂電池可能成為鋰電池的顛覆者。
從電池三大組件入手攻堅克難
鎂電池要從實(shí)驗室走進(jìn)實(shí)際應用,還有許多技術(shù)以及材料方面的難題需要攻克。
“電池主要由三部分組成:正極、負極和電解液,我們的研究主要也是從這三個(gè)方面入手?!敝貞c大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授黃光勝介紹,在正極材料方面,他們研發(fā)了高容量的復合硫材料,比容量高達到1200毫安時(shí)/克(mAh/g);高倍率的多孔硫化銅納米球,比容量能夠達到250mAh/g;長(cháng)壽命高電壓錳基普魯士藍材料,能夠實(shí)現3伏(V)電壓,循環(huán)壽命達1萬(wàn)次。在負極材料方面,他們研究了十幾種鎂合金負極,具有不易鈍化、比容量大于500mAh/g等優(yōu)勢;人工界面層保護金屬鎂負極,過(guò)電勢僅50毫伏(mV)。在電解液方面,2020年他們研發(fā)了一種全新的低成本全無(wú)機鹽型電解液MLCH,這種電解液具有高電導率和穩定性;同時(shí),團隊還研發(fā)了具有高電壓、低成本特點(diǎn)的非親核硼基電解液,成功實(shí)現了正極、電解液等關(guān)鍵材料的批量試制,開(kāi)發(fā)出安時(shí)級鎂軟包電池。
電池三大關(guān)鍵組成部分的技術(shù)重要進(jìn)展,為鎂電池走出實(shí)驗室、走向應用打好了基礎。
在重慶大學(xué)鎂中心實(shí)驗室,記者看到數顆鎂電池正在進(jìn)行充放電試驗。黃光勝介紹,試驗結果表明,他們研發(fā)的鎂—普魯士藍電池、鎂硫電池、鎂硫化銅電池、鎂二氧化釩電池的能量密度均已經(jīng)高于磷酸鐵鋰電池,特別是鎂硫電池,能量密度達到了785瓦時(shí)/千克(Wh/kg),而石墨—磷酸鐵鋰電池僅為160Wh/kg。
“目前,我們已經(jīng)擁有鎂空氣電池、海水激活電池,鎂干電池等一系列電池的制造技術(shù)?!秉S光勝介紹,鎂空氣電池屬于一次鎂燃料電池的一種,陰極使用的是空氣,通過(guò)陰陽(yáng)極氧化還原反應放電,是一種清潔、安全、高效的新型能源電池,其能量密度是鉛酸電池的20倍以上,可為電視、照明燈、便攜電腦、手機及GPS等設備供電。目前,他們已經(jīng)與企業(yè)合作開(kāi)始批量生產(chǎn)。
鎂海水激活電池是直接利用海水,將金屬鎂的化學(xué)能轉化為電能的裝置,它以鎂為負極材料并以海水為電解質(zhì),其最突出的特點(diǎn)就是不需要另外攜帶電解質(zhì),并且具有能量密度高、安全性好、可進(jìn)行全海深工作的優(yōu)點(diǎn),在深海著(zhù)陸器、深海原位實(shí)驗站等海洋裝備領(lǐng)域具有很好的應用前景。
打造新型儲能科技創(chuàng )新平臺
“在鎂儲氫、鎂電池研發(fā)上,我國具有顯著(zhù)的技術(shù)基礎和優(yōu)勢?!迸藦蜕赋?,在鎂金屬的研究和加工方面我國已經(jīng)處于領(lǐng)先水平,重慶大學(xué)國家鎂合金工程技術(shù)研究中心擁有世界上最大的鎂電池研究團隊和鎂固態(tài)儲氫團隊,已開(kāi)發(fā)多種鎂離子電池和儲氫密度高達6.1wt%、高安全性的新型儲氫材料,其主要指標均處于世界領(lǐng)先水平。2018—2019年,重慶大學(xué)、重慶市科技局聯(lián)合投入2000多萬(wàn)元支持鎂儲能材料研究。
2020年,廣東省國研科技研究中心有限公司、重慶大學(xué)、廣東省科學(xué)院等聯(lián)手開(kāi)展總投入5億元的鎂儲能材料研究開(kāi)發(fā)項目,在粵港澳大灣區建立了鎂基儲能研發(fā)中心及產(chǎn)業(yè)化應用示范基地,鎂電池與鎂基固態(tài)儲/運氫即將進(jìn)入試制和示范應用。
今年5月,重慶大學(xué)與重慶兩江新區聯(lián)合共建重慶新型儲能材料與裝備研究院(以下簡(jiǎn)稱(chēng)研究院)。研究院瞄準國家能源戰略和能源轉型前沿技術(shù),聚焦科技成果轉化,目標建成世界最大的新型儲能材料與裝備研究院。
據了解,安徽青陽(yáng)縣擁有豐富的鎂礦資源,原鎂年產(chǎn)高達30萬(wàn)噸,具有良好的鎂基材料開(kāi)發(fā)及制備基礎。研究院擬在“鎂能小鎮”開(kāi)展一系列鎂電池示范項目,開(kāi)發(fā)電瓶車(chē)、路燈、旅游車(chē)及分布式儲能系統。重慶廣陽(yáng)島項目則擬在廣陽(yáng)島開(kāi)展電瓶車(chē)、鎂電池路燈、固態(tài)儲氫加氫站以及氫能車(chē)等多項鎂儲氫及鎂電池的示范項目。
“今年我們將啟動(dòng)對鎂動(dòng)力電池中試,和企業(yè)合作,先讓電動(dòng)自行車(chē)用上鎂電池?!迸藦蜕嘎?,目前鎂電池的性能已經(jīng)達到磷酸鐵鋰電池的水平,這就說(shuō)明鎂電池已經(jīng)具備作為動(dòng)力電池商用的可能。當然取代鋰電池還需要更進(jìn)一步的研究,對此,他們也啟動(dòng)了重慶新型儲能材料與裝備研究院全球人才招募行動(dòng),共同打造儲能科技創(chuàng )新平臺,助力我國新型儲能領(lǐng)域的發(fā)展。