在儲(chǔ)能需求高漲的當(dāng)下，電池技術(shù)呈現(xiàn)多元化發(fā)展，除主流鋰電池外，鎂、鈉等新興材料也在電化學(xué)領(lǐng)域迎來前所未有的發(fā)展動(dòng)力。業(yè)界普遍認(rèn)為，擁有相對(duì)安全和高能量密度的鎂電池在多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景下都有望替代鋰電池，成為下一代高性能電池。
技術(shù)頻獲突破
近日，日本東北大學(xué)研究人員宣布，開發(fā)了一種可充電鎂電池陰極材料，即使在低溫條件下也能夠?qū)崿F(xiàn)高效充放電。
日本東北大學(xué)材料研究所研究人員在《材料化學(xué)雜志》上發(fā)表了上述成果，提出一種新型巖鹽結(jié)構(gòu)作為鎂電池負(fù)極，有助于鎂離子在電池中擴(kuò)散，從而提高鎂離子在電池中的活力。利用最新的巖鹽材料，該款鎂離子電池能夠在90攝氏度下有效工作，與以往鎂離子電池的工作溫度相比明顯下降。
日本東北大學(xué)材料研究所教授Tetsu Ichitsubo表示，這項(xiàng)研究克服此前電池的材料性能限制，為下一代電池研發(fā)應(yīng)用鋪平了道路，更有望對(duì)技術(shù)、環(huán)境和社會(huì)產(chǎn)生重大影響。
在電化學(xué)儲(chǔ)能需求高漲的當(dāng)下，電池技術(shù)已不再局限于鋰電池，成本相對(duì)更低、安全系數(shù)相對(duì)更高的鎂電池也獲得更多關(guān)注，實(shí)際上，以鎂基為材料的電池在近年來不斷發(fā)展。
今年2月，澳大利亞RMIT大學(xué)研究人員宣布，以鎂、鋅等金屬為材料設(shè)計(jì)了一種“鎂水電池”，該款電池使用水替代傳統(tǒng)有機(jī)電解液，不僅擁有更高安全性能，還具有可拆卸、可回收的特性。據(jù)悉，鎂離子電池在充放電循環(huán)過程中負(fù)極不會(huì)出現(xiàn)類似鋰枝晶的“鎂枝晶”，可避免出現(xiàn)鋰電中的鋰枝晶生長刺穿隔膜并導(dǎo)致電池短路起火爆炸的情況。
該款電池研發(fā)人員表示，最新研發(fā)的“鎂水電池”可實(shí)現(xiàn)安全拆卸，憑借其安全特性，隨著技術(shù)進(jìn)步，戶用儲(chǔ)能、便攜設(shè)備等小型儲(chǔ)能設(shè)備中都可能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。
材料供應(yīng)鏈優(yōu)勢(shì)明顯
根據(jù)國際能源署最新數(shù)據(jù)，過去幾年，電池儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展速度空前，2023年，全球儲(chǔ)能電池部署規(guī)模同比增速達(dá)到130%，電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能、可再生能源發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能、戶用儲(chǔ)能、移動(dòng)儲(chǔ)能應(yīng)用需求均高速上漲。
但是，國際能源署指出，鋰離子電池應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大很大程度上受限于上游資源，鋰資源分布并不均衡，同時(shí)鋰離子電池的回收和再利用成本也相對(duì)較高，都成為鋰離子電池?cái)U(kuò)大應(yīng)用的瓶頸所在。
非鋰電池技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生，鎂離子便是一個(gè)范例。在業(yè)界看來，鎂離子電池的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是更為穩(wěn)定的供應(yīng)鏈基礎(chǔ)。日本東北大學(xué)材料研究所教授Tomoya Kawaguchi認(rèn)為，鋰資源稀缺且分布不均，而鎂資源相對(duì)更為豐富，鎂離子電池的出現(xiàn)，為鋰離子電池提供了更可持續(xù)和更具成本效益的替代品。從研發(fā)情況來看，鎂電池有望在各種下游應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用，包括電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車甚至便攜式電子設(shè)備，將為全球向可再生能源過渡和減少碳足跡作出貢獻(xiàn)。
中國工程院院士、重慶大學(xué)教授潘復(fù)生曾指出，稀土、鎂和釩鈦都是我國富有的戰(zhàn)略資源。目前，我國在稀土、鎂、釩鈦等固態(tài)儲(chǔ)氫方面有好的工作基礎(chǔ)，特別是稀土固態(tài)儲(chǔ)氫和鎂固態(tài)儲(chǔ)氫領(lǐng)域都處于世界領(lǐng)先水平。
市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)首創(chuàng)證券也指出，鎂具有易提取、分布廣泛的特性，在制成鎂電池后，其潛在成本優(yōu)勢(shì)及資源安全屬性均高于鋰電池。
有望替代鋰電池
除了顯著的供應(yīng)鏈優(yōu)勢(shì)，鎂離子電池的高能量密度同樣受到關(guān)注。數(shù)據(jù)顯示，作為二價(jià)金屬，與一價(jià)鋰、鈉相比，鎂離子可以攜帶和存儲(chǔ)更多電荷，理論能量密度可達(dá)到鋰離子電池的1.5倍左右。
上述“鎂水電池”研發(fā)人員指出，最新研發(fā)的鎂電池與鋰電池相比有更長的工作時(shí)長和使用壽命，在下游應(yīng)用過程中可適應(yīng)更高強(qiáng)度使用。從目前實(shí)驗(yàn)情況來看，該款電池還能與光伏組件進(jìn)行整合，已有數(shù)據(jù)證明該款電池在可再生能源發(fā)電儲(chǔ)能場(chǎng)景中具有應(yīng)用潛力。
首創(chuàng)證券預(yù)測(cè)稱，鎂離子電池的特性與儲(chǔ)能場(chǎng)景要求高度貼合，未來鎂電池在儲(chǔ)能電池、動(dòng)力電池、電動(dòng)工具等應(yīng)用場(chǎng)景中有望替代傳統(tǒng)鋰電池和鉛酸電池。
實(shí)際上，發(fā)展新一代高效、環(huán)保、安全的電池已成為全球電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點(diǎn)。去年，我國科技部發(fā)布“高端功能與智能材料”重點(diǎn)專項(xiàng)，布局了兩項(xiàng)鎂合金儲(chǔ)能研發(fā)計(jì)劃，其中就包括“高比能長壽命鎂二次電池關(guān)鍵材料與技術(shù)”，擬開發(fā)鎂為負(fù)極的二次電池技術(shù)。
歐盟委員會(huì)也成立了“歐洲鎂電池社區(qū)”，表示將持續(xù)推動(dòng)可充放電的鎂離子電池發(fā)展，研發(fā)出能量密度在400瓦時(shí)/千克以上、成本在100歐元/千瓦時(shí)以下的電池產(chǎn)品。
《中國能源報(bào)》記者了解到，除了鎂離子電池外，全固態(tài)電池、鈉離子電池、全釩液流電池等新興技術(shù)都在持續(xù)推進(jìn)，電池技術(shù)邊界正不斷擴(kuò)展。
