鎂電池:鋰離子電池的唯一替代品?

在開始之前，我們先來看看普通的鋰離子電池是如何工作的。一般來說，鋰離子電池依靠鋰離子在正極和負極之間來回運輸電子，從而出現供外部電子設備使用的電流。當鋰離子電池放電時，鋰離子首先與陰極的電子結合，然后將負載電子轉移到陽極并卸載貨物，形成一個出現電流的閉環。同樣地，鋰離子在放電后集中在陽極上，當外加電流時，鋰離子，即充滿電子的鋰離子，從陽極上脫離并返回到陰極上。所以當所有的離子都處于高能量時，就意味著電池充滿了電。

可充電鋰離子電池的放電機理

電子在鋰離子周圍移動的過程類似于運輸貨物的過程，因為要運輸的貨物通常被整齊地包裝在容器中，大量的電子構成了方向性電流。由于鋰離子電池中的鋰離子通常以一個價電子(Li1+)的形式存在，它們只能與一個電子結合，而鎂則是另一回事。通常情況下，鎂離子以2價正離子(Mg2+)的形式存在，這意味著假如它在電池中充當搬運工的角色，一次可以攜帶兩個電子。因此，從理論上講，假如兩個電池使用相同密度的鎂離子和鋰離子，使用鎂離子作為電子傳遞介質，其儲能密度將是鋰離子電池的兩倍。

但話又說回來，大家都了解理論不一定適用于現實。首先，最要害的問題是，當鎂離子和兩個電子的負一價結合時，整個原子核有了兩次負電荷，而且負電荷越多，吸引其他鎂離子的能力也就越強。因此，當鎂離子的電荷量新增一倍，在充滿電解質的南北極之間移動時，它們的速度自然會大大降低。

但研究表明，科學家的擔憂可能不會出現太大影響。根據測試結果的報告,它證明了鎂離子是最多只有四個相鄰離子綁定,這意味著在鎂離子電池通過南北兩極,會影響其他離子的最大數量的運動低于之前的預期,因此對解決這個問題似乎不要花太多的曲折。

計算機模型顯示，電解液中的鎂離子只受四個相鄰離子的影響

鑒于此，今后若要發展儲能密度更高的鎂離子電池，既要選擇一種能充分發揮電池功能也有利于鎂離子共同運動的電解質，就成了當務之急。勞倫斯伯克利實驗室的克里斯汀佩爾松現在已經測試了數千種不同的電解質和電極的組合，以找到一種能使鋰離子的潛在價值最大化的載體。此外，研究人員利用超級計算機進行了一系列基本的物理模擬，以測量鎂離子在電池應用中如何有效地傳輸電子，從電荷密度到原子的維數。

除了上述諸多優點外，鋰的開采成本低于鎂，綜合利用價值更大。豐田已經在這項技術上投入了大量資金，特斯拉首席執行官埃隆馬斯克(elonmusk)也曾多次公開表示，特斯拉及其超級電池廠已經準備好接受鎂電池。鋼鐵俠喜歡自吹自擂，但從傳統鋰離子電池到鎂電池的轉變不會對電池設計出現太大的影響，廠可以通過更新裝配線工具，輕松地制造出能量密度為其兩倍的特斯拉鎂電池。

鎂 雙碳電池

考慮到開發鎂電池的諸多好處，作者相信這項技術很快就會實現。當然，除非有一個更好的方法，比如日本的雙碳、鋰空氣電池，甚至是目前可用的氫燃料動力電池，首先占領市場，否則鎂電池必須成為行業內鋰的替代品。但無論哪一種電池占據上風，毫無疑問，鋰離子電池將在未來幾年繼續占據主導地位。