鉅大LARGE | 點擊量：1289次 | 2021年10月09日
用鎂薄膜制成高容量鎂燃料動力電池
鎂合金作為輕量化材料而受到期待，其實鎂合金還是一種高性能電池的電極材料。這種電池是用鎂作電極的“鎂燃料動力鋰電池”（也叫鎂空氣電池）。鎂合金作為構(gòu)造材料，有容易與水等反應(yīng)的缺點，但作為電極，這種缺點卻成了一種。
鎂燃料動力鋰電池，是用鎂作為負(fù)極活性物質(zhì)、用空氣中的氧作為正極活性物質(zhì)的一次性電池，利用鎂與氫氧根離子結(jié)合后會釋放電子的現(xiàn)象來發(fā)電。因為反應(yīng)很難控制，迄今一直無法達到實用水平，但只要解決這一問題并完全發(fā)揮鎂的實力，便可對解決能源問題起到積極用途，因此相關(guān)開發(fā)也在推進之中。
可改變反應(yīng)位置來發(fā)電
由日本東京工業(yè)大學(xué)理工學(xué)研究系機械物理工學(xué)專業(yè)教授矢部孝等人設(shè)計的鎂燃料動力鋰電池，采用了稱為“薄膜型”的構(gòu)造（圖1）。這種電池配置了兩個卷軸，從一個卷軸送出鎂薄膜，然后用另一個卷軸將其一點點地卷繞起來*1。想象一下錄像帶或傳統(tǒng)照相機使用的膠卷，也許就比較容易理解了。這種電池在相當(dāng)于錄像帶磁頭、相機膠卷中按快門的位置設(shè)置了反應(yīng)室。
*1鎂薄膜方面，考慮采用在薄膜中涂布及蒸鍍鎂，以及用薄膜分層加工鎂箔等方法制造。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
圖1：薄膜型鎂燃料動力鋰電池的構(gòu)造
通過讓負(fù)極的鎂薄膜發(fā)生反應(yīng)來發(fā)電。一邊卷繞一邊發(fā)電，可以讓鎂充分發(fā)生反應(yīng)。鎂薄膜為盒式，用完之后可以更換。
如篇首提到的那樣，鎂燃料動力鋰電池本身并不是一個新創(chuàng)意。只要有鎂、電解質(zhì)和正極端電極（碳等），就能構(gòu)成這種電池，而且理論上可獲得比鋰（Li）離子充電電池更大的能量密度，因此以前就備受關(guān)注。
但是，將鎂合金用作負(fù)極的話，在鎂溶解于電解液的同時，還會發(fā)生自我放電*2。因此，光靠電極溶解，無法獲得充分的發(fā)電量。尤其是電解液呈酸性時，這種現(xiàn)象更為明顯。
*2自我放電：出現(xiàn)的電子和電解液中的氫離子發(fā)生反應(yīng)后出現(xiàn)氫氣的現(xiàn)象。
另一方面，為了防止自我放電而采用堿性電解液時，又會在負(fù)極鎂合金表面形成氫氧化鎂〔Mg（OH）2〕惰性膜，從而導(dǎo)致通電停止。所以，采用傳統(tǒng)材料，無法有效利用鎂來發(fā)電。
為了解決這些問題，矢部的燃料動力鋰電池使用了鎂薄膜。在反應(yīng)室內(nèi)使鎂的表面發(fā)生反應(yīng)后，可在不除去惰性膜的情況下送出薄膜。也就是說，可使發(fā)生反應(yīng)的位置不斷發(fā)生變化。采用這種方式的話，使用堿性電解液也能使鎂充分發(fā)生反應(yīng)，從而“可以高效發(fā)電”（矢部）。
矢部的研究室2010年通過實證實驗證實，可以獲得1300Ah/kg的電容量。矢部稱，“智能手機的放電容量為1000～1500mAh。只要有1g鎂，就能讓智能手機使用一天”。
而且，不使用時鎂也不會劣化，長時間停止使用后仍能重新發(fā)電，這也是薄膜型鎂燃料動力鋰電池的一大優(yōu)點。存放鎂（反應(yīng)之前的鎂）的薄膜卷離反應(yīng)盒較遠(yuǎn)，因此還具有安全性高、容易縮小尺寸等特點。
用作便攜終端電池
矢部認(rèn)為薄膜型鎂燃料動力鋰電池將來會實用化，于是面向多種用途推進了開發(fā)，包括智能手機、高爾夫推車、車站內(nèi)的電光標(biāo)牌。
其中在智能手機用小型鎂燃料動力鋰電池方面，美國大型廠商計劃于2013年內(nèi)啟動使用電池樣機的實證實驗。矢部表示，該電池內(nèi)置了約3g的鎂，裝上這種電池后，“一個月內(nèi)無需為智能手機充電”。
有關(guān)薄膜型鎂燃料動力鋰電池，矢部設(shè)想在盒裝狀態(tài)下回收鎂并進行循環(huán)再利用。因預(yù)計這種技術(shù)會實用化，矢部還打算開發(fā)使用半導(dǎo)體激光的鎂回收技術(shù)。
讓阻燃性鎂合金不斷反應(yīng)
日本東北大學(xué)未來科學(xué)技術(shù)共同研究中心教授小濱泰昭打算采用與矢部不同的方法，解決傳統(tǒng)鎂燃料動力鋰電池存在的問題。小濱發(fā)現(xiàn)，使用阻燃性鎂合金，可以抑制自我放電，并緩慢進行氧化反應(yīng)。這樣發(fā)電就不會停止，從而可有效利用電極的鎂。
這種阻燃性鎂合金是日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所設(shè)想用作構(gòu)造材料而開發(fā)的，添加了百分之幾（重量比例）的鋁（Al）和鈣（Ca）。
小濱以前一直在開發(fā)利用地面效應(yīng)（飛行在地面附近的飛行器會出現(xiàn)巨大升力的現(xiàn)象）的高速運輸系統(tǒng)。在此過程中為了減輕車身重量而使用了阻燃性鎂合金。小濱認(rèn)為，阻燃性也就是不易與氧發(fā)生反應(yīng)，這種特點十分適合鎂燃料動力鋰電池，于是便著手進行開發(fā)。
小濱使用阻燃性鎂合金，與產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所、古河電池、日本素材（總部：仙臺市）等合作，試制出了高性能鎂燃料動力鋰電池（圖2）。電池單元的電壓為1.5V，每個單元具備60Ah的發(fā)電能力。電極的能量密度也高達1.55Wh/g，因此小濱稱，“打算半年以內(nèi)開始銷售”。
圖2：日本東北大學(xué)的小濱等人試制的鎂燃料動力鋰電池
（a）為電池內(nèi)部。由五個電池單元排列而成。（b）為電池單元。在中間的網(wǎng)狀部分與電解液發(fā)生反應(yīng)。（c）電極的阻燃性鎂合金。右為未使用的鎂合金，中間為發(fā)生一定程度反應(yīng)后的鎂合金，左為使用完的鎂合金。發(fā)生反應(yīng)的鎂合金會變成Mg（OH）2溶解到電解液中。
從發(fā)電成本的角度來看，鎂燃料動力鋰電池要比使用汽油的發(fā)電機遜色。但是，假如目前2000日元/kg左右的阻燃性鎂合金價格能夠降至500日元/kg左右，便可在成本方面獲得競爭力，因此小濱非常希望鎂合金能夠降低價格。
利用太陽能來還原鎂
鎂燃料動力鋰電池的開發(fā)并沒有僅僅停留在制造一次性電池上。有人提出了一個構(gòu)想，那就是利用太陽能進行熱還原，回收已用完電極的鎂，以便循環(huán)再利用。
與電解液反應(yīng)后用完的負(fù)極鎂會變成Mg（OH）2或氧化鎂（MgO）。上述構(gòu)想是，將其回收并運送到沙漠中，然后利用沙漠的太陽能進行熱還原，再把生成的鎂重新運回日本使用。也就是說，利用沙漠中的豐富太陽能得到鎂，再把鎂運到日本（圖3）。通過電纜將電力輸送到日本雖然非常困難，但得到鎂之后，便可采用物理方法進行運輸。
圖3：通過鎂來利用太陽能的構(gòu)想
將用完的鎂運輸至沙漠地帶，利用豐富的太陽能進行熱還原，并再次運至日本重新使用。
提出這種“鎂循環(huán)社會”構(gòu)想的人是東工大的矢部。矢部目前考慮使用半導(dǎo)體激光，但將來打算利用“太陽光激勵激光”*3作為熱源，對鎂進行熱還原。
*3太陽光激勵激光通過向作為介質(zhì)的材料照射太陽光來激發(fā)的激光。
東北大學(xué)的小濱也描繪了類似的藍(lán)圖。其構(gòu)想是，將用完的鎂運到名為陽光地帶的沙漠地區(qū)進行熱還原。不過，小濱設(shè)想使用凹鏡來進行熱還原。打算使用可通過聚集太陽光來獲得高溫的太陽爐。據(jù)其介紹，假如可以獲得1200℃左右的溫度，便可以進行熱還原。
小濱2011年執(zhí)行了使用直徑1.5m左右的太陽爐將用過的Mg（OH）2以金屬鎂箔的形式回收的實驗。
目前，除了古河電池及尼康之外，其他商社及物流公司也參與進來，共同啟動了名為“MagnesiumSoleil”的項目，現(xiàn)在正以形成業(yè)務(wù)為目標(biāo)進行討論。
小濱說，“鎂不像核電那樣存在風(fēng)險，也不會像化石燃料那樣會枯竭，而且完全不存在溫室氣體排放等環(huán)境問題，是一種清潔燃料”。而且，鎂在海水中的含量十分豐富。也可以利用太陽能從海水中提煉鎂。
經(jīng)由鎂燃料動力鋰電池，將太陽能有效地轉(zhuǎn)換成電力。小濱將這種體系稱為“燃料耕種”。與已經(jīng)實用化的氫燃料動力鋰電池相比，鎂燃料動力鋰電池能以很少的使用量獲得同等的發(fā)電量，而且容易搬運，因此具有優(yōu)勢。據(jù)小濱教授推算，28.4g鎂獲得的能量與60L氫氣獲得的能量相同。
不過，鎂燃料動力鋰電池也存在課題。一個是空氣極的耐久性。這種電池使用的可以透過空氣的多孔質(zhì)碳，還要提高耐久性。另一個課題是，進行熱還原時使用的催化劑鐵硅（Fe-Si）要耗費能源來制造。小濱表示，今后“必須探討使用太陽能制造鐵硅的方法”。（作者：吉田勝、中山力，日經(jīng)技術(shù)在線！供稿）
