镁电池是替代锂离子电池的不二选择吗？

镁电池:锂离子电池的唯一替代品?

在开始之前，我们先来看看普通的锂离子电池是如何工作的。一般来说，锂离子电池依靠锂离子在正极和负极之间来回运输电子，从而出现供外部电子设备使用的电流。当锂离子电池放电时，锂离子首先与阴极的电子结合，然后将负载电子转移到阳极并卸载货物，形成一个出现电流的闭环。同样地，锂离子在放电后集中在阳极上，当外加电流时，锂离子，即充满电子的锂离子，从阳极上脱离并返回到阴极上。所以当所有的离子都处于高能量时，就意味着电池充满了电。

镁电池:锂离子电池的替代品?

可充电锂离子电池的放电机理

电子在锂离子周围移动的过程类似于运输货物的过程，因为要运输的货物通常被整齐地包装在容器中，大量的电子构成了方向性电流。由于锂离子电池中的锂离子通常以一个价电子(Li1+)的形式存在，它们只能与一个电子结合，而镁则是另一回事。通常情况下，镁离子以2价正离子(Mg2+)的形式存在，这意味着假如它在电池中充当搬运工的角色，一次可以携带两个电子。因此，从理论上讲，假如两个电池使用相同密度的镁离子和锂离子，使用镁离子作为电子传递介质，其储能密度将是锂离子电池的两倍。

但话又说回来，大家都了解理论不一定适用于现实。首先，最要害的问题是，当镁离子和两个电子的负一价结合时，整个原子核有了两次负电荷，而且负电荷越多，吸引其他镁离子的能力也就越强。因此，当镁离子的电荷量新增一倍，在充满电解质的南北极之间移动时，它们的速度自然会大大降低。

但研究表明，科学家的担忧可能不会出现太大影响。根据测试结果的报告,它证明了镁离子是最多只有四个相邻离子绑定,这意味着在镁离子电池通过南北两极,会影响其他离子的最大数量的运动低于之前的预期,因此对解决这个问题似乎不要花太多的曲折。

镁电池:锂离子电池的替代品?

计算机模型显示，电解液中的镁离子只受四个相邻离子的影响

鉴于此，今后若要发展储能密度更高的镁离子电池，既要选择一种能充分发挥电池功能也有利于镁离子共同运动的电解质，就成了当务之急。劳伦斯伯克利实验室的克里斯汀佩尔松现在已经测试了数千种不同的电解质和电极的组合，以找到一种能使锂离子的潜在价值最大化的载体。此外，研究人员利用超级计算机进行了一系列基本的物理模拟，以测量镁离子在电池应用中如何有效地传输电子，从电荷密度到原子的维数。

除了上述诸多优点外，锂的开采成本低于镁，综合利用价值更大。丰田已经在这项技术上投入了大量资金，特斯拉首席执行官埃隆马斯克(elonmusk)也曾多次公开表示，特斯拉及其超级电池厂已经准备好接受镁电池。钢铁侠喜欢自吹自擂，但从传统锂离子电池到镁电池的转变不会对电池设计出现太大的影响，厂可以通过更新装配线工具，轻松地制造出能量密度为其两倍的特斯拉镁电池。

镁电池:锂离子电池的替代品?

双碳电池

考虑到开发镁电池的诸多好处，作者相信这项技术很快就会实现。当然，除非有一个更好的方法，比如日本的双碳、锂空气电池，甚至是目前可用的氢燃料动力电池，首先占领市场，否则镁电池必须成为行业内锂的替代品。但无论哪一种电池占据上风，毫无疑问，锂离子电池将在未来几年继续占据主导地位。