在開(kāi)始今天的話題之前，我們先來(lái)看看普通鋰離子電池內(nèi)部是如何工作的。一般來(lái)說(shuō)，鋰電池都依靠鋰離子在陰陽(yáng)極之間來(lái)回搬運(yùn)電子，產(chǎn)生電流供外部電子設(shè)備使用。當(dāng)鋰電池放電時(shí)，鋰離子先在陰極和電子結(jié)合，隨后將“裝載”的電子運(yùn)送到陽(yáng)極并卸下貨物，形成閉合回路，產(chǎn)生電流；同理，放電后鋰離子聚集在陽(yáng)極，當(dāng)施加外部電流時(shí)，“滿(mǎn)載”電子的鋰離子在脫離陽(yáng)極后，逆向重新返回陰極。因此，當(dāng)所有離子都處于高能狀態(tài)時(shí)，也就意味著這塊電池已經(jīng)滿(mǎn)電。
可充式鋰電池的放電機(jī)制
之所以把鋰離子搬運(yùn)電子的過(guò)程和貨物運(yùn)輸進(jìn)行類(lèi)比，因?yàn)樾枰\(yùn)送的物品通常都整齊碼放在集裝箱里，而大量的電子則形成有指向性的電流。由于一般鋰電池中的鋰離子都是以1價(jià)電子的形式（Li1+）存在的，因此它只能同一個(gè)電子結(jié)合，不過(guò)金屬鎂可就另當(dāng)別論了。通常情況下，鎂離子都以2價(jià)正離子（Mg2+）的形態(tài)存在，這意味著它如果在電池中充當(dāng)“搬運(yùn)工”的話，每次最多可攜帶兩枚電子。所以，理論上來(lái)講，如果兩塊電池分別使用了同等密度含量的鎂離子和鋰離子，使用鎂離子作為傳遞電子介質(zhì)的電池能量存儲(chǔ)密度將是鋰電池的兩倍。
但話又說(shuō)回來(lái)了，誰(shuí)都知道理論這玩意兒放到現(xiàn)實(shí)情況它并不一定適用。首先，最關(guān)鍵的問(wèn)題在于，當(dāng)鎂離子和兩個(gè)負(fù)1價(jià)的電子結(jié)合時(shí)，整個(gè)原子核就擁有了兩倍的負(fù)電荷，而負(fù)電荷量越多，吸引其他鎂離子的能力也就越強(qiáng)。因此，當(dāng)鎂離子攜帶著兩倍的電荷，要在充滿(mǎn)電解液的兩極之間運(yùn)動(dòng)的話，速度自然慢了很多。
不過(guò)有研究顯示，科學(xué)家擔(dān)心的這個(gè)問(wèn)題恐怕并不會(huì)造成太大的影響。根據(jù)該報(bào)告的實(shí)驗(yàn)成果，其證明了鎂離子最多只會(huì)受到四個(gè)相鄰離子的“束縛”，這意味著當(dāng)鎂離子在電池兩極穿行時(shí)，能夠影響其運(yùn)動(dòng)的其他離子的最大數(shù)量要比之前預(yù)估的少，因此要解決這個(gè)問(wèn)題似乎并不需要花費(fèi)太多周折。
電腦模型顯示電解液中的鎂離子只會(huì)受到相鄰四個(gè)其他離子的影響
鑒于此，未來(lái)如果要研發(fā)能量存儲(chǔ)密度更高的鎂離子電池，挑選一種既能發(fā)揮電池全部功能同時(shí)也有利于鎂離子移動(dòng)的電解液，便成了當(dāng)務(wù)之急。來(lái)自勞倫斯-伯克利實(shí)驗(yàn)室的KristinPersson已經(jīng)測(cè)試了上千種不同電解液和電極的組合方式，目的是為了尋找一種能夠最大限度挖掘出鋰離子潛在價(jià)值的載體形式。此外，相關(guān)研究人員利用超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行了多次基礎(chǔ)物理模擬，從電荷密度以及原子幾何等多個(gè)維度考量了鎂離子如何在電池應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高效傳遞電子的能力。
除了上面提到的諸多優(yōu)勢(shì)之外，相比鋰，金屬鎂的開(kāi)采成本較低，同時(shí)利用價(jià)值卻很大。豐田目前已經(jīng)在相關(guān)技術(shù)上投入了巨資，而特斯拉CEO馬斯克也曾多次在公開(kāi)場(chǎng)合表態(tài)，特斯拉及其超級(jí)電池工廠已經(jīng)做好了“擁抱”鎂電池的準(zhǔn)備。盡管“鋼鐵俠”甚是喜歡吹牛，不過(guò)從傳統(tǒng)鋰電池到鎂電池的轉(zhuǎn)型，在電池設(shè)計(jì)方面并不會(huì)受到太大的影響，工廠只需更新相應(yīng)的流水線作業(yè)工具，即可輕松造出兩倍能量密度的特斯拉鎂電池。
考慮到發(fā)展鎂電池能夠帶來(lái)如此多的好處，筆者認(rèn)為該技術(shù)一定會(huì)很快落地。當(dāng)然，除非有像日本研發(fā)的雙碳電池、鋰-空氣甚至是已經(jīng)出現(xiàn)的氫燃料電池這樣更優(yōu)的方案率先占據(jù)市場(chǎng)，否則鎂電池一定是目前電池工業(yè)領(lǐng)域替代鋰電池的不二選擇。但是，不管哪種電池最后能夠勝出，毋容置疑的是，鋰電池仍將會(huì)“獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷”那么幾年。
