一般來(lái)說(shuō)，鋰電池都依靠鋰離子在陰陽(yáng)極之間來(lái)回搬運電子，產(chǎn)生電流供外部電子設備使用。當鋰電池放電時(shí)，鋰離子先在陰極和電子結合，隨后將“裝載”的電子運送到陽(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，當所有離子都處于高能狀態(tài)時(shí)，也就意味著(zhù)這塊電池已經(jīng)滿(mǎn)電。


之所以把鋰離子搬運電子的過(guò)程和貨物運輸進(jìn)行類(lèi)比，因為需要運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)電子結合，不過(guò)金屬鎂可就另當別論了。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(zhù)它如果在電池中充當“搬運工”的話(huà)，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)的電池能量存儲密度將是鋰電池的兩倍。

但話(huà)又說(shuō)回來(lái)了，誰(shuí)都知道理論這玩意兒放到現實(shí)情況它并不一定適用。首先，最關(guān)鍵的問(wèn)題在于，當鎂離子和兩個(gè)負1價(jià)的電子結合時(shí)，整個(gè)原子核就擁有了兩倍的負電荷，而負電荷量越多，吸引其他鎂離子的能力也就越強。因此，當鎂離子攜帶著(zhù)兩倍的電荷，要在充滿(mǎn)電解液的兩極之間運動(dòng)的話(huà)，速度自然慢了很多。

不過(guò)有研究顯示，科學(xué)家擔心的這個(gè)問(wèn)題恐怕并不會(huì )造成太大的影響。根據該報告的實(shí)驗成果，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(zhù)當鎂離子在電池兩極穿行時(shí)，能夠影響其運動(dòng)的其他離子的最大數量要比之前預估的少，因此要解決這個(gè)問(wèn)題似乎并不需要花費太多周折。


鑒于此，未來(lái)如果要研發(fā)能量存儲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，便成了當務(wù)之急。來(lái)自勞倫斯-伯克利實(shí)驗室的Kristin Persson已經(jīng)測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)研究人員利用超級計算機進(jìn)行了多次基礎物理模擬，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用中實(shí)現高效傳遞電子的能力。

除了上面提到的諸多優(yōu)勢之外，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)，特斯拉及其超級電池工廠(chǎng)已經(jīng)做好了“擁抱”鎂電池的準備。盡管“鋼鐵俠”甚是喜歡吹牛，不過(guò)從傳統鋰電池到鎂電池的轉型，在電池設計方面并不會(huì )受到太大的影響，工廠(chǎng)只需更新相應的流水線(xiàn)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，筆者認為該技術(shù)一定會(huì )很快落地。當然，除非有像日本研發(fā)的雙碳電池、鋰-空氣甚至是已經(jīng)出現的氫燃料電池這樣更優(yōu)的方案率先占據市場(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 )“獨領(lǐng)風(fēng)騷”那么幾年。

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