锂电池成本高 候选元素前景看好 镁锌钠电池备受追捧

如今，锂电池已经成为日常生活中不可或缺的设备，广泛应用于手机、电脑、可穿戴设备、新能源汽车等领域，几乎全世界都有锂。但是锂电池也有明显的缺点：成本高，生产锂电池的原材料储备少等。

鉴于此，许多国家的政府和企业都加快了步伐，布局了“后锂电池”时代。比如欧洲一些机构致力于开发镁电池和锌电池，当代安普瑞斯科技有限公司推出了钠电池。正如《日本经济新闻》杂志网站在最近的一篇报道中指出的，围绕锂电池替代品的全球竞争已经开始！

　锂电池成本高

锂电池诞生于20世纪60年代，90年代由日本索尼公司商业化。与“前辈”镍氢电池、铅酸电池相比，它能储存更多的电能，如今已经飞入寻常百姓家，广泛应用于新能源汽车、个人电脑、智能手机等产品。它还可以储存太阳能和风能，使一个没有化石燃料的世界成为可能。

鉴于锂电池对人类的巨大贡献，2019年，三位“锂电池之父”获得诺贝尔化学奖，锂电池成为当今电池行业的“花旦大师”。

但是锂电池最大的缺点就是成本高。只是用在智能手机上。如果需要大规模储存电能，就需要相应的大电池。根据日本经济产业省的数据，要想让锂电池储能系统的储能成本达到与抽水蓄能电站相当的2.3万日元(约1280元)/千瓦，简直就是痴人说梦。

此外，作为锂电池原材料的锂、镍、钴分布极不均衡，全球锂钴矿床无法充分用于生产。地壳中锂的储量为0.0065%，全球储量仅为8600万吨。相比之下，钠、镁、锌的储量要高得多：地壳中钠的储量为2.74%，仅我国柴达木盆地的钠盐储量就达到3216亿吨；地壳中镁的含量高达13.9%。

　候选元素前景看好

因此，科学家们将注意力转向镁、锌、钠等元素。

例如，英国剑桥大学、丹麦和以色列著名理工科大学以及德国和西班牙的研究机构联合发起了一个名为“欧盟镁互动电池社区”(E-Magic)的研究项目。这个为期4年的前瞻性项目得到了欧洲联盟的财政支持。目标是开发一种能量密度超过1000瓦时/升(是锂电池的两倍)的环保可充电镁电池。

据研究人员称，这种电池使用镁作为负极。因为一个镁离子携带两个电子，与只能携带一个电子的锂离子相比，镁电池的容量增加了一倍。目前研制成功的镁电池可反复充放电500次以上。

据悉，2020年，美国休斯顿大学姚彦教授课题组与北美丰田研究中心合作，成功研发出一款非常有前景的高能镁电池，其潜在应用包括电动汽车、可再生能源系统的蓄电池等。虽然这种电池只连续充放电了200多次，但研究团队认为，他们为更安全、更高性能的镁电池找到了研究方向：正极使用有机化合物，负极使用芘四酮(PTO)实现快速可逆的氧化还原过程，基于硼团簇的弱配位电解质使离子运动更快。这种先进的阴极和电解液设计对镁电池的发展具有重要的指导意义，将加速镁电池技术的商业化。

锌和镁一样引人注目。日本东北大学小林浩史副教授和本雅格教授研发的新型锌离子电池，采用水溶液作为电解液，取代了传统的有机溶剂，降低了电池起火的风险。美国西北太平洋国家实验室和德国明斯特大学的研究人员还合作开发了一种锌金属双离子电池，该电池由锌阳极、天然石墨阴极和双离子盐水溶液组成。

今年7月，中国当代安普瑞斯科技有限公司发布了一款钠电池，这款电池拥有迄今为止全球最高的能量密度和超快充电特性(15分钟可充电80%)。预计当代安普瑞斯科技有限公司将持续提升钠电池能量密度，预计2023年形成基础产业链。

　锂电池挖潜大有可为

尽管各种替代技术的研究如火如荼，但无论是镁电池、锌电池还是钠电池，在技术和材料上仍有许多问题需要解决。例如，镁离子体积小、电荷密度高、极化强，很难插入到大多数基质中形成包埋化合物。因此，替代的阴极材料是有限的。

有鉴于此，一些科学家致力于挖掘锂电池的潜力，提高锂电池的性能，开发质量更好的锂电池。

据《日本经济新闻》报道，日本唐浅公司与关西大学合作开发了一种以硫为正极活性物质的锂硫电池，其质量能量密度可达到现有锂电池的两倍左右。3354目前纯电动汽车常用的锂电池质量能量密度约为200-300瓦时/千克，而此次研发的锂硫电池质量能量密度超过370瓦时/千克。

研究人员解释说，理论上，同等尺寸的锂硫电池容量可以达到传统锂电池的8倍，但存在电导率低、中间产物容易溶解在电解液中等问题。而他们新开发的锂硫电池采用了带有微孔的碳颗粒，从而避免了上述两个问题。唐倩公司表示，希望到2023年将其锂硫电池的质量能量密度提高到500 WHR/千克。