在開始今天的話題之前，我們先來看看普通鋰離子電池內(nèi)部是如何工作的。一般來說，鋰電池都依靠鋰離子在陰陽極之間來回搬運電子，產(chǎn)生電流供外部電子設(shè)備使用。當鋰電池放電時，鋰離子先在陰極和電子結(jié)合，隨后將“裝載”的電子運送到陽極并卸下貨物，形成閉合回路，產(chǎn)生電流；同理，放電后鋰離子聚集在陽極，當施加外部電流時，“滿載”電子的鋰離子在脫離陽極后，逆向重新返回陰極。因此，當所有離子都處于高能狀態(tài)時，也就意味著這塊電池已經(jīng)滿電。
可充式鋰電池的放電機制
之所以把鋰離子搬運電子的過程和貨物運輸進行類比，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價電子的形式（Li1+）存在的，因此它只能同一個電子結(jié)合，不過金屬鎂可就另當別論了。通常情況下，鎂離子都以2價正離子（Mg2+）的形態(tài)存在，這意味著它如果在電池中充當“搬運工”的話，每次最多可攜帶兩枚電子。所以，理論上來講，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。
但話又說回來了，誰都知道理論這玩意兒放到現(xiàn)實情況它并不一定適用。首先，最關(guān)鍵的問題在于，當鎂離子和兩個負1價的電子結(jié)合時，整個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，當鎂離子攜帶著兩倍的電荷，要在充滿電解液的兩極之間運動的話，速度自然慢了很多。
不過有研究顯示，科學(xué)家擔心的這個問題恐怕并不會造成太大的影響。根據(jù)該報告的實驗成果，其證明了鎂離子最多只會受到四個相鄰離子的“束縛”，這意味著當鎂離子在電池兩極穿行時，能夠影響其運動的其他離子的最大數(shù)量要比之前預(yù)估的少，因此要解決這個問題似乎并不需要花費太多周折。
電腦模型顯示電解液中的鎂離子只會受到相鄰四個其他離子的影響
鑒于此，未來如果要研發(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也有利于鎂離子移動的電解液，便成了當務(wù)之急。來自勞倫斯-伯克利實驗室的KristinPersson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值的載體形式。此外，相關(guān)研究人員利用超級計算機進行了多次基礎(chǔ)物理模擬，從電荷密度以及原子幾何等多個維度考量了鎂離子如何在電池應(yīng)用中實現(xiàn)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，金屬鎂的開采成本較低，同時利用價值卻很大。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場合表態(tài)，特斯拉及其超級電池工廠已經(jīng)做好了“擁抱”鎂電池的準備。盡管“鋼鐵俠”甚是喜歡吹牛，不過從傳統(tǒng)鋰電池到鎂電池的轉(zhuǎn)型，在電池設(shè)計方面并不會受到太大的影響，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)展鎂電池能夠帶來如此多的好處，筆者認為該技術(shù)一定會很快落地。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(xiàn)的氫燃料電池這樣更優(yōu)的方案率先占據(jù)市場，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“獨領(lǐng)風(fēng)騷”那么幾年。
