鎂電池是利用鎂陽離子作為溶液中的活性電荷傳輸劑和電化學(xué)電池的基本陽極的電池。對不可充電的原電池和可充電的二次電池的化學(xué)性質(zhì)進行了研究。鎂原電池已商業(yè)化并已發(fā)現(xiàn)用作備用電池和通用電池。

鎂二次電池是一個活躍的研究課題，特別是在某些應(yīng)用中作為鋰離子電池化學(xué)物質(zhì)的可能替代或改進。鎂電池的一個顯著優(yōu)勢是它們使用固體鎂陽極，與鋰制成的電池設(shè)計相比，它允許更高的能量密度設(shè)計，在許多情況下，鋰電池需要嵌入鋰陽極。還研究了插入式陽極（“鎂離子”）。

初級電池

自20世紀(jì)初以來，原生鎂電池已經(jīng)被開發(fā)出來。已經(jīng)研究了許多儲備電池類型的化學(xué)成分，陰極材料包括氯化銀、氯化銅（I）、氯化鈀（II）、碘化銅（I）、硫氰酸銅（I）、二氧化錳和空氣（氧氣）。例如，水激活的氯化銀/鎂儲備電池在1943年開始商業(yè)化生產(chǎn)。

BA-4386型鎂干電池已經(jīng)完全商業(yè)化，每單位成本接近鋅電池--與同等的鋅碳電池相比，電池的容量更大，保質(zhì)期更長。從1968年開始，BA-4386被美國軍方廣泛使用，直到1984年被亞硫酰氯鋰電池取代[3][4] 。

鎂空氣燃料電池的理論工作電壓為3.1V，能量密度為6.8千瓦時/公斤。通用電氣公司早在20世紀(jì)60年代就生產(chǎn)了一種在中性氯化鈉溶液中運行的鎂空氣燃料電池。鎂空氣電池是一種初級電池，但有可能通過更換陽極和電解質(zhì)來進行 "加油"。鎂空氣電池已經(jīng)商業(yè)化，并被用作陸地上的備用系統(tǒng)以及海底電源，使用海水作為電解質(zhì)。

二次電池

概述

鎂正在研究中，在某些應(yīng)用中可能取代或改進鋰離子電池。與作為負(fù)極材料的鋰相比，鎂的單位質(zhì)量能量密度（理論上）不到鋰的一半（18.8兆焦耳/千克對42.3兆焦耳/千克），但體積能量密度高出約50%（32.731吉焦/立方米對22.569吉焦/立方米）。 與金屬鋰陽極相比，鎂陽極不表現(xiàn)出枝晶的形成，這可能允許金屬鎂在陽極沒有插層化合物的情況下使用；[注3]使用沒有插層的鎂陽極的能力將理論上的最大相對體積能量密度提高到鋰離子電池的5倍左右。此外，建模和電池分析表明，由于地球上有豐富的鎂，而鋰礦藏相對稀少，鎂基電池可能比鋰有成本優(yōu)勢。

早在20世紀(jì)90年代，基于V2O5、TiS2或Ti2S4陰極材料和金屬鎂陽極的鎂基電池的潛在用途就已經(jīng)被認(rèn)可。然而，觀察放電狀態(tài)的不穩(wěn)定性和電解質(zhì)中水的作用的不確定性限制了進展。[10][11] 第一個成功的可充電電池是在2000年報道的，基于Chevrel型Mo6S8陰極和有機鹵化鋁鎂/THF基電解質(zhì)。

截至2018年，二次鎂電池研究還沒有產(chǎn)生可商業(yè)化的電池，具體的挑戰(zhàn)是電解質(zhì)和陰極材料。 截至2015年，生產(chǎn)商業(yè)上有用的鎂電池的障礙是缺乏已證明的實用電解質(zhì)和鎂離子的高能量密度陰極材料。

研究

陽極和電解質(zhì)

使用金屬鎂陽極的一個主要缺點是在充電時容易形成鈍化（非導(dǎo)電）層，阻礙進一步的充電（與鋰的行為相反）；鈍化層被認(rèn)為是源于鎂離子還原過程中電解質(zhì)的分解。常見的反離子如高氯酸鹽和四氟硼酸被發(fā)現(xiàn)有助于鈍化，一些常見的極性無機溶劑如碳酸鹽和腈類也是如此。

早期開發(fā)鎂電池的嘗試是探索使用 "鎂插入電極"，基于金屬鎂可逆地插入金屬合金陽極（如鉍/銻或錫）。這些已被證明能夠防止陽極表面鈍化，但由于插入時的體積變化，以及插入的緩慢動力學(xué)，遭受陽極破壞。

所研究的插入式陽極類型的例子包括Sn、Mg2Sn 。

基于格氏劑的醚類電解質(zhì)已被證明不會鈍化；有機硼酸鎂也顯示出無鈍化的電鍍作用。化合物Mg(BPh2Bu2)2被用于第一個展示的可充電的鎂電池，它的用途受到電化學(xué)氧化的限制（即電壓窗口的低陽極極限）。 [21] 研究的其他電解質(zhì)包括硼氫化物、苯酚酸鹽、烷氧基化物、基于氨基的復(fù)合物（例如基于六甲基二硅氮烷）、碳硼烷鹽、氟化烷氧基硼酸鹽、Mg（BH4）（NH2）固態(tài)電解質(zhì)，以及含有Mg（AlCl2EtBu）2的四聚體/PVDF的凝膠聚合物。

目前對鎂金屬電池的興趣浪潮始于2000年，當(dāng)時一個以色列小組報告了用氯化鎂和氯化鋁在醚類（如THF）中的混合溶液進行可逆的鍍鎂。 這種電解質(zhì)的主要優(yōu)點是電壓窗口的正極限明顯大于以前報告的鍍鎂電解質(zhì)（因此，電池電壓更高）。從那時起，已經(jīng)報道了幾種其他的鎂鹽，其腐蝕性比氯化物要低[26]。

與鋰相比，一個缺點是鎂在溶液中的電荷量較高（+2），這往往會導(dǎo)致電解液中的粘度增加，流動性降低。 鎂離子進入陰極宿主晶格的運動也很緩慢（截至2014年）。

2018年，一種不含氯的電解質(zhì)與基于醌的聚合物陰極一起展示了有希望的性能，每公斤比能量高達243 Wh（870 kJ），比功率高達3.4 kW/kg，并且在2500次循環(huán)中保留率高達87%。據(jù)稱，電解液中沒有氯化物可以改善離子動力學(xué)，從而減少電解液的使用量，提高性能。

一個有希望的方法是將鎂陽極與硫/碳陰極結(jié)合起來。因此，需要一種非親核性電解質(zhì)，它不會僅僅因為硫的還原性而將其轉(zhuǎn)化為硫化物。這種電解質(zhì)已經(jīng)在含氯[32][33][34]和不含氯的復(fù)合鹽的基礎(chǔ)上被開發(fā)出來。中的電解質(zhì)是一種含有Mg陽離子和兩個六氟異丙基硼基的Mg鹽作為陰離子。這個系統(tǒng)很容易合成，它顯示出與鋰離子電池相似的離子傳導(dǎo)性，它的電化學(xué)穩(wěn)定性窗口高達4.5V，它在空氣中很穩(wěn)定，對不同的溶劑具有通用性 。

陰極材料

對于陰極材料，已經(jīng)研究了許多不同的化合物的適用性，包括那些用于鎂原電池的化合物。研究或提議的新陰極材料包括二硫化鋯、氧化鈷（II，III）、二硒化鎢、五氧化二釩和釩酸鹽基陰極。2000年，Mo6S8的螯合相形式被證明具有作為陰極的良好適用性，在100%放電的情況下，以15%的損耗持續(xù)了2000個循環(huán)；缺點是低溫性能差（鎂的遷移率降低，通過替代硒來補償），以及電壓低，c. 二硫化鉬陰極顯示出更好的電壓和能量密度：1.8V和170mAh/g。過渡金屬硫化物被認(rèn)為是有前途的鎂離子電池陰極候選材料。2015年報道了一個混合鎂電池，使用混合鎂/鈉電解質(zhì)，鈉插入到納米二硫化鐵陰極中。

基于二氧化錳的陰極顯示出良好的性能，但在循環(huán)中會惡化 。

2014年報道了一個可充電的鎂電池，利用離子交換的橄欖石型MgFeSiO4陰極與雙（三氟甲基磺?；﹣啺?三甘醇電解質(zhì)，該電池顯示容量為300mAh/g，電壓為2.4V。

除了非無機金屬氧化物/硫化物類型的陰極材料也得到了研究：2015年報道了一種基于包含蒽醌的聚合物的陰極；其他能夠發(fā)生氧化還原反應(yīng)的有機和有機聚合物陰極材料也得到了研究，如聚-2,2'-二硫二苯胺。

2016年，一種多孔碳/碘組合陰極被報道為Mg2+插入式陰極的潛在替代品--該化學(xué)反應(yīng)被報道為可能適合于可充電的流動電池。

商業(yè)化

2016年10月，本田和Saitec（埼玉工業(yè)技術(shù)中心）聲稱有一個可商業(yè)化的鎂電池，基于五氧化二釩/硫的異質(zhì)合金陰極。還聲稱商業(yè)化日期為2018年。

2021年，一個名為Wonderlight的設(shè)計贏得了坎斯創(chuàng)新節(jié)的獎項 。