Desarrollo de la pila de magnesio: aplicaciones y dificultades
Cómo funciona una pila de magnesio
La pila de magnesio es una pila primaria con magnesio como electrodo anódico y algunos óxidos metálicos o no metálicos como electrodo catódico. La pila de magnesio es un nuevo tipo de pila secundaria con un gran potencial desarrollado en los últimos años. De forma similar a la composición de las baterías de iones de litio, las baterías de magnesio se componen principalmente de cuatro partes: electrodo catódico, electrodo anódico, separador y electrolito.
Como se muestra en la figura, tomando como ejemplo el proceso de descarga, generalmente, el magnesio metálico sufre una reacción de disolución en el lado del electrodo anódico para formar Mg2+, que se disuelve en el electrolito. El Mg2+ migra al lado del electrodo catódico para una reacción de intercalación, y los electrones migran del electrodo anódico al electrodo catódico desde el circuito externo para completar toda la reacción de descarga.
El proceso de carga es el contrario.
Principales categorías de pilas de magnesio
● Pila seca de magnesio
● Batería secundaria de magnesio
● Magnesio batería de estado sólido
● Batería de reserva de magnesio
● Pila de combustible de magnesio
● Batería de aire de magnesio
Ventajas de la pila de magnesio
En comparación con las baterías de litio, las de magnesio presentan las siguientes ventajas:
(1) Los recursos de magnesio son abundantes. Los recursos de magnesio son abundantes en la corteza terrestre y los océanos, y su precio es mucho más barato que el del litio. Sólo cuesta 1/25-/150 del litio y puede utilizarse durante miles de años;
(2) En las pilas de magnesio no es fácil que crezcan dendritas y son muy seguras;
(3) El magnesio y sus compuestos no contaminan el medio ambiente;
(4) La densidad energética teórica de la pila de magnesio es comparable a la de las pilas de litio. Como electrodo anódico, el magnesio metálico es una reacción de dos electrones, con una alta densidad de energía en masa (2205 mAh-g-1), y su densidad de energía en volumen (3833 mAh-cm-3) es incluso superior a la del litio (2046 mAh-cm-3 ).
Al mismo tiempo, el magnesio tiene un potencial de electrodo anódico relativamente alto (- 2,37 Vvs SHE), por lo que cuando se utiliza magnesio como electrodo anódico, la batería tendrá un voltaje de trabajo más alto, lo que favorece la mejora de la densidad energética de la batería;
(5) A diferencia del metal de litio, el magnesio tiende a formar estructuras bidimensionales y tridimensionales durante la deposición, por lo que los ánodos de metal de magnesio son más seguros que los de metal de litio.
(6) El magnesio tiene un punto de fusión y ebullición (648°C/1170°C) más alto que el litio, y sus propiedades químicas son relativamente inertes y fáciles de procesar;
La capacidad específica del electrodo de ánodo de magnesio es 6 veces superior a la del electrodo de ánodo de batería de litio comercial existente, alcanzando 2230mAh/g. El cátodo de magnesio azul de Prusia tiene las características de bajo coste, alto voltaje y larga vida útil. La densidad energética teórica supera los 500 Wh/kg, y se espera que sustituya al fosfato de hierro y litio.
Aplicación de la pila de magnesio
Recientemente, las pilas secas de magnesio sólo se utilizan como fuentes de energía para equipos de comunicación militares. Debido a las limitaciones de los ánodos de aleación de magnesio, difíciles de formar, las pilas secas de magnesio no se han comercializado ni comercializan hasta ahora.
Con el desarrollo de la industria de transformación del magnesio y el éxito de las placas de aleación de magnesio para baterías, el nacimiento de las baterías secas de magnesio será una realidad, lo que supondrá una revolución en la industria de las baterías.
Las baterías secundarias de magnesio se consideran un nuevo tipo de batería ecológica que se espera sea adecuada para vehículos eléctricos por sus ventajas potenciales en aplicaciones de carga pesada debido a sus factores de seguridad y precio.
Las baterías de reserva de magnesio pueden utilizarse en los sectores aeroespacial, militar y biomédico, como la propulsión submarina, submarinos, boyas, misiles, vehículos espaciales y microsistemas biológicos, etc.
Como fuente de energía química de alta energía, las pilas de combustible de magnesio tienen amplias perspectivas de aplicación en la alimentación de dispositivos electrónicos móviles, la alimentación de vehículos sumergibles autónomos, la alimentación de instrumentos submarinos y la alimentación de reserva, etc. La pila de magnesio-aire es un tipo de pila de combustible primaria de magnesio. El cátodo utiliza aire, que se descarga mediante la reacción redox del cátodo y el ánodo. Es una pila de nueva energía limpia, segura y eficiente.
Su densidad energética es más de 20 veces superior a la de las baterías de plomo-ácido, y pueden suministrar energía a televisores, luces, ordenadores portátiles, teléfonos móviles, GPS y otros equipos. En la actualidad, han cooperado con empresas para iniciar la producción en serie.
Dificultades en el desarrollo de la pila de magnesio
La batería de magnesio está aún en fase de investigación preliminar, y hay muchos problemas sin resolver, que hacen que la batería de magnesio esté lejos de ser práctica. Los principales problemas que dificultan el desarrollo de las baterías de magnesio son los siguientes:
(1) Debido a la actividad química del magnesio, en condiciones neutras y ácidas, el magnesio reacciona violentamente con el agua y libera gas hidrógeno, lo que reduce la utilización del electrodo y trae dificultades al montaje de la batería.
(2) Falta de un medio no acuoso adecuado para conducir el Mg;
(3)Debido al pequeño tamaño, la alta densidad de carga y la fuerte polarización de los iones de magnesio, es difícil insertarlos en la mayoría de las matrices, y es difícil formar compuestos embebidos. Por lo tanto, los materiales catódicos disponibles son limitados.
(4) La estructura metalográfica de la aleación de magnesio del ánodo laminado o extruido es muy desfavorable para la resistencia a la corrosión de la pila. Con la investigación en profundidad de la batería de magnesio, se espera superar los problemas anteriores y desarrollar una batería de magnesio de alto rendimiento, bajo coste, segura y respetuosa con el medio ambiente.
La investigación futura sobre la pila de magnesio debe partir principalmente de los siguientes aspectos:
(1) Mejorar la pureza de los materiales anódicos, optimizar la composición de las aleaciones y desarrollar aleaciones de magnesio con alta actividad y bajo índice de corrosión;
(2) Los disolventes anteriores se limitan a THF y éter, que son fáciles de absorber agua, y el ánodo de la batería no puede utilizarse en un entorno con agua, por lo que debe encontrarse un disolvente seguro y barato;
(3) En cuanto a los materiales incrustados en el electrodo catódico que coinciden con los materiales del ánodo, se pueden fabricar nanotubos, varillas o materiales dopados, y también se pueden desarrollar nuevos materiales incrustados, como los materiales compuestos orgánicos;
(4)Explorar los métodos de procesado y conformado del magnesio como material de electrodo anódico para mejorar el rendimiento de la batería de magnesio.
Reflexión final:
Las reservas de recursos de magnesio de China ocupan el primer lugar en el mundo, y el desarrollo y la utilización de los recursos de magnesio es de gran importancia estratégica para el desarrollo de nuestro país. las mejores pilas recargables en el futuro.
