Développement d'une batterie au magnésium - applications et difficultés
Comment fonctionne une pile au magnésium
La batterie au magnésium est une batterie primaire dont l'électrode anodique est le magnésium et dont l'électrode cathodique est un oxyde métallique ou non métallique. La batterie au magnésium est un nouveau type de batterie secondaire à fort potentiel développé ces dernières années. Comme les batteries lithium-ion, les batteries au magnésium sont principalement composées de quatre éléments : l'électrode de cathode, l'électrode d'anode, le séparateur et l'électrolyte.
Comme le montre la figure, en prenant le processus de décharge comme exemple, le métal magnésium subit généralement une réaction de dissolution du côté de l'électrode anodique pour former Mg2+, qui est dissous dans l'électrolyte. Le Mg2+ migre du côté de l'électrode de la cathode pour une réaction d'intercalation, et les électrons migrent de l'électrode de l'anode à l'électrode de la cathode à partir du circuit externe pour compléter la réaction de décharge.
Le processus de chargement est inverse.
Principales catégories de piles au magnésium
● Batterie sèche au magnésium
● Batterie secondaire en magnésium
● Magnésium batterie à l'état solide
● Batterie de réserve au magnésium
● Pile à combustible au magnésium
● Batterie à air en magnésium
Avantages de la batterie au magnésium
Par rapport aux piles au lithium, les piles au magnésium présentent les avantages suivants :
(1) Les ressources en magnésium sont abondantes. Les ressources en magnésium sont abondantes dans la croûte terrestre et les océans, et leur prix est bien inférieur à celui du lithium. Son coût ne représente que 1/25-/150 de celui du lithium et il peut être utilisé pendant des milliers d'années ;
(2) Les piles au magnésium ne sont pas faciles à faire croître les dendrites et sont très sûres ;
(3) Le magnésium et ses composés ne polluent pas l'environnement ;
(4) La densité énergétique théorique des batteries au magnésium est comparable à celle des batteries au lithium. En tant qu'électrode anodique, le magnésium métal est une réaction à deux électrons, avec une densité d'énergie massique élevée (2205 mAh-g-1), et sa densité d'énergie volumique (3833 mAh-cm-3) est encore plus élevée que celle du lithium (2046 mAh-cm-3 ).
En même temps, le magnésium a un potentiel d'électrode d'anode relativement élevé (- 2,37 Vvs SHE), de sorte que lorsque le magnésium est utilisé comme électrode d'anode, la batterie aura une tension de fonctionnement plus élevée, ce qui est propice à l'amélioration de la densité énergétique de la batterie ;
(5) Contrairement au lithium métal, le magnésium a tendance à former des structures bidimensionnelles et tridimensionnelles pendant le dépôt, de sorte que les anodes en magnésium métal sont plus sûres que les anodes en lithium métal.
(6) Le magnésium a un point de fusion et d'ébullition (648°C/1170°C) plus élevé que le lithium, et ses propriétés chimiques sont relativement inertes et faciles à traiter ;
La capacité spécifique de l'électrode anodique en magnésium est 6 fois supérieure à celle de l'électrode anodique de la batterie au lithium commerciale existante, atteignant 2230mAh/g. La cathode de magnésium bleu de Prusse présente les caractéristiques suivantes : faible coût, tension élevée et longue durée de vie. La densité énergétique théorique dépasse 500wh/kg et devrait remplacer le phosphate de fer lithié.
Application de la batterie au magnésium
Récemment, les piles sèches au magnésium n'ont été utilisées que comme sources d'énergie pour les équipements de communication militaires. En raison des contraintes liées aux anodes en alliage de magnésium qui sont difficiles à former, les piles sèches au magnésium n'ont pas été commercialisées jusqu'à présent.
Avec le développement de l'industrie de transformation du magnésium et la mise au point réussie de plaques de batterie en alliage de magnésium, la naissance des batteries sèches au magnésium deviendra une réalité, ce qui entraînera une révolution dans l'industrie des batteries.
Les batteries secondaires au magnésium sont considérées comme un nouveau type de batterie verte qui devrait convenir aux véhicules électriques en raison de leurs avantages potentiels dans les applications à forte charge, grâce à leurs facteurs de sécurité et de prix.
Les piles à réserve de magnésium peuvent être utilisées dans les domaines aérospatial, militaire et biomédical, tels que la propulsion sous-marine, les sous-marins, les bouées, les missiles, les véhicules spatiaux et les microsystèmes biologiques, etc.
En tant que source d'énergie chimique à haute énergie, les piles à combustible au magnésium ont de vastes perspectives d'application dans l'alimentation des appareils électroniques mobiles, l'alimentation des véhicules submersibles autonomes, l'alimentation des instruments marins sous-marins et l'alimentation de secours, etc. La batterie magnésium-air est une sorte de pile à combustible primaire au magnésium. La cathode utilise de l'air, qui est déchargé par la réaction d'oxydoréduction de la cathode et de l'anode. Il s'agit d'une nouvelle batterie propre, sûre et efficace.
Sa densité énergétique est plus de 20 fois supérieure à celle des batteries plomb-acide et elle peut alimenter des téléviseurs, des lampes, des ordinateurs portables, des téléphones mobiles, des GPS et d'autres équipements. À l'heure actuelle, l'entreprise a coopéré avec des entreprises pour lancer la production de masse.
Difficultés rencontrées dans le développement de la batterie au magnésium
La batterie au magnésium en est encore au stade de la recherche préliminaire, et il existe de nombreux problèmes non résolus qui font que la batterie au magnésium est loin d'être pratique. Les principaux problèmes qui entravent le développement des batteries au magnésium sont les suivants :
(1) En raison de l'activité chimique du magnésium, dans des conditions neutres et acides, le magnésium réagit violemment avec l'eau et libère de l'hydrogène gazeux, ce qui réduit l'utilisation de l'électrode et complique l'assemblage de la batterie.
(2) Absence d'un milieu non aqueux approprié pour la conduction du Mg ;
(3) En raison de la petite taille, de la densité de charge élevée et de la forte polarisation des ions magnésium, il est difficile de les insérer dans la plupart des matrices et de former des composés intégrés. Par conséquent, les matériaux cathodiques disponibles sont limités.
(4) La structure métallographique de l'alliage de magnésium laminé ou extrudé de l'anode est très défavorable à la résistance à la corrosion de la batterie. Les recherches approfondies sur la batterie au magnésium devraient permettre de résoudre les problèmes susmentionnés et de mettre au point une batterie au magnésium performante, peu coûteuse, sûre et respectueuse de l'environnement.
Les recherches futures sur les batteries au magnésium devraient principalement porter sur les aspects suivants :
(1) Améliorer la pureté des matériaux anodiques, optimiser la composition des alliages et développer des alliages de magnésium ayant une activité élevée et un faible taux de corrosion ;
(2) Les solvants précédents se limitent au THF et à l'éther, qui absorbent facilement l'eau, et l'anode de la batterie ne peut pas être utilisée dans un environnement contenant de l'eau ; il faut donc trouver un solvant sûr et bon marché ;
(3) En ce qui concerne les matériaux intégrés dans l'électrode de la cathode qui correspondent aux matériaux de l'anode, il est possible de fabriquer des nanotubes, des bâtonnets ou des matériaux dopés, et de nouveaux matériaux intégrés peuvent également être développés, tels que des matériaux composites organiques ;
(4) Explorer les méthodes de traitement et de formation du magnésium en tant que matériau d'électrode d'anode afin d'améliorer les performances de la batterie au magnésium.
Dernière réflexion :
Les réserves de ressources en magnésium de la Chine sont les premières au monde, et le développement et l'utilisation des ressources en magnésium revêtent une grande importance stratégique pour le développement de notre pays ; elles devraient devenir une nouvelle génération de piles au magnésium. meilleures piles rechargeables à l'avenir.
