中國儲能網(wǎng)訊：鎂合金作為輕量化材料而受到期待，其實鎂合金還是一種高性能電池的電極材料。這種電池是用鎂作電極的“鎂燃料電池”（也叫鎂空氣電池）。鎂合金作為構造材料，有容易與水等反應的缺點，但作為電極，這種缺點卻成了一種武器。
鎂燃料電池，是用鎂作為負極活性物質、用空氣中的氧作為正極活性物質的一次性電池，利用鎂與氫氧根離子結合后會釋放電子的現(xiàn)象來發(fā)電。因為反應很難控制，迄今一直無法達到實用水平，但只要解決這一問題并完全發(fā)揮鎂的實力，便可對解決能源問題起到積極作用，因此相關開發(fā)也在推進之中。
可改變反應位置來發(fā)電
由日本東京工業(yè)大學理工學研究系機械物理工學專業(yè)教授矢部孝等人設計的鎂燃料電池，采用了稱為“薄膜型”的構造（圖1）。這種電池配置了兩個卷軸，從一個卷軸送出鎂薄膜，然后用另一個卷軸將其一點點地卷繞起來*1。想象一下錄像帶或傳統(tǒng)照相機使用的膠卷，也許就比較容易理解了。這種電池在相當于錄像帶磁頭、相機膠卷中按快門的位置設置了反應室。
*1 鎂薄膜方面，考慮采用在薄膜中涂布及蒸鍍鎂，以及用薄膜分層加工鎂箔等方法制造。
圖1：薄膜型鎂燃料電池的構造
通過讓負極的鎂薄膜發(fā)生反應來發(fā)電。一邊卷繞一邊發(fā)電，可以讓鎂充分發(fā)生反應。鎂薄膜為盒式，用完之后可以更換。
如篇首提到的那樣，鎂燃料電池本身并不是一個新創(chuàng)意。只要有鎂、電解質和正極端電極（碳等），就能構成這種電池，而且理論上可獲得比鋰（Li）離子充電電池更大的能量密度，因此以前就備受關注。
但是，將鎂合金用作負極的話，在鎂溶解于電解液的同時，還會發(fā)生自我放電*2。因此，光靠電極溶解，無法獲得充分的發(fā)電量。尤其是電解液呈酸性時，這種現(xiàn)象更為明顯。
*2 自我放電：產生的電子和電解液中的氫離子發(fā)生反應后產生氫氣的現(xiàn)象。
另一方面，為了防止自我放電而采用堿性電解液時，又會在負極鎂合金表面形成氫氧化鎂〔Mg（OH）2〕惰性膜，從而導致通電停止。所以，采用傳統(tǒng)材料，無法有效利用鎂來發(fā)電。
為了解決這些問題，矢部的燃料電池使用了鎂薄膜。在反應室內使鎂的表面發(fā)生反應后，可在不除去惰性膜的情況下送出薄膜。也就是說，可使發(fā)生反應的位置不斷發(fā)生變化。采用這種方式的話，使用堿性電解液也能使鎂充分發(fā)生反應，從而“可以高效發(fā)電”（矢部）。
矢部的研究室2010年通過實證實驗證實，可以獲得1300Ah/kg的電容量。矢部稱，“智能手機的放電容量為1000～1500mAh。只要有1g鎂，就能讓智能手機使用一天”。
而且，不使用時鎂也不會劣化，長時間停止使用后仍能重新發(fā)電，這也是薄膜型鎂燃料電池的一大優(yōu)點。存放鎂（反應之前的鎂）的薄膜卷離反應盒較遠，因此還具有安全性高、容易縮小尺寸等特點。
用作便攜終端電池
矢部認為薄膜型鎂燃料電池將來會實用化，于是面向多種用途推進了開發(fā)，包括智能手機、高爾夫推車、車站內的電光標牌。
其中在智能手機用小型鎂燃料電池方面，美國大型廠商計劃于2013年內啟動使用電池樣機的實證實驗。矢部表示，該電池內置了約3g的鎂，裝上這種電池后，“一個月內無需為智能手機充電”。
關于薄膜型鎂燃料電池，矢部設想在盒裝狀態(tài)下回收鎂并進行循環(huán)再利用。因預計這種技術會實用化，矢部還打算開發(fā)使用半導體激光的鎂回收技術。
讓阻燃性鎂合金不斷反應
日本東北大學未來科學技術共同研究中心教授小濱泰昭打算采用與矢部不同的方法，解決傳統(tǒng)鎂燃料電池存在的問題。小濱發(fā)現(xiàn)，使用阻燃性鎂合金，可以抑制自我放電，并緩慢進行氧化反應。這樣發(fā)電就不會停止，從而可有效利用電極的鎂。
這種阻燃性鎂合金是日本產業(yè)技術綜合研究所設想用作構造材料而開發(fā)的，添加了百分之幾（重量比例）的鋁（Al）和鈣（Ca）。
小濱以前一直在開發(fā)利用地面效應（飛行在地面附近的飛行器會產生巨大升力的現(xiàn)象）的高速運輸系統(tǒng)。在此過程中為了減輕車身重量而使用了阻燃性鎂合金。小濱認為，阻燃性也就是不易與氧發(fā)生反應，這種特點十分適合鎂燃料電池，于是便著手進行開發(fā)。
小濱使用阻燃性鎂合金，與產業(yè)技術綜合研究所、古河電池、日本素材（總部：仙臺市）等合作，試制出了高性能鎂燃料電池（圖2）。電池單元的電壓為1.5V，每個單元具備60Ah的發(fā)電能力。電極的能量密度也高達1.55Wh/g，因此小濱稱，“打算半年以內開始銷售”。
圖2：日本東北大學的小濱等人試制的鎂燃料電池
（a）為電池內部。由五個電池單元排列而成。（b）為電池單元。在中間的網(wǎng)狀部分與電解液發(fā)生反應。（c）電極的阻燃性鎂合金。右為未使用的鎂合金，中間為發(fā)生一定程度反應后的鎂合金，左為使用完的鎂合金。發(fā)生反應的鎂合金會變成Mg（OH）2溶解到電解液中。
從發(fā)電成本的角度來看，鎂燃料電池要比使用汽油的發(fā)電機遜色。但是，如果目前2000日元/kg左右的阻燃性鎂合金價格能夠降至500日元/kg左右，便可在成本方面獲得競爭力，因此小濱非常希望鎂合金能夠降低價格。
利用太陽能來還原鎂
鎂燃料電池的開發(fā)并沒有僅僅停留在制造一次性電池上。有人提出了一個構想，那就是利用太陽能進行熱還原，回收已用完電極的鎂，以便循環(huán)再利用。
與電解液反應后用完的負極鎂會變成Mg（OH）2或氧化鎂（MgO）。上述構想是，將其回收并運送到沙漠中，然后利用沙漠的太陽能進行熱還原，再把生成的鎂重新運回日本使用。也就是說，利用沙漠中的豐富太陽能得到鎂，再把鎂運到日本（圖3）。通過電纜將電力輸送到日本雖然非常困難，但得到鎂之后，便可采用物理方法進行運輸。
圖3：通過鎂來利用太陽能的構想
將用完的鎂運輸至沙漠地帶，利用豐富的太陽能進行熱還原，并再次運至日本重新使用。
提出這種“鎂循環(huán)社會”構想的人是東工大的矢部。矢部目前考慮使用半導體激光，但將來打算利用“太陽光激勵激光”*3作為熱源，對鎂進行熱還原。
*3 太陽光激勵激光 通過向作為介質的材料照射太陽光來激發(fā)的激光。
東北大學的小濱也描繪了類似的藍圖。其構想是，將用完的鎂運到名為陽光地帶的沙漠地區(qū)進行熱還原。不過，小濱設想使用凹鏡來進行熱還原。打算使用可通過聚集太陽光來獲得高溫的太陽爐。據(jù)其介紹，如果可以獲得1200℃左右的溫度，便可以進行熱還原。
小濱2011年實施了使用直徑1.5m左右的太陽爐將用過的Mg（OH）2以金屬鎂箔的形式回收的實驗。
目前，除了古河電池及尼康之外，其他商社及物流公司也參與進來，共同啟動了名為“Magnesium Soleil”的項目，現(xiàn)在正以形成業(yè)務為目標進行討論。
小濱說，“鎂不像核電那樣存在風險，也不會像化石燃料那樣會枯竭，而且完全不存在溫室氣體排放等環(huán)境問題，是一種清潔燃料”。而且，鎂在海水中的含量十分豐富。也可以利用太陽能從海水中提煉鎂。
經由鎂燃料電池，將太陽能有效地轉換成電力。小濱將這種體系稱為“燃料耕種”。與已經實用化的氫燃料電池相比，鎂燃料電池能以很少的使用量獲得同等的發(fā)電量，而且容易搬運，因此具有優(yōu)勢。據(jù)小濱教授推算，28.4g鎂獲得的能量與60L氫氣獲得的能量相同。
不過，鎂燃料電池也存在課題。一個是空氣極的耐久性。這種電池使用的可以透過空氣的多孔質碳，還需要提高耐久性。另一個課題是，進行熱還原時使用的催化劑鐵硅（Fe-Si）需要耗費能源來制造。小濱表示，今后“必須探討使用太陽能制造鐵硅的方法”。 （作者：吉田勝、中山力，日經技術在線！供稿）
