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【“沉睡”的镁合金】(七)用鎂薄膜制成高容量镁燃料电池:"一个月内无需为智能手机充电"

2014年01月23日08:33    

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镁合金作为轻量化材料而受到期待,其实镁合金还是一种高性能电池的电极材料。这种电池是用镁作电极的“镁燃料电池”(也叫镁空气电池)。镁合金作为构造材料,有容易与水等反应的缺点,但作为电极,这种缺点却成了一种武器。 

镁燃料电池,是用镁作为负极活性物质、用空气中的氧作为正极活性物质的一次性电池,利用镁与氢氧根离子结合后会释放电子的现象来发电。因为反应很难控制,迄今一直无法达到实用水平,但只要解决这一问题并完全发挥镁的实力,便可对解决能源问题起到积极作用,因此相关开发也在推进之中。 

可改变反应位置来发电 

由日本东京工业大学理工学研究系机械物理工学专业教授矢部孝等人设计的镁燃料电池,采用了称为“薄膜型”的构造(图1)。这种电池配置了两个卷轴,从一个卷轴送出镁薄膜,然后用另一个卷轴将其一点点地卷绕起来*1。想象一下录像带或传统照相机使用的胶卷,也许就比较容易理解了。这种电池在相当于录像带磁头、相机胶卷中按快门的位置设置了反应室。 

*1 镁薄膜方面,考虑采用在薄膜中涂布及蒸镀镁,以及用薄膜分层加工镁箔等方法制造。 

图1:薄膜型镁燃料电池的构造

通过让负极的镁薄膜发生反应来发电。一边卷绕一边发电,可以让镁充分发生反应。镁薄膜为盒式,用完之后可以更换。

如篇首提到的那样,镁燃料电池本身并不是一个新创意。只要有镁、电解质和正极端电极(碳等),就能构成这种电池,而且理论上可获得比锂(Li)离子充电电池更大的能量密度,因此以前就备受关注。 

但是,将镁合金用作负极的话,在镁溶解于电解液的同时,还会发生自我放电*2。因此,光靠电极溶解,无法获得充分的发电量。尤其是电解液呈酸性时,这种现象更为明显。 

*2 自我放电:产生的电子和电解液中的氢离子发生反应后产生氢气的现象。 

另一方面,为了防止自我放电而采用碱性电解液时,又会在负极镁合金表面形成氢氧化镁〔Mg(OH)2〕惰性膜,从而导致通电停止。所以,采用传统材料,无法有效利用镁来发电。 

为了解决这些问题,矢部的燃料电池使用了镁薄膜。在反应室内使镁的表面发生反应后,可在不除去惰性膜的情况下送出薄膜。也就是说,可使发生反应的位置不断发生变化。采用这种方式的话,使用碱性电解液也能使镁充分发生反应,从而“可以高效发电”(矢部)。 

矢部的研究室2010年通过实证实验证实,可以获得1300Ah/kg的电容量。矢部称,“智能手机的放电容量为1000~1500mAh。只要有1g镁,就能让智能手机使用一天”。 

而且,不使用时镁也不会劣化,长时间停止使用后仍能重新发电,这也是薄膜型镁燃料电池的一大优点。存放镁(反应之前的镁)的薄膜卷离反应盒较远,因此还具有安全性高、容易缩小尺寸等特点。 

用作便携终端电池 

矢部认为薄膜型镁燃料电池将来会实用化,于是面向多种用途推进了开发,包括智能手机、高尔夫推车、车站内的电光标牌。 

其中在智能手机用小型镁燃料电池方面,美国大型厂商计划于2013年内启动使用电池样机的实证实验。矢部表示,该电池内置了约3g的镁,装上这种电池后,“一个月内无需为智能手机充电”。 

关于薄膜型镁燃料电池,矢部设想在盒装状态下回收镁并进行循环再利用。因预计这种技术会实用化,矢部还打算开发使用半导体激光的镁回收技术。 

 

(责编:值班编辑、庄红韬)

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