引言：镁及镁合金当前有近100万吨的产量，虽明显不及铝合金的产量，但镁合金在轻量化部件制造、医疗、农业以及能源存储等方向开展了大范围的研究和应用。本文展开论述镁及镁合金在能源领域的应用。镁在能源领域的应用主要围绕镁基储氢和镁电池两方面。镁储氢能力很强，存储密度是气态氢的1000倍，是液态氢的1.5倍，镁储氢还可纯化氢气；镁作为电池负极材料可使电池具有很高的理论比容量（2.22Ah/g）。因此镁作为储氢材料和电池负极材料展现出巨大的潜力。
“文章内容来源于镁及镁合金文献和大量的推广应用报道。本公众号仅做汇总和阐述。在此感谢各位前辈在镁及镁合金行业的开拓和付出”。所述并不详尽（尤其缺乏国外相关单位信息），欢迎留言沟通，促成镁合金更广泛的研究和应用。
声明：本文是几篇参考文献的整合，上述文章关于镁基储氢和镁电池的论述已较为详尽，因此，本文仅做拷贝、删减和简单汇总，以完善本公众号《镁的应用》系列。（侵 删）
镁的内禀功能有五个，第一是比重轻；第二是阻尼性能优，能够降噪减震；第三是储氢量大；第四是电化学容量高；第五是生物可降解。归纳来看，我们把前面两个视作“轻量化之镁”；后面三个视作“氢科学之镁”，具体分为能源之镁、医学之镁、农业之镁。（丁文江院士采访报道）
其中，镁在能源领域的发展，与氢存储有密不可分的关系（方向之一）。氢能的利用形式包括将水、风、光能等一次能源以氢的形式进行再存储（氢储能），通过燃料电池发电的形式满足电力供应的需求，最大限度地跨地区、跨季节利用可再生能源，与绿色能源发电协同互补。目前储氢有高压气态储氢、液态储氢和固态储氢 3 种方式。固态储氢是目前最可靠、最安全、最高体积效率的储氢方式。
镁基材料是其中的一类典型固态储氢材料（A2B型镁系储氢合金）。纯镁的理论储氢量高达7.6%，镁基固态储氢体积和质量密度都非常高，这是它非常大的优势。在300~400℃和较高的氢压下，镁可与氢气直接反应生成MgH2，并放出大量的热，反应方程式如下：Mg + H2 = MgH2
Mg热力学稳定性高，放氢性能差，因此纯镁只能在高温高氢压下氢化，高温低压下脱氢，限制了其实际应用。为降低Mg放氢温度，改善热力学性能，可通过Mg与Ni，Cr，Co，Fe，Ti，RE（稀土）等金属合金化、添加催化剂、纳米化等方式加以改善。镁基固态储氢存在的难点问题如下：
镁在储氢材料方面的发展
“镁储氢能力非常强，储氢密度是气态氢的1000倍、液态氢的1.5倍。”潘复生院士表示，由于镁及镁金属是常温常压，所以安全性远高于气态和业态储氢。此外，镁储氢还可纯化氢气。镁固态储氢材料在储氢过程当中可以转化为99.999%的绿氢。
镁储氢学术研究进展可参考文献：镁基固态储氢材料研究进展，科技导报(2022)，镁基储氢材料的性能及研究进展 (2023)； 镁基储氢材料的研究进展(2022)；镁基储氢合金的研究现状(2020)；Hydrogen energy, economy and storage: Review and recommendation (2019)；Magnesium nanocrystal-polymer composites: A new platform for designer hydrogen storage materials (2011)；Hydrogen in magnesium: new perspectives toward functional stores (2010)。目前工业上的应用规模较少，前景较好。
很巧，看到个报道，2024年9月20-22日开展首届镁基固态储氢及其关键材料专题研讨会。与会单位包括：中国有色金属工业协会镁业分会、池州市政府支持单位、上海交通大学、重庆大学、安徽宝镁轻合金有限公司、中国有研科技集团、浙江大学、中科院长春应用化学所、四川大学、复旦大学、北京大学、南开大学、东南大学、中石化（大连）石油化工研究院、广西大学、哈工大、陕西科技大学等等。（非行业内，不太了解，但一定还有更多的氢储能研究单位未能提及）。参与单位均对镁储氢行业的研究和应用做出巨大的贡献。
首届镁基固态储氢及其关键材料专题研讨会
镁业分会秘书处，公众号：中国有色金属工业协会镁业分会关于召开“中国有色金属工业协会镁业分会第五届第四次理事会”的通知
法国 McPhy 公司在 2010 年前后开发了以 Mg 基合金为储氢介质的 Mc-Store 储氢系统，单罐储氢量可达 5 kg；
澳大利亚的 Hydrexia 公司在 2015 年设计出了基于 Mg 基合金的储运氢装备，单车储运氢量 700 kg，可用于氢气的大规模安全储运；
上海交通大学与氢储（上海）能源科技有限公司合作研制出中国首个 70 kg 级 Mg 基固态储氢装置原型，并与宝武清洁能源有限公司合作开发了名为“氢行者”的“太阳能发电-电解水制氢-Mg 基固态储/供氢”撬装式一体化氢能源系统，首次实现了 Mg 基储氢合金体系的示范化应用。
2022年，重庆大学与重庆两江新区联合共建重庆新型储能材料与装备研究院。研究院瞄准国家能源战略和能源转型前沿技术，聚焦科技成果转化，目标建成世界最大的新型储能材料与装备研究院。研究院发布研究院示范项目如下：
2024年9月10日，华镁时代投料试产全球首条百吨级镁基固态储氢材料生产线，将整条产线及技术从法国引进，氢化镁的年产量可达100吨。
上交大团队将目光瞄准能够量产的材料，通过各种工艺创新和材料结构创新，从蒸气开始，到镁原子—镁颗粒—氢化镁，成功研发出低成本、批量化材料的生产技术，做出形状如药片的产品，可以像运大米、面粉一样把氢放在镁的固体里进行储运。储氢的质量密度达到6.2%，循环的次数达到3000次，且储放的密度没有明显的衰减，如此的高密度储存会带来很多经济效益。
科研团队经过实验室阶段的长期攻关，完成了材料结构的创新，但是要走向产业化，与加氢站、工业、生活等使用场景耦合，在实际生产中让固态储氢有效发挥作用，还需要进一步探索。上海交通大学氢科学中心科研团队联合氢枫能源共同进行产业化开发研究，经过4年的联合攻关，先后投入资金数千万元，率先制造出了国内首辆吨级镁基固态储运氢车。
该镁基固态储运氢车主要优势：安全性高，常温常压存储，无需担心高压下的防爆问题；储氢密度高，同等重量的储氢车，高压气态储氢容量约350kg，镁基固态储氢容量可达到1t以上；能净化存储，可有效去除CO和H2S等杂质；应用场景丰富，从kW级、MW级至GW级储能均可使用。
在此过程中，达到了以吨级工程化能力来制备镁氢的水平，同时也研发了不同场景下应用材料可控的技术和材料制备的工业化生产装备。例如，应用于实验室的1千克储氢装置；应用于半导体产业的5千克储氢装置；应用于批量制造材料领域的75千克储氢装置。实现小规模的企业供应。
上海交大团队 镁储氢+氢燃料电池，实现能源的存储和释放
镁在储氢材料方面的应用范围
适用于楼宇/园区/家用燃料电池热电联供系统、燃料电池氢源、氢储能系统、氢冶金/氢化工等应用场景。
未来镁基固态储氢技术的应用示意
以色列科学家Doron Aurbach在2000年提出镁金属二次电池模型，至今已发展20余年。相比于锂，镁是更理想的金属负极。目前仍处于初级研究阶段，距离商业化（或许）仍有很长的路要走。
镁离子电池与锂离子电池工作原理相似。充电时，镁离子从正极活性物质中脱出， 在外电压的驱使下经由电解液向负极迁移; 同时，镁离子嵌入负极活性物质中; 因电荷 平衡，所以要求等量的电子在外电路的导线中从正极流向负极。充电的结果是使负极处于富镁态，正极处于贫镁态的高能量状态，放电时则相反。外电路的电子流动形成电流， 实现化学能向电能的转换。
相比锂电池，镁电池的优势如下，
储量丰富，成本低：与金属锂相比，金属镁具有资源丰富、提纯工艺简单、成本更低廉等优点，有利于降低电池成本。
能量密度更高：镁与锂化学相似，但镁具有更高的理论能量密度和低的电极电位。镁离子的二阶特性使得其可以携带和存储更多的电荷，具有更高体积比容量（3833 mAh/cm-3）和理论能量密度（150-200 Wh/kg）；镁金属的比容量（2205Ah/kg）虽然不及锂金属（3862mAh/g），但是也远大于石墨负极储锂的比容量；镁氧化还原电对的标准电极电势（-2.37V） 比锂高（-3V），但是也属于较低的金属。
安全性能更好：枝晶生长是影响锂离子电池安全性和稳定性的根本问题之一。锂电池在充电过程中锂离子还原时形成的树枝状金属锂。锂枝晶的生长会导致锂离子电池在循环过程中电极和电解液界面的不稳定，破坏生成的固体电解质界面膜，锂枝晶在生长过程中会不断消耗电解液并导致金属锂的不可逆沉积，形成死锂造成低库伦效率；锂枝晶的形成甚至还会刺穿隔膜导致锂离子电池内部短接，造成电池的热失控引发燃烧爆炸。
相较于锂离子电池，镁电池离子相对安全，在充放电循环过程中负极不会出现镁枝晶（得益于镁良好的沉积性能），在充放电循环过程中不会出现类似于锂电中的锂枝晶生长刺穿隔膜并导致电池短路起火、爆炸等现象。
2. 镁电池的组成
镁电池由三个部分组成：镁负极、电解液、正极材料。镁离子电池研究目前主要集中于正极材料和电解质。
镁负极材料
金属镁在循环过程中的均匀沉积行为，这使其本身就是一种很好的负极材料。镁负极要求是镁离子能进行可逆沉积和溶解。目前研究致力于避免一些传统的极性有机电解液或者含水电解液中使 Mg 负极表面生成钝化膜，致使Mg2+被钝化膜绝缘。
正极材料
要满足容量大、电压平台高、可逆性好、循环效率高、安全稳定、资源丰富、易于制备等要求。现阶段主要包括嵌入脱出型正极材料（切弗里相化合物、层状化合物、聚阴离子型化合物）、转换类型正极材料（过渡金属硫化物及硫、过渡金属氧化物）、有机物正极材料等。
切弗里相化合物：Mo6T8具有较快的嵌镁动力学，优异的循环稳定性，然而低电压(1.2 V)和低容量(120 mAh∙g−1 )导致其能量密度(140 Wh∙kg−1 )很难满足实际需要。
层状化合物：提供丰富的化学活性插入位点，具有快速嵌入/脱出的能力；层与层之间的范德华力较弱；高电子导电性，有助于加快反应动力学；层状过渡金属氧化物具有高工作电压、结构稳定且价格低廉等优点。
聚阴离子型化合物：建立在过渡金属和聚阴离子上的具有强共价键连接成的三维网络结构，该类材料种类丰富、电压高、结构稳定、聚阴离子间诱导效应强。
过渡金属硫化物及硫：金属硫化物(MoS2，TiS3，TiS2，VS4，NiSx， CuS，CoS)和硒化物(Cu2Se，WSe2)因具备较高的理论容量受到人们的关注。S 作为镁 离子电池正极材料，结合 Mg 负极，发生两电子的转换反应（Mg2++S+2e-↔MgS）使得理论能量密度高达 3200 Wh L-1。
过渡金属氧化物：过渡金属氧化物，尤其是锰氧化物，由于其成分丰富、晶体 结构丰富，是目前研究最多的转换类型镁离子电池正极材料。
有机物正极材料：（1）羰基化合物。羰基化合物的化学式通式为 2R―C＝O (R=H、CH2 和苯环等)， 它具有理论容量高、分子结构灵活、原料丰富等优点。（2）有机自由基，其化学式通式为 N―3R (R = H、O 和苯环等)，由于它具备快速的电子传输特性，因此被寄予厚望以解决 Mg2+离子扩散迟缓的问题。（3）有机硫化物，是一种 n 型有机材料，化学式通式为 R―S―S―R (R=苯环和五元环等)，其储镁机理是基于二硫键(S―S)的可逆断裂和生成。到目前为止， 有机硫化物正极仍受限于较差的循环性能。
电解质
是可充镁电池中镁离子传输的载体，通过电子转移或者离子转移提供电化学性能。对于锂电池，电解质溶液通常是通过溶解简单的盐与阴离子在碳酸盐/非质子溶剂中制备的，锂可以从这些溶剂中可逆脱嵌。然而，镁金属在非质子溶剂中会在负极表面形成钝化层，这对镁离子的电化学迁移和可逆的沉积、溶解是不利的。因此，开发一种既可以实现镁的可逆沉积又不会产生钝化层的电解液对于镁离子电池的发展十分重要。
电解质主要包括液态电解质和固态电解质。
液态电解质：液态电解液是当前镁离子电池体系最适合的电解液之一。与固态电解质相比，液态电解液的离子电导率更高、可逆性以及循环性能更好，更容易制备且粘度更低。镁离子电池体系的液态电解液主要包括无机电解液、硼基电解液、镁有机卤铝酸盐基电解液、 酚盐或醇盐基电解液和非亲核电解液。研究涉及了（1）格林试剂；（2）有机镁氯铝酸盐电解液；（3）非亲核电解液（HMDSMgCl）；（4）硼基电解液。
固态电解质：固态电解质具有安全性能好、机械性能优、电压窗口宽及能量密度高等优点。根据组成的不同可将电解质分为无机固态电解质（磷酸盐、硼氢化物、硫族化合物、金属有机框架材料）、有机固态电解质（添加镁盐，可能添加无机填料）和有机无机复合固态电解质。
需要声明一点，随着锂价的高企，企业和研究机构纷纷研究钠离子电池、镁离子电池、铝离子电池等作为相对廉价的替代品，但目前技术上还有很多问题需要解决，锂离子电池的技术也在不断进化，短期内锂电池的“王者地位”还无法撼动。
镁一次电池—初代镁电池
镁海水电池—无需额外携带电解质，适合海洋作业
镁海水电池在 20 世纪 40 年代开始出现，通常指在海洋环境中工作并以海水作为电解质的化学电源，其特点是不需要额外携带电解质。镁海水电池通常采用活泼金属或合金为阳极，金属氯化物（CuCl、AgCl、PbCl2）、 过氧化氢或海水中溶解的氧气为阴极活性物质，采用海水作为电解质溶液，接入负载形成回路，依靠金属的不断溶解提供电能。
青岛能源所科研团队以中国科学院深海智能技术先导专项为牵引，已突破了镁金属二次电池制作工艺上的关键技术瓶颈，开发出能量密度 560 瓦时/千克的单体电池。基于该单体电池设计组装的镁硫电池系统，不仅顺利通过了深海高压环境的模拟打压测试，而且已经跟随中国科学院深海所科考船，在南海实现了深海环境下连续 30 小时的稳定工作，成功实现了镁金属二次电池的示范应用。
镁空气电池—安全可靠的新型燃料电池
镁-空气电池也称镁金属燃料电池，以镁或镁合金作负极，空气作正极，电解液一般为无机盐溶液。镁-空气电池以金属为燃料，合理利用了空气中的氧气，具有安全可靠、成本低、无污染、放电稳定、比能量高等优点。
镁空气电池电量用完后，可以通过更换镁板实现能量的重新补充，即可设计成“机械式再充电的”二次电池，被誉为未来最具发展和应用前景的新能源。
4、全球多款镁空气电池研发成功。
韩国研发的一辆搭载完整镁空气电池的电动汽车能 成功行驶 800 公里，是当前锂电池动力汽车平均续航里程的 4 倍；
日本多家机构包括古河电池、尼康、日产汽车、日本东北大学、宫城县日向市等，正积极推进镁空气电池的大容量化研究；日本 Agua Power 公司已经成功开发制造和商业化镁空气电池，并已注册专利十多项。
宁波材料所动力锂电池工程实验室成功研制出 1000Wh 镁空气 电池样机，该镁空气电池的重量为 2.3 kg，能量密度可达 430 Wh/kg，最大输出功率可 达 80W；
南开大学电子信息与光学工程学院王卫超教授、美国休斯敦大学姚彦教授联合研究团队，成功将锰基莫来石材料作为催化剂应用于镁空气电池，大幅降低了成本，可在中性电解液中稳定工作，其优越的催化活性极大提高了镁/空气电池的效率。
迈格镁业的空气燃料电池重量不到 300 克，但却可以为 10 部普通手机充满电， 也可以带动 1w 的照明灯连续工作一星期。
2022年，重大联合广东国研、广东省科学院等单位合作首次试制出安时级的镁二次电池软包电芯，荣获2022年国际“镁未来技术奖”。重大（重庆新型储能材料与装备研究院）研发的镁-普鲁士蓝电池、镁硫电池、镁硫化铜电池、镁二氧化钒电池的能量密度均已高于磷酸铁锂电池，特别是镁硫电池。目前已经与企业合作开始批量生产。
2024年，重庆超威镁储能研究院有限公司（以下简称“超威镁储能研究院”）落户重庆市两江协同创新区，项目总投资4亿元，将打造镁离子电池研发总部。
等等...
镁空气电池目前表现出来的劣势：(1)容量损失大，(2)负极利用率低，(3)电压损耗大。其中，容量损失大和负极利用率低主要是由于镁的自腐蚀引起的，而镁的负差效应将进一步加剧镁的自腐蚀。
展望/观点
参考文献：
[1] 根据网络资料进行整理。
[2] 镁基固态储氢行业专题报告：镁基储氢，打开镁行业广阔前景
[3] 镁电池行业专题研究：潜力无限的下一代高性能电池突破方向
[5] 瞭望·瞭望访谈 | 中国工程院院士丁文江：推动中国氢能产业迈上新台阶
[6] 潘复生院士
[7] 世界领先、全国首台！吨级镁基固态储运氢车在上海发布...
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