有歐美科學(xué)家正在拓寬他們的新能源思維，將目光鎖定在一種此前從未被關(guān)注的物質(zhì)之上——金屬鎂，認(rèn)為它有可能成為新能源的一種替代品。金屬鎂的活性非常大，并且蘊(yùn)含巨大能量?？茖W(xué)家估算，海水當(dāng)中的氧化鎂至少夠全世界消耗30萬年，西方的科研人員目前正試圖尋找更好的辦法，從金屬鎂中分解出能量。
加拿大不列顛哥倫比亞省能源公司MagPower的工程師們已經(jīng)研究出了一種新穎的方法。他們用水和空氣與鎂燃料發(fā)生反應(yīng)，以鎂作為金屬陽極制造出了一種新型的金屬燃料電池。無獨(dú)有偶，以色列希伯來大學(xué)的多倫·奧巴赫也發(fā)明出了一種以鎂為基礎(chǔ)的鋰離子可充電電池，這種電池壽命長(zhǎng)且比較穩(wěn)定。而美國加州理工大學(xué)的安德魯·肯德勒則另辟蹊徑，利用鎂燃料和液體反應(yīng)生成氫氣，后者可作為燃料電池的能源，反應(yīng)生成的氧化鎂則是一種相對(duì)無害的物質(zhì)。
鎂電池——新能源利用方式的革命
從理論上講，鎂離子電池可供提高的研究發(fā)展空間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋰離子電池，如果能實(shí)現(xiàn)鎂離子電池一半的理論容量，將會(huì)是一場(chǎng)新的能源利用方式的革命，故能開發(fā)出實(shí)用的二次Mg電池，其意義將超過現(xiàn)在的Li離子電池。也可以說，Mg離子電池是迄今為止最具有理論前景的適用電動(dòng)汽車的綠色蓄電池
作為麻省理工學(xué)院衍生公司的Pellion科技將研發(fā)低成本的高能量密集可充電鎂離子電池，有潛力突破當(dāng)前各種電動(dòng)和混合電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能技術(shù)。Pellion將大量進(jìn)行計(jì)算材料設(shè)計(jì)，并加快材料合成和電解質(zhì)優(yōu)化，以鑒定出新的高能密集鎂陽極材料以及可兼容的電解化學(xué)材料。
鎂空氣電池——改變反應(yīng)位置來發(fā)電位置
日本東京工業(yè)大學(xué)理工學(xué)研究系機(jī)械物理工學(xué)專業(yè)教授矢部孝等人設(shè)計(jì)的鎂燃料電池，采用了稱為“薄膜型”的構(gòu)造。這種電池配置了兩個(gè)卷軸，從一個(gè)卷軸送出鎂薄膜，然后用另一個(gè)卷軸將其一點(diǎn)點(diǎn)地卷繞起來(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)。想象一下錄像帶或傳統(tǒng)照相機(jī)使用的膠卷，也許就比較容易理解了。這種電池在相當(dāng)于錄像帶磁頭、相機(jī)膠卷中按快門的位置設(shè)置了反應(yīng)室。
通過讓負(fù)極的鎂薄膜發(fā)生反應(yīng)來發(fā)電。一邊卷繞一邊發(fā)電，可以讓鎂充分發(fā)生反應(yīng)。鎂薄膜為盒式，用完之后可以更換。
日本東北大學(xué)未來科學(xué)技術(shù)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(jìn)行氧化反應(yīng)。這樣發(fā)電就不會(huì)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(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所設(shè)想用作構(gòu)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(yīng)(飛行在地面附近的飛行器會(huì)產(chǎn)生巨大升力的現(xiàn)象)的高速運(yùn)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(rèn)為，阻燃性也就是不易與氧發(fā)生反應(yīng)，這種特點(diǎn)十分適合鎂燃料電池，于是便著手進(jìn)行開發(fā)。
小濱使用阻燃性鎂合金，與產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所、古河電池、日本素材(總部：仙臺(tái)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(gè)單元具備60Ah的發(fā)電能力。電極的能量密度也高達(dá)1.55Wh/g，因此小濱稱，“打算半年以內(nèi)開始銷售”。
圖2：日本東北大學(xué)的小濱等人試制的鎂燃料電池
(a)為電池內(nèi)部。由五個(gè)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(yīng)。(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(yīng)后的鎂合金，左為使用完的鎂合金。發(fā)生反應(yīng)的鎂合金會(huì)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(jī)遜色。但是，如果目前2000日元/kg左右的阻燃性鎂合金價(jià)格能夠降至500日元/kg左右，便可在成本方面獲得競(jìng)爭(zhēng)力，因此小濱非常希望鎂合金能夠降低價(jià)格。
鎂循環(huán)注射——大海之中氧化鎂蘊(yùn)含大能量
但這些新奇的發(fā)明距離實(shí)際應(yīng)用還有一定距離。東京理工大學(xué)的Takashi Yabe博士指出，雖然自然界中鎂的含量非常豐富，但鎂的提取和制造成本很高，實(shí)際操作中還會(huì)產(chǎn)生不小的碳排。鎂有很多的工業(yè)制造方法，比如電解和一種被稱為皮江法(PidgeonProcess)的高溫提鎂工藝，但是這類方法耗能巨大，生產(chǎn)1公斤的鎂大致需要消耗10公斤的煤。
為了改進(jìn)這一流程，Yabe博士研發(fā)出了一種只利用可再生能源的工藝。他的方法是利用高強(qiáng)度太陽能產(chǎn)生激光，從而以極高的溫度燃燒海水，從中提取出氧化鎂。Yabe博士稱，海水當(dāng)中的氧化鎂儲(chǔ)量巨大，至少夠全世界消耗30萬年。他進(jìn)一步解釋稱，利用太陽能產(chǎn)生激光是必須的，因?yàn)閮H靠太陽能無法產(chǎn)生3700攝氏度的高溫，而這個(gè)溫度是提取海水中氧化鎂的必備條件。
Yabe博士將這一方法命名為“鎂注射循環(huán)”。純凈的鎂可以作為一種燃料(其能量密度大致是氫氣的10倍)。鎂和水混合在一起會(huì)產(chǎn)生熱量，將水加熱為水蒸氣，便可通過推動(dòng)渦輪等方式供能。反應(yīng)還會(huì)產(chǎn)生氫氣，燃燒后可以生成更多的能量。最終反應(yīng)的產(chǎn)物是水和氧化鎂，可以通過激光再次轉(zhuǎn)化回來。
當(dāng)然，這一工藝也并非十全十美，主要問題集中在太陽能收集器通常非常巨大，并且造價(jià)不菲。除此之外，太陽能產(chǎn)生的激光通常功率比較低。Yabe博士采用的對(duì)策是使用較小的菲涅耳透鏡，這是一種透明、相對(duì)較薄的、由同心環(huán)棱鏡構(gòu)成的平面反光鏡。這種鏡子常被安裝在燈塔之上，用以放大光線。他的另一個(gè)手段就是大幅提升激光材料——摻釹釔鋁石榴石的能量輸出。這種物質(zhì)普通情況下只能吸收入射光線中7%的能量，但涂上鉻之后這一數(shù)字會(huì)飆升至 67%。
Yabe博士已經(jīng)開始和三菱公司展開合作，在日本千歲地區(qū)建立了一個(gè)示范工廠。這座工廠中的激光設(shè)備能夠產(chǎn)生80瓦的能量，足以分解出海水中70%的鎂。據(jù)Yabe博士透露，當(dāng)激光能夠產(chǎn)生400瓦能量的時(shí)候，“鎂注射循環(huán)”就可以大范圍商用。這一幕有望在未來10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)，“初始階段我們計(jì)劃每年用300條激光射線生產(chǎn)50噸鎂。
燃料耕種——沙漠地帶太陽能進(jìn)行熱還原
東北大學(xué)的小濱也描繪了類似的藍(lán)圖。其構(gòu)想是，將用完的鎂運(yùn)到名為陽光地帶的沙漠地區(qū)進(jìn)行熱還原。不過，小濱設(shè)想使用凹鏡來進(jìn)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(jìn)行熱還原。
小濱2011年實(shí)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(shí)驗(yàn)。
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(jìn)來，共同啟動(dòng)了名為“Magnesium Soleil”的項(xiàng)目，現(xiàn)在正以形成業(yè)務(wù)為目標(biāo)進(jìn)行討論。
小濱說，“鎂不像核電那樣存在風(fēng)險(xiǎn)，也不會(huì)像化石燃料那樣會(huì)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(jīng)由鎂燃料電池，將太陽能有效地轉(zhuǎn)換成電力。小濱將這種體系稱為“燃料耕種”。與已經(jīng)實(shí)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(yùn)，因此具有優(yōu)勢(shì)。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(gè)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(zhì)碳，還需要提高耐久性。另一個(gè)課題是，進(jìn)行熱還原時(shí)使用的催化劑鐵硅(Fe-Si)需要耗費(fèi)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”。
看了這么多，我們或許可以考慮一個(gè)新的概念了，這就是‘鎂經(jīng)濟(jì)’”。