镁在新能源汽车动力电池方面的研究 

随着全社会对环境保护意识的不断提升，近些年，节能环保的新能源汽车在国内外逐步成为消费者所追逐的新宠，随之带来了一系列电池的需求也就不断增长。目前常用的动力电池（铅酸电池和镍镉电池）无一例外地都存在重金属污染等问题。相对比较环保的锂离子电池虽能避免环境污染，然而却容易出现引发短路的枝晶问题，最终研究者们将注意力转向兼具环保安全特点的镁。 

与锂相比，镁更适合充当电池，比如，镁是自然界中分布最广泛的元素之一，其价格自然比锂价便宜很多；镁以及相关化合物均无毒害作用或毒性极低，更有利于环保；镁没有锂那么活泼，相对更容易操作，加工上也更为安全。 

正是由于镁的这些特质，发达工业化国家（特别是日本）在新型镁电池研究方面一直投入大量资源，并已取得了不错的成绩，如本田公司2018 年对外宣布，该公司与崎玉县产业技术综合中心合作，开发出了世界上第一块可以实际应用的镁充电电池，本田公司希望在 2018 年实现镁电池的商用化，并彻底代替锂电池。无独有偶，丰田汽车公司也宣布其北美研究院研发的镁电池取得 了巨大的进展，并且已经发现了利用镁制作电池的方法，有望成为锂电池的替代品。除日本之外，美国在镁电池方面也取得不错的成绩。据报道，2015 年美国伊利诺伊大学芝加哥分校研究人员对电动汽车电池的研究又迈出一步，该团队以镁离子打造的电动汽车电池，也许能跑赢锂电池电动汽车。 国内学术界对于镁的研究一直以来比较低调，但并不意味着中国的镁电池研究落后。与此相反，我国在这方面的科研投入巨大，并在某些项目上保持世界领先地位。近年来国内很多高校也正在积极从事镁电池相关研究，以期早日突破技术难题。其中较为显著的有：上 海交通大学早在2012年就进行了镁电池方面的研究；南京工业大学和复旦大学强强联合，也曾在2015年发明了一种高电压的镁电池，其能量密度可以与锂离子电池相媲美。 

如前文所述，因为不存在铅酸蓄电池、镍镉电池等的重金属污染问题，镁电池被称为环境友好型电池。在原材料采集以及整个生产过程，直至电池使用之后的抛弃，它对环境不会产生任何污染。此外，镁电池还具有廉价、安全、容量大、低性能好、储存性能好等优点。 

图1 镁电池工作原理 （镁为负极，要求镁电化学可逆地进行沉积或溶解）

尽管镁电池拥有美好光明的未来，但我们仍需清楚地意识到，镁动力电池的研究依然处于实验室研究的初级阶段，尽管高水平研究论文给镁动力电池领域的研究带来了新的活力和吸引力，真正探索出镁电池的实际应用道路依然充满不确定性。这需要该领域的科研研 究不断探索和发掘新理论、新材料、新策略和新电池体系，相信镁动力电池在不久的将来会取得重大突破，造福人类。 

镁在汽车轻量化材料方面的应用现状 

随着汽车行业进入高速发展时期，相关企业的市场竞争越发激烈，故而汽车企业纷纷将制造性能好、质量轻的车辆作为重要目标。作为减少尾气排放和提高燃油经济性等最为有效的方法，汽车轻量化正在日益得到更多企业的关注。轻量化的途径主要体现在材料和工艺两方面，而镁合金作为实际应用中质量最轻的有色金属材料，其轻量化的效果表现最佳。下面本文拟就镁合金作为汽车轻量化材料的应用现状进行扼要介绍。 

镁的密度是铝的 2/3，锌的 1/4，故而镁合金作为轻量材料正越来越多地被应用在汽车上。早在上世纪 30 年代，德国大众公司率先用压铸镁合金生产“甲壳虫”汽车的曲轴箱、传动箱壳体等发动机和传动系零件。到 1980 年，大众公司共生产了 1900 万辆甲壳虫轿车，共使用镁合金逐渐达 38 万吨。美国稍晚于德国开始采用汽车的镁合金零部件生产，但其用量不断增加，促进了镁合金的发展。其中福特、通用和克莱斯勒三大汽车公司的镁合金用量占北美的镁总消耗量的 70%。日本在这方面保持了同样的热情。从国外的情况来看， 汽车用镁合金主要是压铸件，这种做法不仅达到降低汽车质量，提升燃料经济性的目的，同时也能够实现保护环境、改善安全性和驾乘感受，从而达到了增强企业市场竞争力的效果。 

我国在汽车轻量化方面起步较晚，最早将镁合金应用到汽车上的企业是上汽集团。上世纪 90 年代，他们首次在桑塔纳轿车上采用镁合金变速箱壳体、壳盖和离合器外壳，单车用镁合金共约 8.5 千克。一汽集团开发了抗蠕变镁合金，用于制造高温负载条件下的汽车动 力系统部件，同时顺利研发出气缸盖罩盖等镁合金压铸件。同时，东风汽车公司、长安汽车集团也参与到镁合金零部件的生产之中，尤其需要指出的是，长安集团生产的“长安之星”微型车上实现了单车用镁 8 千克的水平，达到了目前的国际先进水平。 

近几年来，我国在车用镁合金领域倾注了大量的精力，包括上海交通大学在内的一批高校在新材料和新工艺方面 不断努力，也取得一些成绩。其中包括上海交大开发的 JDM1—JDM4 系列高性能镁稀土合金和高导热压铸镁合金，以及中国科学院长春应用化学研究所 孟建课题组通过压铸制备了 Mg-4A1-4Sm-0.3Mn(wt%) 镁合金。这几种镁合金相较传统材料的效能都有明显的提高。在镁合金工艺方面，镁合金汽车轮毂成型技术无疑是一大亮点。镁合金汽车轮毂的概念从诞生之初便引起汽车厂商的广泛关注，但其产品较低的稳定性与偏高的价格使商家裹足不前，故而其销售量一直低迷。伴随着河南长葛市德威科技股份有限公司等两家正反挤压成型生产线的建设与投产，镁合金汽车轮毂最终得以顺利进行量产。 

除上述技术突破之外，基于前期镁合金汽车轮毂低压铸造成型技术，上海交大更研发出铸造 + 旋压复合成型（铸旋）技术。与前者相比，后者能够明显提高镁合金汽车轮毂铸坯的效能。经过旋压变形，轮辋部分显微组织明显细小，室温力学性能得到明显的提高。

图2 镁合金汽车轮毂的正反挤压成型流程图（左至右分别是：坯料、锻造、机械加工好成品）

在国家重点研发计划的支持下，在与东风汽车股份有限公司合作中，上海交大正在针对进行有关汽车用减震台和副车架结构设计，旨在早日实现镁合金在减震塔和副车架两类大型复杂薄壁部件的成型技术与应用上的突破。 

结语 

在汽车动力电池和轻量化材料和制造工艺方面，我国和欧美发达国家仍存在较大差距，这体现在基础理论的研究和关键技术的推广上，要解决这个问题，不仅要加大人力财力资源的投入，同时也要从根本上提高全社会对新型材料的认识。根据 2016 年我国发布的《节能与新能源汽车技术路线图》的相关内容，到 2020 年，乘用车新车平均油耗要求达到 5.0 升 /100 公里；到 2025 年，乘用车新车平均油耗要求达到 4.0 升 /100 公里；到 2030 年，乘用车新车 平均油耗要求达到 3.2 升 /100 公里。为此，2030 年单车用铝量、用镁量将分达到 350 千克和 45 千克，因此在未来10～15年内，铝、镁合金在汽车上的应用将必然会出现井喷式增长。