在海水溶液中，鎂合金作為電池陽極材料需要克服自腐蝕速率大、陽極利用率低、陽極極化 、電位滯后等問題。鎂合金放電后 ，表面的氧化膜受到不可修復的破壞，隨著自腐蝕持續進行 ，存儲性能下降。給鎂合金負極施加 陽極極化電流或電位 ，隨陽極極化電流或電位的增加 ，鎂合金陽極材料的自腐蝕電流密度反而增加 ，此現象稱為“負差數效應”。此效應是鎂 、鋁等金屬陽極溶解時存在的現象 ，是其放電電流效率降低的主要原因。

鎂海水燃料電池具有能量密度高、安全性好、可全海深工作的優點，在深海著陸器、深海原位實驗站等海洋裝備領域具有很好的應用前景 。2100433B

鎂海水燃料電池小功率鎂海水電池

這種電池以鎂為陽極 ，炭材為陰極 ，海水作電解質 ，海水中溶解的氧氣為氧化劑 ，一般為開放式結構該類鎂海水電池的電化學反應 如右圖 ：

與自腐蝕相共軛的是鎂陽極表面的析氫過程 ，即自放電過程 ，是影響其有效使用的主要因素。電極理想的過程控制應該是盡量控制自腐蝕過程 ，增加鎂 陽極的有效放電效率。由于電解質和氧氣直接取自海水，唯一消耗的是鎂 ，因而具有很高的比能量，且結構簡單 、造價低廉、安全可靠 、干存儲時間無限長。由于受海水中溶解氧氣濃度限制 (約 0．3moL／m ，對應 電量 28A ·h／m )，輸出功率較小 ，適用于長期在海下工作的小功率電子儀器，如水下通訊設備、海下導航儀 、航標燈等。以鎂合金 AZ61為燃料制備了海水溶解氧電池 ：陽極鎂合金尺寸為 618．4cm×110．0cm，陰極為碳纖維 ，綁束在鐵絲上形成試管刷式結構 ，管刷直徑 9cm，l4個碳纖維刷式陰極被焊接到 4,80em 的鐵圈上 ，鐵圈被固定在 1個 1m×1m×1m 的鐵框架內，而鎂合金則固定在鐵框架中心 ；此電池的初始電壓為 1．2V(2w 負載)，20h后增加并穩定在 1.6V，總輸出功率 已達 55kW ·h。2008年 ，日本開發了深海地震探測儀 ：電池 的陽極為 4,0．184m×2．200m的鎂合金棒 ，陰極為碳纖維和鐵集流體 ；使用4組SWB1200海水電池連續對 5577m深海地床供電，5年運行結果表明，電池組的平均輸出功率為13W，能量密度能夠達到 318W ·h／kg，大大高于堿錳電池的 150W ·h／kg。法國和挪威合作研制的名叫“CLIPPER”的 自動水下航行器 (AUV)所用的電源也是該類海水電池 ，預計可在 2m／s航 速下行駛1600海里。可見 ，其具有巨大的應用前景。以氧化處理的碳纖維刷作陰極材料 ，鎂合金作陽極材料制作3臺樣機作連續實海放電測試 ，運行2個月表明，與商品化的海水電池 SWB1200初步相比，該海水超級電容溶解氧電池具有更高的體積比功率密度 。

鎂海水燃料電池半燃料鎂海水電池

該類電池主要以 Mg／H₂O₂半燃料海水電池為主。與鋁電極相比，采用鎂電極可不添加 NaOH等堿性電解質 ，能較大幅度提高比能量 。但能承載的電流密度較 Al／H₂O₂ 低 ，一般在 50mA／c㎡ 以下。

中性(堿性 )Mg／H2O2 半燃料電池一般可 表示為(一)MglNaCl(NaOH)lH₂O₂( )，其電極反應 ：

美國海軍水下作戰中心 (NUWC)為無人水下航行器 (UUV)設計的 Mg／H₂O₂電池 陽極為 AZ61鎂合金 ，陰極為碳載 Pd—Ir催化 ，陰極和 陽極之間用甘油處理過 的 Nafion 115隔離 ，采用雙極性堆式結構 ，電極面積 1000cm ，通過延長導流板流道來減小漏電電流 ，研制初期這種電池存在的問題是生成的Mg(OH)₂和MgCO₃沉淀覆蓋電極表面，向電解液中加入 0．1moVL硫酸后 ，25mA／cm放電時 ，電壓 由 1．1～1．2V(50℃)提升至 1．3～1．5V-6；優化工藝參數后 ，電壓達到 1．7V ，25℃時 H202的利用率達到 86％，電池本體比能量達 500—520W ·h／kg。

鎂海水燃料電池大功率鎂海水電池

一： Mg／CuCI

Mg／CuCl系列海水電池負極 為鎂合金 ，正極為氯化亞銅 ，電池采用雙極性結構 。電極反應原理如下 ：

為增加負極的負電位 ，使反應產物易于脫落 ，美國在鎂合金中添加了 Pb和 Ti；而俄羅斯 由于缺 Pb及 Ti，將Mg3Hg加人其 中并獲得了成功。該 Mg／CuCl系列海水電池于20世紀80年代末期就用作魚雷動力電池，其比能量可達 150W ·h／kg，價格為同容量銀鋅電池的 1／3。

二：Mg／AgCl

Mg／AgCl海水電池也是目前魚雷中應用比較廣泛的一種一次 電池，其負極是鎂合金 ，正極是氯化銀 ，采用雙極性結構。電極反應原理如下 ：

海水是鎂陽極很好的活化溶液 ，其在海水中能長期保持活性 ；同時由于鎂的極化較大 ，對電極反應的熱效應也較大 ，保證了該電池具有 良好 的低溫性能 ，無需輔助加熱裝置就可適應 一6O℃低溫 ，以溶解度很低 的AgCl作正極。Ag／AgCl電極電位非常穩定 ，能作為中性溶液中的參比電極 ，其放電后轉化為導電性良好 的Ag，電池內阻很小 ，適用于大電流密度下工作 。因此 ，該 電池系統放 電電壓平穩 ，比能量可高達 88W ·h／kg左右 ，耐高溫 、低溫性 能均 良好 ，可進行大電流放 電。這種電池靠海水激活 ，平時處于干態保存 ，擱置時間可長達5年，但這一體 系需要消耗貴金屬 Ag，造價高 ，其總功率有待提高。

2020年12月3日，中國科學院大連化學物理研究所發布消息稱，由大連化物所研制的鎂海水燃料電池系統近日順利完成了3000米水深海上試驗，實現了新型鎂海水燃料電池在深海裝備上的首次實際應用。

大連化物所方面稱，該電池系統在突破了高利用率合金陽極制備技術、長壽命陰極制備技術、全海深浮力調節技術，組合能源管理技術等關鍵技術的基礎上，開展此次深海海試工作。

在此次海上試驗中，下潛裝置由“鹿嶺號”深海多位點著陸器、“海鹿號”漫游者潛水器、新型“鎂海水燃料電池及組合能源系統”組成。鎂海水燃料電池系統為著陸器和潛水器提供能源，實現多級高效充供電。鎂海水燃料電池的最大下潛工作深度為3252米，累計作業時間為24.5小時，累計為系統供電達到了3.4千瓦時，充分驗證了新型鎂海水燃料電池的深海供電能力及長時間放電穩定性。

該項目得到中國科學技術部國家重點研發計劃“深海關鍵技術與裝備”重點專項“深海多位點著陸器與漫游者潛水器系統研究”項目支持 。

名稱: 海中提鎂　

介紹　

海水中的鎂，主要是以氯化鎂和硫酸鎂的形式存在。大規模的從海水制取金屬鎂的工序并不復雜，將石灰乳加入海水，沉淀出氫氧化鎂，注入鹽酸，再轉化成無水氯化鎂。海水制鎂的中間產品氫氧化鎂還可用于制取氧化鎂、碳酸鎂等其它產品。我們每天用的牙膏，它的主要成分是碳酸鎂；水暖工在水管上包上一層白白的石灰一樣的東西，是水管在冬天-10℃左右也不致凍裂，這也是碳酸鎂的功勞；甚至橡膠制造上也常用碳酸鎂作填充材料。鎂是海水中濃度占第三位的元素。據估計，在鎂立方公里的海水中，可提取鎂130萬噸。海鹽產量高的國家多利用制鹽苦鹵生產各種鎂化合物。缺乏陸地鎂礦的國家，還直接從海水中大量生產金屬鎂，和各種鎂鹽。目前，世界上金屬鎂和鎂化合物很大一部分直接或間接取自海水。

鎂是重要的戰略物資，因而世界上金屬鎂的生產量與戰爭有密切關系。從海水中制取金屬鎂的年產量在第二次世界大戰前不過2萬噸，戰時年產量超過20萬噸，戰后年產量則降為3萬噸。

近年來，金屬鎂在機械制造工業上，有代替鋼、鋁和鋅等金屬的趨勢。此外，它在冶金工業和化學工業方面，也開辟了新的廣闊的用途。可以說金屬鎂是金屬中的"后起之秀"，前途無量。　

海水中鎂的占有量僅次于溴和鈉，位居第三。鎂具有重量輕、強度高等特點。鎂合金可用來制造飛機、艦艇；鎂鋰合金的重量最輕，又最耐熱，因而在軍事工業和民用企業上具有極其重要的意義。同時它被廣泛應用于火箭、導彈、飛機制造業，以及汽車、精密機器等各個領域。各國鋼鐵工業的迅速發展，不僅對鎂砂（氧化鎂）的數量要求日益增多，而且也對煉鋼所需的優質鎂砂要求其雜質含量在2%～4%以下。這個要求用陸上天然菱鎂礦燒結后制的鎂砂是無法達到的。而且海水提取，早在60年代其純度就已達到96%～98%，目前純度又升至99.7%。如此超高純度的鎂砂，無疑最能滿足冶金工業的特殊需要。　

目前，從鹵水中提取的產品主要是氯化鎂、硫酸鎂、氧化鎂和氫氧化鎂等。　

用海水提鎂時，先把海水抽入特大的池中，倒入石灰乳，便生成氫氧化鎂的懸濁液。待沉淀沉降后取出沉淀，經洗滌后得到純度很高的氫氧化鎂。它沒有多大用途，必須使它變成有用的氧化鎂和金屬鎂。　

氫氧化鎂不穩定，受熱后分解成氧化鎂和水。　

Mg(OH)2----MgO H2O　

要使 2價的鎂離子得到電子而還原成單質鎂，是比較困難的。如果用類似煉鐵的方法冶煉鎂，需要很高的溫度。例如在2000℃下用焦炭還原氧化鎂，才能制得單質鎂。這樣得到的鎂常含有較多的雜質。　

MgO C----Mg CO↑　

因此，工業上常用電解法使鎂離子在陰極得到電子，還原成單質鎂。用電解的方法冶煉鎂，先要獲得含有鎂離子的熔融液。在鎂的化合物中，典型的離子化合物有氧化鎂和氯化鎂。氧化鎂的熔點太高（2800℃），而氯化鎂的熔點要低得多（714℃）。所以人們選擇氯化鎂作為電解制取鎂的原料。　

用鹽酸溶解氫氧化鎂（或氧化鎂），再使溶液濃縮，就得到氯化鎂。　

Mg(OH)2 2HCl=MgCl2 2H2O　

在熔融的氯化鎂中有能自由移動的鎂離子。通入直流電后，氯離子向陽極移動，在陽極上失去電子，氧化成氯原子，兩個氯原子結合成1個氯分子；鎂離子向陰極移動，在陰極上得到電子，還原成單質鎂。兩個電極上發生的反應是　

陽極：2Cl--2e=Cl2↑　

陰極：Mg2 2e=Mg　

總的電解反應方程式可以表示如下：　

MgCl2（熔融）Mg Cl2↑　

為了防止生成的鎂在高溫下被空氣中的氧氣氧化，電解時需要在特殊的真空環境下進行。2100433B