镁粉冶金多孔材料的制备工艺及其在储能领域的应用

镁粉冶金多孔材料凭借高比表面积、可调孔隙结构及本征化学活性，在储能领域(如电池电极、储氢载体、热管理介质)展现出独特优势。其制备工艺与性能调控是拓展应用的核心方向。

一、多孔材料制备工艺与孔隙调控

镁粉冶金多孔材料的孔隙特征(孔径、孔隙率、连通性)由制备工艺直接决定，主要方法包括：

粉末冶金法

添加造孔剂：在镁粉中混入可挥发或可溶颗粒(如 NaCl、NH₄HCO₃、聚合物微球)，烧结后通过溶解 / 挥发去除形成孔隙。孔径由造孔剂尺寸(10-500 μm)调控，孔隙率可达 30%-70%。例如，添加 150 μm NaCl 颗粒可制备孔径 100-180 μm 的连通孔结构。

发泡法：利用 MgH₂等分解型发泡剂在高温下释放气体(H₂)，或通过机械搅拌引入气泡，形成闭孔或开孔结构。需精确控制发泡剂分解温度与烧结速率匹配性。

增材制造(3D 打印)

选区激光熔融(SLM)：通过激光逐层熔融镁粉，利用未熔粉末支撑孔隙结构，可制备复杂三维连通孔(孔径 50-500 μm)，孔隙率 10%-50%。扫描策略(如交叉扫描)可调控孔形貌。

凝胶注模 - 烧结：将镁粉与凝胶前驱体(如海藻酸钠)混合成型，凝胶固化后烧结去除有机物，形成纳米 - 微米级多级孔隙。

模板法

生物模板法：以木材、海绵等天然多孔材料为模板，通过浸渍镁浆料 - 烧结去除模板，复制天然孔隙结构，适用于制备仿生多孔镁(孔径 100-1000 μm)。

二、在储能领域的典型应用

电池电极材料

锂离子电池负极：多孔镁结构缓解充放电体积膨胀(~300%)，连通孔道促进电解液渗透与离子传输。例如，孔隙率 45% 的多孔镁负极循环 100 次后容量保持率较致密镁提升 25%。

固态电池复合正极：镁多孔骨架负载硫 / 硒活性物质(如 Mg/S 复合电极)，通过物理限域抑制多硫化物穿梭效应，电池能量密度可达 350 Wh/kg。

储氢材料

化学储氢：多孔镁骨架(比表面积 5-10 m²/g)负载催化剂(如 Ni、LaNi₅)，提升 MgH₂吸放氢动力学性能。孔径 200 μm 的多孔镁储氢材料在 300℃下吸氢量可达 5.6 wt%，吸氢速率较块体镁提高 4 倍。

物理储氢：纳米级孔隙(<20 nm)通过量子限域效应增强氢分子吸附，理论储氢密度可达 8 kg/m³(高于高压气态储氢)。

热管理介质

相变储能(PCM)载体：多孔镁骨架吸附熔融盐(如 LiNO₃-KNO₃)或有机相变材料(如石蜡)，利用高导热性(~150 W/m・K)快速传导热量，热响应速度较纯 PCM 提升 30%。例如，用于电动汽车电池热失控防护时，可将局部温升降低 20℃以上。

三、关键挑战与优化策略

耐腐蚀性不足：镁基体在电解液或潮湿环境中易腐蚀，可通过 ** 表面包覆碳层(CVD 法)或复合镀层(Ni-P/Al₂O₃)** 提升化学稳定性。

力学强度受限：高孔隙率导致抗压强度下降(如孔隙率 60% 时强度 < 50 MPa)，可引入陶瓷颗粒增强相(如 MgO-SiC)或采用梯度孔隙设计(外层致密、内层多孔)平衡强度与功能性能。

规模化制备难题：造孔剂分散不均、增材制造成本高等问题制约应用，需开发低成本模板(如植物纤维)与连续化烧结工艺(如隧道窑)。