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
仁斯利爾理工大學（Rensselaer Polytechnic Institute，簡稱RPI）的研究人員日前在《美國國家科學院院刊》上發表的研究報告中證明了他們如何克服名為樹突的持久性挑戰，從而制造出性能與鋰離子電池差不多但依賴于鉀的金屬電池。
從手機到電動汽車，再到太陽電儲能電池，鋰離子電池都是目前最主要的技術，但由于鋰價格昂貴，在環境方面存在重大問題，并且可能存在起火隱患，因此各行業對可充電鋰離子電池的替代品呼吁也在不斷增長，外媒New Atlas報道稱其他替代方案也開始逐漸出現，而實際上頗具希望的替代方案可能是鉀電池。
仁斯利爾理工大學（Rensselaer Polytechnic Institute，簡稱RPI）的研究人員日前在《美國國家科學院院刊》上發表的研究報告中證明了他們如何克服名為樹突的持久性挑戰，從而制造出性能與鋰離子電池差不多但依賴于鉀的金屬電池。
鉀既便宜又豐富，往往易于使用，這意味著制造成本和材料成本都較低。使用全鉀金屬陽極，可以制造出與鋰所提供的能量密度相匹配的電池。

電池包含兩個電極-一端為陰極，另一端為陽極。如果要查看鋰離子電池的內部結構，通常會發現由鈷酸鋰制成的陰極和由石墨制成的陽極。在充電和放電期間，鋰離子在這兩個電極之間來回流動。
到目前為止，鋰電池中也存在一個問題：枝晶生長。隨著時間的流逝，隨著電池一次又一次地充電和放電，少量金屬（醚鋰或鉀）開始將自身附著到陽極上。這不是均勻發生的。逐漸形成了少量的枝晶（一種樹狀晶體），最終它們長到足以刺穿將陽極與陰極隔開的絕緣膜，并使電池短路。這會導致熱量積聚并偶爾起火，并有效縮短電池的使用壽命。

在這種情況下，如果研究人員僅用鈷酸鉀代替鈷酸鋰，性能就會下降。鉀是一種較大和較重的元素，因此能量密度較低。相反，RPI團隊希望通過也用金屬鉀代替石墨陽極來提高鉀的性能。
RPI的機械，航空航天和核工程專業教授，本文的主要作者Nikhil Koratkar說：“就性能而言，它可以與傳統的鋰離子電池媲美。”
盡管金屬電池顯示出了巨大的希望，但傳統上它們也受到陽極上金屬沉積物(稱為樹枝狀晶體)堆積的困擾。當電池經歷重復的充電和放電循環時，由于鉀金屬的不均勻沉積而形成枝晶問題。Koratkar解釋說，隨著時間的流逝，金屬鉀的團聚體變長且幾乎呈分支狀。
如果它們長得太長，它們最終將刺穿絕緣膜隔板，以防止電極相互接觸并使電池短路。電池短路時會產生熱量，并有可能使設備中的有機電解質著火。

在本文中，Koratkar及其團隊(包括Rensselaer的博士生Prateek Hundekar和馬里蘭大學的研究人員，包括化學和生物分子工程學教授Wang Chunsheng在內)解釋了他們如何解決該問題的方法供實際消費者使用。通過以相對較高的充電和放電速率操作電池，它們可以以可控的方式升高電池內部的溫度，并促使樹枝狀晶體自陽極自愈。
Koratkar將自我修復過程與暴風雨結束后一堆雪發生的情況進行了比較。風和陽光有助于將薄片從雪堆中移出，縮小其大小并最終使其平整。
以類似的方式，雖然電池內的溫度升高不會熔化鉀金屬，但它確實有助于激活表面擴散，因此鉀原子橫向移離它們形成的“堆”，從而有效地消除了枝晶。
Koratkar說：“采用這種方法的想法是，在晚上或每當不使用電池時，您將擁有一個電池管理系統，該系統將利用這種局部熱量，從而導致樹枝狀晶體自愈。”
Koratkar和他的團隊先前展示了一種類似的鋰金屬電池自愈方法，但是他們發現鉀金屬電池需要更少的熱量來完成自愈過程。Koratkar說，這一令人鼓舞的發現意味著，鉀金屬電池可能會更加高效，安全和實用。
這項研究發表在《PNAS》上。