
仁斯利爾理工大學(xué)（Rensselaer Polytechnic Institute，簡(jiǎn)稱RPI）的研究人員日前在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上發(fā)表的研究報(bào)告中證明了他們?nèi)绾慰朔麨闃?shù)突的持久性挑戰(zhàn)，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(jī)到電動(dòng)汽車，再到太陽(yáng)電儲(chǔ)能電池，鋰離子電池都是目前最主要的技術(shù)，但由于鋰價(jià)格昂貴，在環(huán)境方面存在重大問(wèn)題，并且可能存在起火隱患，因此各行業(yè)對(duì)可充電鋰離子電池的替代品呼吁也在不斷增長(zhǎng)，外媒New Atlas報(bào)道稱其他替代方案也開(kāi)始逐漸出現(xiàn)，而實(shí)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(xué)（Rensselaer Polytechnic Institute，簡(jiǎn)稱RPI）的研究人員日前在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上發(fā)表的研究報(bào)告中證明了他們?nèi)绾慰朔麨闃?shù)突的持久性挑戰(zhàn)，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(yáng)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(gè)電極-一端為陰極，另一端為陽(yáng)極。如果要查看鋰離子電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通常會(huì)發(fā)現(xiàn)由鈷酸鋰制成的陰極和由石墨制成的陽(yáng)極。在充電和放電期間，鋰離子在這兩個(gè)電極之間來(lái)回流動(dòng)。
到目前為止，鋰電池中也存在一個(gè)問(wèn)題：枝晶生長(zhǎng)。隨著時(shí)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(kāi)始將自身附著到陽(yáng)極上。這不是均勻發(fā)生的。逐漸形成了少量的枝晶（一種樹(shù)狀晶體），最終它們長(zhǎng)到足以刺穿將陽(yáng)極與陰極隔開(kāi)的絕緣膜，并使電池短路。這會(huì)導(dǎo)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(huì)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(tuán)隊(duì)希望通過(guò)也用金屬鉀代替石墨陽(yáng)極來(lái)提高鉀的性能。
RPI的機(jī)械，航空航天和核工程專業(yè)教授，本文的主要作者Nikhil Koratkar說(shuō)：“就性能而言，它可以與傳統(tǒng)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(tǒng)上它們也受到陽(yáng)極上金屬沉積物(稱為樹(shù)枝狀晶體)堆積的困擾。當(dāng)電池經(jīng)歷重復(fù)的充電和放電循環(huán)時(shí)，由于鉀金屬的不均勻沉積而形成枝晶問(wèn)題。Koratkar解釋說(shuō)，隨著時(shí)間的流逝，金屬鉀的團(tuán)聚體變長(zhǎng)且?guī)缀醭史种睢?br /> 如果它們長(zhǎng)得太長(zhǎng)，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(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，并有可能使設(shè)備中的有機(jī)電解質(zhì)著火。

在本文中，Koratkar及其團(tuán)隊(duì)(包括Rensselaer的博士生Prateek Hundekar和馬里蘭大學(xué)的研究人員，包括化學(xué)和生物分子工程學(xué)教授Wang Chunsheng在內(nèi))解釋了他們?nèi)绾谓鉀Q該問(wèn)題的方法供實(shí)際消費(fèi)者使用。通過(guò)以相對(duì)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(nèi)部的溫度，并促使樹(shù)枝狀晶體自陽(yáng)極自愈。
Koratkar將自我修復(fù)過(guò)程與暴風(fēng)雨結(jié)束后一堆雪發(fā)生的情況進(jìn)行了比較。風(fēng)和陽(yáng)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(nèi)的溫度升高不會(huì)熔化鉀金屬，但它確實(shí)有助于激活表面擴(kuò)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(shuō)：“采用這種方法的想法是，在晚上或每當(dāng)不使用電池時(shí)，您將擁有一個(gè)電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)將利用這種局部熱量，從而導(dǎo)致樹(shù)枝狀晶體自愈。”
Koratkar和他的團(tuán)隊(duì)先前展示了一種類似的鋰金屬電池自愈方法，但是他們發(fā)現(xiàn)鉀金屬電池需要更少的熱量來(lái)完成自愈過(guò)程。Koratkar說(shuō)，這一令人鼓舞的發(fā)現(xiàn)意味著，鉀金屬電池可能會(huì)更加高效，安全和實(shí)用。
這項(xiàng)研究發(fā)表在《PNAS》上。