鉀金屬電池成為鋰離子技術的競爭對手

從手機到太陽能，再到電動汽車，人類越來越依賴電池。隨著對安全，高效和強大的能量存儲的需求不斷增長，對可充電鋰離子電池有希望的替代品的呼吁也在不斷增長，可充電鋰離子電池已成為該領域的主要技術。

在《美國國家科學院院刊》上發表的研究報告中，倫斯勒理工學院的研究人員證明了他們如何克服名為樹突的持久性挑戰，從而制造出一種性能與鋰離子電池差不多的金屬電池，但它依賴于鉀。更豐富，更便宜的元素。

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。

在這種設置下，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，Rensselaer團隊希望通過用金屬鉀代替石墨陽極來提高鉀的性能。

Rensselaer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。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，以防止電極彼此接觸并使電池短路。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和他的團隊(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積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使用鋰金屬電池進行自我修復的類似方法，但是他們發現，鉀金屬電池所需的熱量要少得多，從而可以完成自我修復過程。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。

“我想看到一種模式向金屬電池轉移，” Koratkar說。“金屬電池是構建一個最有效的方法電池;然而，因為這枝晶問題，他們沒有可行的鉀，我更希望的。”