科學(xué)家制造出一種性能與鋰離子電池相似的鉀金屬電池

從手機(jī)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(qiáng)勁能量存儲的需求不斷增長，可充電鋰離子電池已成為該領(lǐng)域的主要技術(shù)，近年來，對于可充電鋰離子電池替代品的呼聲也越來越高。

近日，在《美國國家科學(xué)院院刊》發(fā)表的一篇研究報告中，倫斯勒理工學(xué)院的研究人員證明了他們?nèi)绾慰朔麨椤皹渫弧钡某志眯蕴魬?zhàn)，從而制造出性能與鋰離子電池差不多的鉀金屬電池，該金屬電池主要依賴于鉀元素。

電池包含兩個電極，陰極與陽極。如果要查看鋰離子電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通常會發(fā)現(xiàn)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。

在這種情況下，如果研究人員僅用鈷酸鉀代替鈷酸鋰，則電池的性能就會下降。鉀是一種較大且較重的元素，因此能量密度較低。相反，研究團(tuán)隊(duì)希望同時通過用金屬鉀代替石墨陽極，以此來提高電池的性能。倫斯勒理工學(xué)院機(jī)械、航空航天和核工程專業(yè)的教授Nikhil Koratkar說：“就性能而言，鉀金屬電池可以與傳統(tǒng)的鋰離子電池媲美。”

盡管鉀金屬電池顯示出了巨大的應(yīng)用前景，但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(dāng)電池經(jīng)歷重復(fù)的充電和放電循環(huán)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(tuán)聚體變長且?guī)缀醭史种睢！比绻麍F(tuán)聚體過長，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(chǎn)生熱量，并有可能使設(shè)備中的有機(jī)電解質(zhì)著火。

研究團(tuán)隊(duì)通過以相對較高的充電和放電速率操作電池，使電池能夠以可控的方式升高其內(nèi)部的溫度，并促使樹枝狀晶體自陽極自愈。Koratkar將電池的自我修復(fù)過程比作暴風(fēng)雨結(jié)束后的積雪，風(fēng)和陽光有助于縮小雪片的大小并最終使積雪平整。以類似的方式，雖然電池內(nèi)的溫度升高不會熔化鉀金屬，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：“采用這種方法的想法是，每當(dāng)在夜間或不使用電池時，使用者將擁有一個電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)將利用局部熱量，使得樹枝狀晶體自愈。”同時，研究人員還發(fā)現(xiàn)鉀金屬電池或許可以用更少的熱量來完成自愈過程。這一令人鼓舞的發(fā)現(xiàn)意味著，鉀金屬電池可能會更加高效、安全和實(shí)用。