锂离子电池的竞争对手出现：新型钾金属技术

锂离子电池的竞争对手出现：新型钾金属技术
主题：电池技术活力机械工业受欢迎的伦斯勒理工学院

钾金属电池插图
研究人员展示了他们如何克服称为树突的持续挑战，以制造出性能几乎与锂离子电池一样好但依赖于钾的金属电池——钾是一种更丰富、更便宜的元素。


伦斯勒团队找到了钾金属电池面临的长期问题的解决方案。
从手机到太阳能再到电动汽车，人类越来越依赖电池。随着对安全、高效和强大储能的需求不断增长，对可充电锂离子电池的有前途替代品的需求也在不断增加，而可充电锂离子电池一直是该领域的主导技术。

在《美国国家科学院院刊》上发表的研究中 ，伦斯勒理工学院的研究人员展示了他们如何克服称为树突的持续挑战，从而制造出性能几乎与锂离子电池一样好的金属电池，但它依赖于钾——一种更丰富、更便宜的元素。


“就性能而言，这可以与传统的锂离子电池相媲美。” —尼基尔·科拉特卡

电池包含两个电极——一端是阴极，另一端是阳极。如果您要查看锂离子电池的内部，您通常会发现一个由钴酸锂制成的阴极和一个由石墨制成的阳极。在充电和放电过程中，锂离子在这两个电极之间来回流动。

在这种设置中，如果研究人员只是简单地用钴酸钾代替锂钴氧化物，性能就会下降。钾是一种更大更重的元素，因此能量密度较低。相反，伦斯勒团队希望通过用钾金属代替石墨阳极来提高钾的性能。

“就性能而言，这可以与传统的锂离子电池相媲美，”伦斯勒大学机械、航空航天和核工程教授、本文的第一作者 Nikhil Koratkar 说。


虽然金属电池显示出巨大的前景，但传统上它们也受到阳极上金属沉积物（称为树突）积累的困扰。当电池经历反复的充电和放电循环时，由于钾金属的不均匀沉积而形成枝晶。Koratkar 解释说，随着时间的推移，钾金属团块变得很长，几乎呈树枝状。

如果它们长得太长，它们最终会刺穿绝缘膜分离器，以防止电极相互接触并使电池短路。电池短路时会产生热量，并有可能使设备内的有机电解质着火。

在这篇论文中，Koratkar 和他的团队——包括 Rensselaer 博士生 Prateek Hundekar 和马里兰大学的研究人员，包括化学和生物分子工程教授 Chunsheng Wang——解释了他们解决这个问题的方法如何铺平道路供实际消费者使用。通过以相对较高的充电和放电速率运行电池，他们可以以可控的方式提高电池内部的温度，并促使枝晶从阳极上自我修复。

Koratkar 将自我修复过程比作暴风雨结束后一堆雪发生的情况。风和太阳有助于将雪花从雪堆上移开，缩小其尺寸并最终将其压平。


以类似的方式，虽然电池内的温度升高不会熔化钾金属，但它确实有助于激活表面扩散，因此钾原子横向移动离开它们产生的“堆”，有效地平滑枝晶。

Koratkar 说：“采用这种方法的想法是，在晚上或不使用电池时，您将拥有一个电池管理系统，该系统可以应用这种局部热量，从而使树突自我修复。”

Koratkar 和他的团队之前展示了一种类似的锂金属电池自我修复方法，但他们发现钾金属电池完成自我修复过程所需的热量要少得多。Koratkar 说，这一有希望的发现意味着钾金属电池可以更高效、更安全、更实用。

“我希望看到向金属电池的范式转变，”Koratkar 说。“金属电池是构建电池最有效的方式；然而，由于这个枝晶问题，它们不可行。有了钾，我更有希望了。”