金屬鉀電池與鋰離子電池誰(shuí)才是未來(lái)的香餑餑

（文章來(lái)源：中國(guó)數(shù)字科技館）

從手機(jī)到太陽(yáng)能到電動(dòng)車，人們?cè)絹?lái)越依賴于電池。隨著對(duì)安全、高效和強(qiáng)大的儲(chǔ)能不斷增大的需求，人們對(duì)有望替代可充電鋰離子電池技術(shù)的呼聲也日漸增長(zhǎng)，可充電鋰離子電池技術(shù)長(zhǎng)期主導(dǎo)了該技術(shù)領(lǐng)域。

美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院的研究人員在《國(guó)家科學(xué)院院刊》上發(fā)表的研究報(bào)告中闡述了他們是如何克服枝晶這一長(zhǎng)期挑戰(zhàn)，開發(fā)了一種性能接近于鋰離子電池但依賴于鉀元素（一種原料更加豐富且成本不那么貴的元素）的金屬電池。電池包含兩個(gè)電極——一端是正極，另一端是負(fù)極（電池里稱為正負(fù)極，電解池里面稱為陰陽(yáng)極）。如果你觀察鋰離子電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通常會(huì)發(fā)現(xiàn)用鋰鈷氧化物制成的正極以及由石墨制成的負(fù)極。在充放電的過(guò)程中，鋰離子在這兩個(gè)電極之間來(lái)回流動(dòng)。

在這種情況下，如果研究者們想要簡(jiǎn)單地將氧化鈷鉀替換成鈷酸鋰，電池的性能就會(huì)下降。鉀元素是一種體積更大且更重的元素，因此，它的能量密度較小。作為替代，倫斯勒研究團(tuán)隊(duì)想用鉀金屬替換石墨負(fù)極來(lái)提高鉀的性能。

“就性能而言，這種電池很可能成為傳統(tǒng)鋰離子電池的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手?！盢ikhil Koratkar教授說(shuō)，這位教授是在倫斯勒學(xué)院精通機(jī)械、航空與航天以及核工程領(lǐng)域的天才教授，同時(shí)他也是這篇文章的第一作者。雖然金屬電池顯示出巨大的前景，但也受到傳統(tǒng)陽(yáng)極上金屬表面沉積（枝晶）的困擾。枝晶是由于電池在充放電的循環(huán)過(guò)程中金屬鉀的不均勻沉積所造成的。Koratkar教授說(shuō)，隨著時(shí)間的推移，金屬鉀枝蔓晶體變得越來(lái)越長(zhǎng)，幾乎呈樹枝狀生長(zhǎng)。

如果晶體長(zhǎng)得太長(zhǎng)了，它們最終會(huì)刺穿隔膜分離器，阻礙電極相互接觸從而使電池短路。電池短路時(shí)會(huì)發(fā)熱并伴有將設(shè)備中的有機(jī)電解液點(diǎn)燃的危險(xiǎn)。

在這篇文章中，Koratkar教授和他的團(tuán)隊(duì)（團(tuán)隊(duì)成員包括倫斯勒的一位博士生學(xué)生Prateek Hundekar，馬里蘭大學(xué)的研究者們，其中包括化學(xué)和生物分子工程教授Chunsheng Wang）解釋了他們?nèi)绾谓鉀Q枝晶問(wèn)題，為之后實(shí)現(xiàn)商用鋪平了道路。通過(guò)在相對(duì)較高的充放電速率下運(yùn)行電池，他們可以很好地控制電池內(nèi)部上升的溫度并有效地實(shí)現(xiàn)枝晶在負(fù)極的自修復(fù)行為。

Koratkar教授將這種自修復(fù)過(guò)程比作風(fēng)暴后的“除雪工作”。風(fēng)和陽(yáng)光將雪花從雪堆上移走，縮減雪堆的尺寸最終將雪堆完全移平。

同樣的道理，電池內(nèi)部溫度的升高不會(huì)熔化金屬鉀，但能確實(shí)有助于激活金屬鉀表面的鉀原子擴(kuò)散，鉀原子橫向地從它們所堆積而成的“金屬鉀”上移動(dòng)，能有效平滑枝晶。“通過(guò)這個(gè)方法，我們的想法是在晚上或者是任何你不再使用電池的時(shí)候，使用一個(gè)電池管理系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)所提供的局部熱量實(shí)現(xiàn)枝晶自修復(fù)?！盞oratkar教授說(shuō)。

Koratkar教授和他的團(tuán)隊(duì)還事先證明了金屬鋰電池也可以通過(guò)使用相同的方法實(shí)現(xiàn)自修復(fù)，但他們發(fā)現(xiàn)金屬鉀電池實(shí)現(xiàn)自修復(fù)過(guò)程所需要的熱量更少。Koratkar教授說(shuō)，這個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)說(shuō)明金屬鉀電池相比于金屬鋰電池更高效、安全和實(shí)用?！拔蚁Ｍ吹綇膫鹘y(tǒng)鋰離子電池到金屬電池的模式轉(zhuǎn)變。”Koratkar教授說(shuō)，“金屬電池是構(gòu)建電池最有效的方法，但由于枝晶問(wèn)題目前還不可行。使用金屬鉀來(lái)制備金屬電池，我認(rèn)為是很有希望的?！?br /> （責(zé)任編輯：fqj）