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《美國國家科學院院刊》發(fā)表的一篇研究報告中,倫斯勒理工學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,研究團隊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。倫斯勒理工學院機械、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。當電池經(jīng)歷重復的充電和放電循環(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,金屬鉀的團聚體變長且?guī)缀醭史种??!比绻麍F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)備中的有機電解質(zhì)著火。
研究團隊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將電池的自我修復過程比作暴風雨結(jié)束后的積雪,風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,每當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?!蓖瑫r,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、安全和實用。