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竞争对手涌现为锂离子电池：新钾金属技术

时间：2021-09-13 13:52:36 来源：

研究人员证明了他们如何克服名为树突的持久性挑战，从而制造出一种性能与锂离子电池差不多的金属电池，但它依赖于钾-钾是一种更为丰富和廉价的元素。

Rensselaer团队找到了解决钾金属电池所面临的持续性问题的解决方案。

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，高效和强大的能量存储的需求不断增长，对可充电锂离子电池的有前途的替代品的呼吁也在不断增长，可充电锂离子电池已成为该领域的主要技术。

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证明了他们如何克服名为树突的持久性挑战，从而制造出性能与锂离子电池差不多的金属电池，但它依赖于钾离子。数量更多，价格更低廉的元素。

“就性能而言，这可以与传统的锂离子电池媲美。”— Nikhil Koratkar

电池包含两个电极-一端为阴极，另一端为阳极。如果要查看锂离子电池的内部结构，通常会发现由钴酸锂制成的阴极和由石墨制成的阳极。在充电和放电期间，锂离子在这两个电极之间来回流动。

在这种设置下，如果研究人员仅用钴酸钾代替钴酸锂，性能就会下降。钾是一种较大和较重的元素，因此能量密度较低。相反，伦斯勒（Rensselaer）小组希望通过用金属钾代替石墨阳极来提高钾的性能。

Rensselaer的机械，航空航天和核工程专业教授，本文的主要作者Nikhil Koratkar说：“就性能而言，这可以与传统的锂离子电池媲美。”

尽管金属电池显示出了巨大的希望，但传统上它们也受到阳极上金属沉积物（称为树枝状晶体）堆积的困扰。当电池经历重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，随着时间的流逝，金属钾的团聚体变长，几乎呈分支状。

如果它们长得太长，它们最终将刺穿绝缘膜隔板，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，并有可能使设备中的有机电解质着火。

在本文中，Koratkar和他的团队（包括Rensselaer的博士生Prateek Hundekar和马里兰大学的研究人员，包括化学和生物分子工程学教授Wang Chunsheng在内）解释了他们如何解决该问题的方法供实际消费者使用。通过以相对较高的充电和放电速率操作电池，它们可以以可控的方式升高电池内部的温度，并促使树枝状晶体自阳极自愈。

Koratkar将自我修复过程与暴风雨结束后一堆雪所发生的情况进行了比较。风和太阳有助于将薄片从雪堆中移出，缩小其大小并最终使其平整。

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，因此钾原子横向移离它们形成的“堆”，从而有效地消除了枝晶。

Koratkar说：“采用这种方法的想法是，在夜间或每当您不使用电池时，您将拥有一个电池管理系统，该系统将利用这种局部热量，从而导致树枝状晶体自愈。”

Koratkar和他的团队先前展示了一种类似的锂金属电池自愈方法，但是他们发现钾金属电池需要更少的热量来完成自愈过程。Koratkar说，这一令人鼓舞的发现意味着，钾金属电池可能会更加高效，安全和实用。

“我想看到一种模式向金属电池转移，” Koratkar说。“金属电池是构造电池的最有效方法；然而，由于这种枝晶问题，它们是不可行的。有了钾，我就更有希望了。”

参考：Prateek Hundekar，Swastik Basu，Xuulin Fan，Lu Li，Anthony Yoshimura，Tushar Gupta，Varun Sarbada，Aniruddha Lakhnot，Rishabh Jain，Shankar Narayanan，Shunfeng Shi，Chunsheng Wang和Nikhil所著的“钾金属电池中的树枝状晶体的原位修复”呵叻（Koratkar），2020年3月2日，美国国家科学院院刊，DOI：
10.1073 / pnas.1915470117

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