从手机、到太阳能、再到电动汽车,人们越来越依赖于电池。随着人们对安全、高效、强大储能设备的需求不断增长,而可充电锂离子电池一直是电池领域内的主导技术,人们对寻找此种电池的替代品的需求也在不断增长。
据外媒报道,美国伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)的研究人员展示了如何克服一个一直存在的电池问题 – 电池枝晶,打造了一种与锂离子电池性能一样好的金属电池 – 钾电池。相对于锂,钾是一种储量更丰富、价格更便宜的元素。
电池有两个电极,一端是阴极,另一端是阳极。如果查看锂离子电池的内部,通常会发现一个由钴酸锂制成的阴极以及一个由石墨制成的阳极。在电池充放电过程中,锂离子会在两个电极之间来回流动。
在此种情况下,如果研究人员只简单地用钴酸钾取代钴酸锂,电池性能会下降。钾是一种较大较重的元素,因此其能量密度较低。因此,伦斯勒理工学院团队希望通过用金属钾取代石墨阳极,以提高钾金属的性能。
伦斯勒理工学院机械、航空航天和核工程知名教授兼该论文的第一作者Nikhil Koratkar表示:“就性能而言,此种钾电池可与传统的锂离子电池相媲美。”
尽管金属电池潜力巨大,但是也一直因金属在阳极上沉积形成枝晶而造成困扰。当电池经历反复的充放电循环时,由于金属钾沉积不均匀就会形成枝晶。Koratkar解释表示,随着时间推移,钾金属沉积物会变得越来越长,长得像树枝。
如果此类沉积物长得太长,最终会刺穿绝缘隔膜,而绝缘隔膜的作用是防止电极相互接触,因此最终会导致电池短路。当电池短路,而电池内部的有机电解质着火时,就会产生热量。
在该论文中,Koratkar与团队成员(包括伦斯勒理工学院博士生Prateek Hundekar、化学和生物分子工程系教授Chunsheng Wang等马里兰大学研究员)解释了他们的解决方案为此种电池的实际应用铺平了道路。通过以较高的充放电速率运行电池,能够很好地控制电池内部温度的升高,并促使枝晶自愈,离开阳极。
Koratkar将此种自我修复的过程比作暴风雪结束后,雪堆的变化。风和太阳帮助将雪堆上的雪花吹走,将雪堆缩小,最终让雪堆变平。同样地,虽然电池内部温度升高不会熔化金属钾,但确实有助于激活钾金属的表面,使钾原子扩散,横向离开其形成的“堆”,有效地“抚平”了枝晶。
Koratkar表示:“利用此种方法,可以在晚上或者不使用电池时,得到一个电池管理系统,该系统可利用局部的热量,使枝晶自我修复。”
Koratkar及其团队此前曾演示过类似的方法,让锂金属电池的枝晶自我修复,不过,他们发现,钾金属电池完成自我修复的过程所需的热量要少得多。该发现也意味着钾金属电池可能比锂金属电池更高效、更安全、更实用。(文中图片均来自伦斯勒理工学院)
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