「中国数字科技馆」金属钾电池与锂离子电池一较高下

【「中国数字科技馆」金属钾电池与锂离子电池一较高下】

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（图片来源：CC0 Public Domain）
从手机到太阳能到电动车，人们越来越依赖于电池。随着对安全、高效和强大的储能不断增大的需求，人们对有望替代可充电锂离子电池技术的呼声也日渐增长，可充电锂离子电池技术长期主导了该技术领域。
美国伦斯勒理工学院的研究人员在《国家科学院院刊》上发表的研究报告中阐述了他们是如何克服枝晶这一长期挑战，开发了一种性能接近于锂离子电池但依赖于钾元素（一种原料更加丰富且成本不那么贵的元素）的金属电池。
电池包含两个电极——一端是正极，另一端是负极（电池里称为正负极，电解池里面称为阴阳极）。如果你观察锂离子电池的内部结构，通常会发现用锂钴氧化物制成的正极以及由石墨制成的负极。在充放电的过程中，锂离子在这两个电极之间来回流动。
在这种情况下，如果研究者们想要简单地将氧化钴钾替换成钴酸锂，电池的性能就会下降。钾元素是一种体积更大且更重的元素，因此，它的能量密度较小。作为替代，伦斯勒研究团队想用钾金属替换石墨负极来提高钾的性能。
“就性能而言，这种电池很可能成为传统锂离子电池的竞争对手。 ”Nikhil Koratkar教授说，这位教授是在伦斯勒学院精通机械、航空与航天以及核工程领域的天才教授，同时他也是这篇文章的第一作者。
虽然金属电池显示出巨大的前景，但也受到传统阳极上金属表面沉积（枝晶）的困扰。枝晶是由于电池在充放电的循环过程中金属钾的不均匀沉积所造成的。 Koratkar教授说，随着时间的推移，金属钾枝蔓晶体变得越来越长，几乎呈树枝状生长。
如果晶体长得太长了，它们最终会刺穿隔膜分离器，阻碍电极相互接触从而使电池短路。电池短路时会发热并伴有将设备中的有机电解液点燃的危险。
在这篇文章中， Koratkar教授和他的团队（团队成员包括伦斯勒的一位博士生学生Prateek Hundekar ，马里兰大学的研究者们，其中包括化学和生物分子工程教授Chunsheng Wang）解释了他们如何解决枝晶问题，为之后实现商用铺平了道路。通过在相对较高的充放电速率下运行电池，他们可以很好地控制电池内部上升的温度并有效地实现枝晶在负极的自修复行为。
Koratkar教授将这种自修复过程比作风暴后的“除雪工作” 。风和阳光将雪花从雪堆上移走，缩减雪堆的尺寸最终将雪堆完全移平。
同样的道理，电池内部温度的升高不会熔化金属钾，但能确实有助于激活金属钾表面的钾原子扩散，钾原子横向地从它们所堆积而成的“金属钾”上移动，能有效平滑枝晶。
“通过这个方法，我们的想法是在晚上或者是任何你不再使用电池的时候，使用一个电池管理系统，通过该系统所提供的局部热量实现枝晶自修复。 ”Koratkar教授说。
Koratkar教授和他的团队还事先证明了金属锂电池也可以通过使用相同的方法实现自修复，但他们发现金属钾电池实现自修复过程所需要的热量更少。 Koratkar教授说，这个重要的发现说明金属钾电池相比于金属锂电池更高效、安全和实用。
“我希望看到从传统锂离子电池到金属电池的模式转变。 ”Koratkar教授说， “金属电池是构建电池最有效的方法，但由于枝晶问题目前还不可行。使用金属钾来制备金属电池，我认为是很有希望的。 ”
翻译：仇艳菲
审校：董子晨曦
引进来源：美国伦斯勒理工学院
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