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钾电池或成锂电池最佳替代方案

2020-03-03 15:33:55 网络整理 阅读:
仁斯利尔理工大学(Rensselaer Polytechnic Institute,简称RPI)的研究人员日前在《美国国家科学院院刊》上发表的研究报告中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但依赖于钾的金属电池。

从手机到电动汽车,再到太阳电储能电池,锂离子电池都是目前最主要的技术,但由于锂价格昂贵,在环境方面存在重大问题,并且可能存在起火隐患,因此各行业对可充电锂离子电池的替代品呼吁也在不断增长,外媒New Atlas报道称其他替代方案也开始逐渐出现,而实际上颇具希望的替代方案可能是钾电池。EEoednc

仁斯利尔理工大学(Rensselaer Polytechnic Institute,简称RPI)的研究人员日前在《美国国家科学院院刊》上发表的研究报告中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但依赖于钾的金属电池。EEoednc

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钾既便宜又丰富,往往易于使用,这意味着制造成本和材料成本都较低。使用全钾金属阳极,可以制造出与锂所提供的能量密度相匹配的电池。EEoednc

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。EEoednc

到目前为止,锂电池中也存在一个问题:枝晶生长。随着时间的流逝,随着电池一次又一次地充电和放电,少量金属(醚锂或钾)开始将自身附着到阳极上。这不是均匀发生的。逐渐形成了少量的枝晶(一种树状晶体),最终它们长到足以刺穿将阳极与阴极隔开的绝缘膜,并使电池短路。这会导致热量积聚并偶尔起火,并有效缩短电池的使用寿命。EEoednc

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在这种情况下,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,RPI团队希望通过也用金属钾代替石墨阳极来提高钾的性能。EEoednc

RPI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,它可以与传统的锂离子电池媲美。”EEoednc

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问题。Koratkar解释说,随着时间的流逝,金属钾的团聚体变长且几乎呈分支状。EEoednc

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。EEoednc

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在本文中,Koratkar及其团队(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。EEoednc

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

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。EEoednc

Koratkar说:“采用这种方法的想法是,在晚上或每当不使用电池时,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。”EEoednc

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。EEoednc

这项研究发表在《PNAS》上。EEoednc

(责编:Demi Xia)EEoednc

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