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钾金属电池将成为锂离子电池的强力竞争对手
发布时间: 2020-07-10 来源:互联网

我们每个人现在几乎每天都在和锂离子电池打交道,从我们的手机、笔记本电脑到太阳能、电动汽车等。人类越来越依赖电池。有三位科学家因开发锂离子电池而获得了2019年诺贝尔化学奖。

锂电池采用的钴酸锂正极材料(LiCoO2)成本较高,并且难以应用在耐受穿刺、冲撞和高温、低温等条件等特殊环境。更重要的是,因无法满足人们对安全的绝对要求而饱受诟病。同时,钴酸锂电池也无法达到快速充电与完全避免二次污染等目的,而且,一定要设计保护电路以防止过度充电或过度放电,否则就会造成爆炸等危险。

另外,钴的价格愈来愈高昂,全球钴矿最大生产国刚果,战乱纷扰多,导致钴矿价格不断升高。钴酸锂电池的粉体因钴矿价格不断上涨,现在已从原先的每公斤40美元涨价到60~70美元。磷酸锂铁粉体依品质好坏,每公斤售价在30~60美元。

近20年来,各国产学界投入大量的研发人力与资源,不断寻找能够取代或解决LiCoO2问题的新材料,据统计,全球电池市场的经济规模总量每年高达500亿美元。随着对安全、高效和强大能量存储的需求不断增长,对可充电锂离子电池有希望的替代品的呼吁在不断增长。

现在,美国伦斯勒理工学院和其它大学研究人员组成的科学团队,制造出了一种性能与锂离子电池相当的金属电池,但使用的是来源更为丰富、价格更为便宜的元素钾。这项研究成果发表在最近一期的《美国国家科学院院刊》上。

锂离子电池是一种充电电池,它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。锂离子电池使用一个嵌入的锂化合物作为一个电极材料。电池包含两个电极,一端为阴极,另一端为阳极。在锂离子电池的内部结构,通常有由钴酸锂制成的阴极和由石墨制成的阳极。在充电和放电时,锂离子在这两个电极之间来回流动。

如果研究人员仅仅用钴酸钾代替钴酸锂,电池的性能就会下降。钾是一种较大和较重的元素,能量密度较低。但是,研究人员通过也用金属钾代替石墨阳极来提高钾的性能。伦斯勒理工学院的机械、航空航天和核工程系教授、论文的主要作者尼克·科拉特卡(Nikhil Koratkar)表示:“就性能而言,这样的钾金属电池可以与传统的锂离子电池媲美。”

该项研究论文的作者中,有四名华人学者,其中包括毕业于浙江大学、现为马里兰大学化学与生物分子工程系王春生教授。研究中,有一个重大的问题是,金属电池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。金属钾的团聚体会随着时间变长且几乎呈分支状。如果长得太长,最终将刺穿绝缘膜隔板,而使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。

为此,王教授与其它研究人员探索了如何解决该问题的方法以满足实际需要。通过以相对较高的充电和放电速率操作电池,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。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”有效地消除了枝晶。

研究人员解释说:“采用这种方法的想法是,在晚上或每当不使用电池时,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。”

研究团队展示了一种类似的锂金属电池自愈方法,发现钾金属电池需更少的热量来完成这一自愈过程。这一令人鼓舞的发现意味着,钾金属电池可能更加高效、然而更加安全和实用。