從手機(jī)到太陽能，再到電動(dòng)汽車，人類越來越依賴電池。隨著對(duì)安全，高效和強(qiáng)大的能量存儲(chǔ)的需求不斷增長(zhǎng)，對(duì)可充電鋰離子電池有希望的替代品的呼吁也在不斷增長(zhǎng)，可充電鋰離子電池已成為該領(lǐng)域的主要技術(shù)。

在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上發(fā)表的研究報(bào)告中，倫斯勒理工學(xué)院的研究人員證明了他們?nèi)绾慰朔麨闃渫坏某志眯蕴魬?zhàn)，從而制造出一種性能與鋰離子電池差不多的金屬電池，但它依賴于鉀。更豐富，更便宜的元素。

電池包含兩個(gè)電極-一端為陰極，另一端為陽極。如果要查看鋰離子電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通常會(huì)發(fā)現(xiàn)由鈷酸鋰制成的陰極和由石墨制成的陽極。在充電和放電期間，鋰離子在這兩個(gè)電極之間來回流動(dòng)。

在這種設(shè)置下，如果研究人員僅用鈷酸鉀代替鈷酸鋰，性能就會(huì)下降。鉀是一種較大和較重的元素，因此能量密度較低。相反，Rensselaer團(tuán)隊(duì)希望通過用金屬鉀代替石墨陽極來提高鉀的性能。

Rensselaer的機(jī)械，航空航天和核工程專業(yè)教授，本文的主要作者Nikhil Koratkar說：“就性能而言，它可以與傳統(tǒng)的鋰離子電池媲美。”

盡管金屬電池顯示出了巨大的希望，但傳統(tǒng)上它們也受到陽極上金屬沉積物(稱為樹枝狀晶體)堆積的困擾。當(dāng)電池經(jīng)歷重復(fù)的充電和放電循環(huán)時(shí)，由于鉀金屬的不均勻沉積而形成枝晶。Koratkar解釋說，隨著時(shí)間的流逝，金屬鉀的團(tuán)聚體變長(zhǎng)且?guī)缀醭史种睢?/p>

如果它們長(zhǎng)得太長(zhǎng)，它們最終將刺穿絕緣膜隔板，以防止電極彼此接觸并使電池短路。電池短路時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，并有可能使設(shè)備中的有機(jī)電解質(zhì)著火。

在本文中，Koratkar和他的團(tuán)隊(duì)(包括Rensselaer的博士生Prateek Hundekar和馬里蘭大學(xué)的研究人員，包括化學(xué)和生物分子工程學(xué)教授Wang Chunsheng在內(nèi))解釋了他們?nèi)绾谓鉀Q該問題的方法供實(shí)際消費(fèi)者使用。通過以相對(duì)較高的充電和放電速率操作電池，它們可以以可控的方式升高電池內(nèi)部的溫度，并促使樹枝狀晶體自陽極自愈。

Koratkar將自我修復(fù)過程與暴風(fēng)雨結(jié)束后一堆積雪發(fā)生的情況進(jìn)行了比較。風(fēng)和陽光有助于將薄片從雪堆中移出，縮小其大小并最終使其平整。

以類似的方式，雖然電池內(nèi)的溫度升高不會(huì)熔化鉀金屬，但它確實(shí)有助于激活表面擴(kuò)散，因此鉀原子橫向移離它們形成的“堆”，從而有效地消除了枝晶。

Koratkar說：“采用這種方法的想法是，在晚上或每當(dāng)不使用電池時(shí)，您將擁有一個(gè)電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)將利用這種局部熱量，從而導(dǎo)致樹枝狀晶體自愈。”

Koratkar和他的團(tuán)隊(duì)先前展示了一種使用鋰金屬電池進(jìn)行自我修復(fù)的類似方法，但是他們發(fā)現(xiàn)，鉀金屬電池所需的熱量要少得多，從而可以完成自我修復(fù)過程。Koratkar說，這一令人鼓舞的發(fā)現(xiàn)意味著，鉀金屬電池可能會(huì)更加高效，安全和實(shí)用。

“我想看到一種模式向金屬電池轉(zhuǎn)移，” Koratkar說。“金屬電池是構(gòu)建一個(gè)最有效的方法電池;然而，因?yàn)檫@枝晶問題，他們沒有可行的鉀，我更希望的。”