目前锂离子电池可说是储能领域龙头,手机、电动车到电池储能厂都是锂电池的天下,但这并不代表它可以稳稳待在宝座,由于锂电池的安全性受质疑、成本较高,也有不少科学家正在寻找替代方案,目前美国科学家在更便宜、地壳含量更丰富的钾电池颇有进展。
钾在地壳中的含量约为 2.09%,居第七位,制造成本与材料成本都比锂还要低,美国壬色列理工学院(RPI)认为,若是采用全钾金属阳极,不管是体积能量密度还是重量能量密度,都可以媲美锂离子电池,具备电池容量高优势。
但钾离子电池跟锂离子电池一样,也有晶枝生长问题,通常锂电池在充放电过程中会容易沉积锂离子,最终电极表面会因为沉积不均匀形成树枝状锂晶枝,这些晶枝容易刺穿绝缘层,最终导致故障电池起火,而钾的活性比锂更高、熔点也只有摄氏 68 度,其实是种易燃易爆的物质,在安全性上不可不审慎应对。
对此 RPI 团队研发出一种神奇的“自我修复”技术,在充电一整晚之后,电池会自动清除掉阳极上面的晶枝,不让它们过度生长。研究团队指出,只要在受控环境下,精准控制电池中的温度,提高到恰恰好的温度,既不让钾金属熔化、又能激发表面扩散,使钾原子离开沉积区域,进而使树状晶枝均匀消散。
这种状况有点像是暴风雪后的晴天,雪堆在风的吹散下、阳光曝晒后会逐渐缩小,最后逐渐平坦,机械、航太与核工程教授 Nikhil Koratkar 表示,不用电池的时候,只要开启电池管理系统,透过提高局部热量,让电池进行自我修复。
团队认为,这有可能将廉价、长寿的钾金属电池投入商业化。
不过这也不是该团队第一次观察到电池的自我修复状况,早在 2018 年他们就发现可透过相同发方法,提高温度抹平锂电池中的晶枝,而新的研究除了发现可应用在钾电池,或许是为了避免过热加速电池衰退,此次研究提出电池管理系统方案。
目前已研究发表在《PNAS》。
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(首图来源:RPI)