钾金属电池有望成为锂电池潜在替代品
从手机，到太阳能发电，再到电动汽车，人类越来越依赖电池。随着对安全、高效、强大的储能需求的不断增加，人们对可充电锂离子电池的替代品的需求也在不断增加，而锂离子电池一直是该领域的主导技术。
近日，伦斯勒理工学院（Rensselaer Polytechnic Institute）的研究人员展示了他们如何克服电池晶枝这一长期挑战的，创造出性能几乎与锂离子电池相当的金属电池，该电池基于钾，这是一种更丰富、更廉价的元素。
电池包含两个电极，一端是阴极，另一端是阳极。如果你要看一下锂离子电池的内部，你会发现通常是由锂钴氧化物制成的正极和石墨制成的阳极。在充电和放电过程中，锂离子会在这两个电极之间来回流动。
在这种情况中，如果研究人员简单地用钾钴氧化物代替锂钴氧化物，性能就会下降。钾是一种更大更重的元素，因此能量密度较低。相反，伦斯勒团队希望通过用钾金属代替石墨阳极来提高钾的性能。
“在性能方面，这可能会与传统的锂离子电池相媲美，”伦斯勒大学机械、航空航天和核工程的终身教授Nikhil Koratkar说。
虽然金属电池已经显示出巨大的前景，但它们也一直以来都受到阳极上金属沉积物（称为树枝状物）堆积的困扰。树晶的形成是因为电池在反复的充电和放电过程中，金属钾的不均匀沉积。Koratkar解释说，随着时间的推移，金属钾的团块会变得很长，几乎像树枝状一样。
如果它们长得太长，最终会刺穿绝缘膜隔板，以防止电极之间相互接触，使电池短路。当电池短路时，会产生热量，并有可能使有机电解液着火。
在这项研究中，Koratkar和他的团队（包括伦斯勒大学的博士生Prateek Hundek Hundar和马里兰大学的研究人员，包括化学和生物分子工程教授王春生在内的研究人员）解释了他们的解决方案是如何为消费者的实际使用铺平道路的。通过在相对较高的充放电率下操作电池，他们可以在良好控制电池内部温度，并促使枝晶从阳极上自行愈合。
Koratkar将这种自我修复过程比作暴风雪结束后，堆积如山的积雪所发生的事情。风和阳光帮助将雪堆上的雪片从雪堆上移开，缩小了雪堆的大小，最终将其压平。
以类似的方式，虽然电池内的温度升高不会融化金属钾，但它确实有助于激活表面扩散，因此钾原子会横向移动离开所形成的 “堆积物”，有效地将树枝状的晶状体磨平。
“这种方法的想法是，在晚上或者不使用电池的时候会有一个电池管理系统，它会利用局部热量使树突自我修复，”Koratkar说。
Koratkar和他的团队先前用锂金属电池演示了一种类似的自愈方法，他们发现钾金属电池完成自愈过程所需的热量少得多。这一发现意味着钾金属电池可能更高效、安全和实用。
“我希望看到一种向金属电池转变的模式，”Koratkar说。”金属电池是最有效的构造电池的方式；然而，由于这种枝晶问题，目前并不可行。钾金属电池让我看到了希望。”
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