锂离子电池的竞争对手-新的钾金属技术

时间:2020-03-10 17:49 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

锂离子电池的竞争对手-新的钾金属技术

伦斯勒团队找到了解决钾金属电池长期面临的问题的方法。

从手机到太阳能再到电动汽车,人类越来越依赖电池。随着人们对安全、高效、强大的能源存储的需求不断增长,对可充电锂离子电池的需求也在不断增长。可充电锂离子电池一直是该领域的主导技术。

在《美国国家科学院院刊》上发表的一项研究中,来自伦斯勒理工学院的研究人员演示了他们如何克服一个被称为“树突”的持久挑战,制造出性能与锂离子电池相当的金属电池,但这要依赖于钾离子。一种更丰富,更便宜的元素。

就性能而言,它可以与传统的锂离子电池相媲美。本;Nikhil Koratkar

电池有两个电极。一端是阴极,另一端是阳极。如果你要观察锂离子电池的内部,你通常会发现一个由锂钴氧化物构成的阴极和一个由石墨构成的阳极。在充放电过程中,锂离子在两个电极之间来回流动。

在这种情况下,如果研究人员简单地用氧化钴钾代替氧化钴锂,性能就会下降。钾是一种较大较重的元素,因此能量密度较低。相反,伦斯勒团队希望通过用金属钾代替石墨阳极来提高钾的利用率。

就性能而言,它可以与传统的锂离子电池相媲美。Nikhil Koratkar说,他是伦斯勒大学机械、航空航天和核工程的一名捐赠教授,也是这篇论文的第一作者。

尽管金属电池显示出了巨大的潜力,但它们也一直受到阳极上金属沉积物(称为枝晶)积累的困扰。当电池经历反复的充放电循环时,由于金属钾的不均匀沉积而形成树突。Koratkar解释说,随着时间的推移,钾金属的砾岩变得又长又像树枝。

如果它们长得太长,最终会刺穿绝缘隔膜,而绝缘隔膜的作用是防止电极相互接触,从而使电池短路。当电池短路并有可能使设备内部的有机电解质着火时,就会产生热量。

在这篇论文中,Koratkar和他的团队其中包括Rensselaer的博士生Prateek Hundekar和来自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;解释他们解决这个问题的方法如何为实际的消费者使用铺平道路。通过以较高的充放电速率运行电池,可以很好地控制电池内部温度的升高,并促使电极自愈。

Koratkar将这种自我修复的过程比作一场暴风雪结束后一堆雪的变化。风和太阳帮助把雪花从堆积的雪堆上移开,缩小它的尺寸,最终使它变平。

同样,当电池内部的温度升高时,钾金属不会熔化,但它确实有助于激活表面扩散,使钾原子横向地离开堆积。他们创造了,有效地抚平了树突。

通过这种方法,我们的想法是,在晚上或者当你不用电池的时候,你可以用一个电池管理系统来利用局部的热量,使树突自愈。Koratkar说。

Koratkar和他的团队先前展示了一个类似的方法,用锂金属电池进行自我修复,但是他们发现,用钾金属电池完成自我修复过程需要的热量要少得多。Koratkar说,这个有希望的发现意味着钾金属电池可能更有效、更安全、更实用。

我想看到一个向金属电池转变的范例。Koratkar说。金属电池是制造电池最有效的方法;然而,由于这一枝晶问题,它们一直不可行。有了钾,我就更有希望了。

参考:"原木原石在钾金属西雅图的原地愈合"由普拉泰克·洪德卡尔、斯瓦斯蒂克·巴苏、舒林范、陆力、安东尼·吉村、图沙尔·古普塔、瓦伦·萨尔巴达、阿尼鲁达·拉赫纳特、里沙布·贾因、尚卡尔·纳拉亚南、石云峰、春生王和尼基尔·科拉特卡尔,2020年3月2日,国家科学院院士。

DOI: 10.1073/PNAS. 1915470117

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