科学家制造出一种性能与锂离子电池相似的钾金属电池

从手机到太阳能，再到电动汽车，人类越来越依赖电池。随着对安全、高效和强劲能量存储的需求不断增长，可充电锂离子电池已成为该领域的主要技术，近年来，对于可充电锂离子电池替代品的呼声也越来越高。

近日，在《美国国家科学院院刊》发表的一篇研究报告中，伦斯勒理工学院的研究人员证明了他们如何克服名为“树突”的持久性挑战，从而制造出性能与锂离子电池差不多的钾金属电池，该金属电池主要依赖于钾元素。

电池包含两个电极，阴极与阳极。如果要查看锂离子电池的内部结构，通常会发现由钴酸锂制成的阴极和由石墨制成的阳极。在充电和放电期间，锂离子在这两个电极之间来回流动。

在这种情况下，如果研究人员仅用钴酸钾代替钴酸锂，则电池的性能就会下降。钾是一种较大且较重的元素，因此能量密度较低。相反，研究团队希望同时通过用金属钾代替石墨阳极，以此来提高电池的性能。伦斯勒理工学院机械、航空航天和核工程专业的教授Nikhil Koratkar说：“就性能而言，钾金属电池可以与传统的锂离子电池媲美。”

尽管钾金属电池显示出了巨大的应用前景，但它们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。Koratkar解释说：“随着时间的流逝，金属钾的团聚体变长且几乎呈分支状。”如果团聚体过长，最终将刺穿绝缘膜隔板，以防止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。

研究团队通过以相对较高的充电和放电速率操作电池，使电池能够以可控的方式升高其内部的温度，并促使树枝状晶体自阳极自愈。Koratkar将电池的自我修复过程比作暴风雨结束后的积雪，风和阳光有助于缩小雪片的大小并最终使积雪平整。以类似的方式，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”，从而有效地消除了枝晶。

Koratkar说：“采用这种方法的想法是，每当在夜间或不使用电池时，使用者将拥有一个电池管理系统，该系统将利用局部热量，使得树枝状晶体自愈。”同时，研究人员还发现钾金属电池或许可以用更少的热量来完成自愈过程。这一令人鼓舞的发现意味着，钾金属电池可能会更加高效、安全和实用。