金屬鉀電池與鋰離子電池的比較

從手機到太陽能再到電動汽車，人們越來越依賴電池。對安全、高效和強大的能量儲存的需求不斷上升，導致人們越來越多地要求替代長期主導該領域的可充電鋰離子電池技術。

美國倫斯勒理工學院的研究人員在《美國國家科學院學報》上宣佈該報告討論他們如何克服樹突這長時間挑戰,開發了一個功能類似於鋰離子電池但依賴鉀(一種物質資本日益豐富和更便宜的元素)的金屬電池。

電池由兩個電極組成一端是正極，另一端是負極(在電池中稱為正極和負極，在電池中稱為正極和負極)。假如你觀察鋰離子電池內部，你通常會發現鋰鈷氧化物製成的正極和石墨製成的負極。在充放電過程中，鋰離子在兩個電極之間來回流動。

在這種情況下，假如研究人員想要簡單地用鋰鈷氧化物取代鉀鈷氧化物，電池的功能就會降低。鉀是一種較大較重的元素，所以它的能量密度較低。相反，倫斯勒的團隊希望透過用金屬鉀代替石墨陽極來改善鉀的功能。

就功能而言，這種電池可能是傳統鋰離子電池的競爭對手。尼克希爾卡拉特卡爾(NikhilKoratkar)教授是倫斯勒學院(rensselaer)一位很有天賦的教授，專門研究機械、航空航天和核工程，他是這篇論文的重要作者。

儘管金屬電池顯示出了巨大的潛力，但傳統陽極上金屬沉積物(樹突)的出現卻給它們帶來了麻煩。枝晶是由金屬鉀在充放電過程中不均勻沉積而形成的。卡拉特卡爾教授說，隨著時間的推移，金屬鉀的卷鬚變得越來越長，幾乎就像樹枝相同。

假如晶體長得太長，它們最終會刺穿隔膜，阻礙電極之間的接觸，使電池短路。電池中的短路會出現熱量，並有點燃裝置中的有機電解質的風險。

在這篇文章中，Koratkar教授和他的團隊，包括rensselaer的博士生PrateekHundekar，以及馬里蘭大學的研究人員，包括化學和生物分子工程學教授王春生，解釋了他們是如何解決樹突問題的，為商業應用鋪平了道路。透過較高的充放電速率執行電池，可以很好地控制電池內部溫度的升高，並可以很好地完成負極中枝晶的自校正行為。

Koratkar教授將這種自我修正的過程比作一場風暴後的除雪。風和Sunny把雪片從堆裡移走，縮小了堆的大小，最終把它完全壓扁。

同樣的道理，電池內部的溫度升高不會熔化金屬，但它確實有助於啟用金屬表面鉀原子的分散，鉀原子從它們積累的金屬鉀水平移動，以幫助撫平樹突。

透過這種方法，我們的想法是在夜間或不使用電池的時候使用電池處理系統，利用系統供應的區域性熱量完成樹突的自校正。Koratkar教授說。

Koratkar教授和他的團隊還證明了鋰金屬電池也能以同樣的方式自我校正，但是他們發現鉀金屬電池要更少的熱量來做到這一點。Koratkar教授表示，這一重要發現表明，金屬鉀電池比鋰金屬電池更加有效、更安全、更加有用。

我希望看到一個從傳統鋰離子電池到金屬電池的正規化轉變。Koratkar教授說:金屬電池是製造電池最有用的方法，但目前還不是因為樹突問題。我認為，用鉀金屬製造金屬電池是很有前途的。

鋰、鈉、鉀同屬於元素週期表ⅠA族鹼金屬元素，在物理和化學性質方面有相似之處，理論上都可以作為二次電池的金屬離子載體。鋰的離子半徑更小、標準電勢更高、比容量遠遠高於鈉和鉀，因此在二次電池方面得到了更早以及更廣泛的應用。而鈉電池卻因鈉離子質量比鋰離子大三倍，電池容量低、迴圈壽命短等