從一次充電行駛數(shù)百英里的電動(dòng)汽車到像電動(dòng)汽車一樣強(qiáng)大的鏈鋸，每年都有新產(chǎn)品投放市場(chǎng)，充分利用電池技術(shù)的最新進(jìn)展。

但是，這種增長(zhǎng)導(dǎo)致人們擔(dān)憂，全球鋰電的供應(yīng)，即許多新型可充電電池核心的金屬，最終可能會(huì)被耗盡。

現(xiàn)在佐治亞理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)了新的證據(jù)，表明基于鈉和鉀的電池有望成為鋰基電池的潛在替代品。

“對(duì)于鈉離子和鉀離子電池來(lái)說(shuō)，最大的障礙之一就是他們傾向于更快地衰變和退化，并且比替代品的能量更少，”喬治W.伍德拉夫機(jī)械工程學(xué)院助理教授馬修麥克道爾說(shuō)道，材料科學(xué)與工程學(xué)院。

“但我們發(fā)現(xiàn)并非總是如此，”他補(bǔ)充道。

該研究于6月19日發(fā)表在Joule雜志上，由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)能源部資助，研究小組研究了三種不同的離子-鋰，鈉和鉀如何與鐵顆粒反應(yīng)硫化物，也叫黃鐵礦和傻瓜黃金。

隨著電池充電和放電，離子不斷與組成電池電極的顆粒發(fā)生反應(yīng)并穿透顆粒。該反應(yīng)過程引起電極顆粒的大的體積變化，常常將它們分解成小塊。由于鈉和鉀離子比鋰大，因此傳統(tǒng)上認(rèn)為它們?cè)谂c顆粒反應(yīng)時(shí)引起更顯著的降解。

在他們的實(shí)驗(yàn)中，在電子顯微鏡內(nèi)直接觀察到發(fā)生在電池內(nèi)部的反應(yīng)，硫化鐵顆粒扮演電池電極的角色。研究人員發(fā)現(xiàn)，與鈉和鉀反應(yīng)時(shí)硫化鐵比鋰更穩(wěn)定，表明這種基于鈉或鉀的電池壽命可能比預(yù)期長(zhǎng)得多。

不同離子之間反應(yīng)的差異是明顯的。當(dāng)暴露于鋰時(shí)，在電子顯微鏡下硫化鐵顆粒幾乎爆炸。相反，當(dāng)暴露于鈉和鉀時(shí)，硫化鐵像氣球一樣膨脹。

喬治亞理工學(xué)院的研究生MattheeBoebinger說(shuō)：“我們看到了一個(gè)非常強(qiáng)大的反應(yīng)，沒有出現(xiàn)裂縫-這表明這種材料和其他材料可以用于這些新型電池，并且隨著時(shí)間的推移具有更高的穩(wěn)定性。

該研究還對(duì)電化學(xué)反應(yīng)過程中發(fā)生的大的體積變化始終是粒子破裂的前兆這一觀點(diǎn)產(chǎn)生懷疑，這會(huì)導(dǎo)致電極失效導(dǎo)致電池退化。

研究人員認(rèn)為，不同離子如何與硫化鐵發(fā)生反應(yīng)的一個(gè)可能原因是，鋰更可能將其反應(yīng)沿著顆粒尖銳的立方體狀邊緣集中，而與鈉和鉀的反應(yīng)更為分散沿著硫化鐵顆粒的全部表面。結(jié)果，當(dāng)與鈉和鉀反應(yīng)時(shí)，硫化鐵顆粒形成了具有圓形邊緣的更加橢圓形的形狀。

雖然還有更多的工作要做，但新的研究成果可以幫助科學(xué)家設(shè)計(jì)使用這些新型材料的電池系統(tǒng)。

“鋰電池現(xiàn)在仍然是最吸引人的，因?yàn)樗鼈兊哪芰棵芏茸罡?你可以在這個(gè)空間中充滿能量，”McDowell說(shuō)。“鈉電池和鉀電池在這一點(diǎn)上沒有更多的密度，但它們是基于地球上比鋰鋰電池豐富1000倍的元素。因此，他們未來(lái)可能會(huì)便宜得多，這對(duì)于大規(guī)模儲(chǔ)能-為家庭或未來(lái)的電網(wǎng)提供備用電源非常重要。“