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美國研究人員打造枝晶自愈的鉀電池 比鋰電池更高效/更安全

鉅大LARGE  |  點擊量:832次  |  2022年12月29日  

從手機、到太陽能、再到電動汽車,人們越來越依賴于電池。隨著人們對安全、高效、強大儲能設(shè)備的需求不斷上升,而可充電鋰電池一直是電池領(lǐng)域內(nèi)的主導(dǎo)技術(shù),人們對尋找此種電池的替代品的需求也在不斷上升。


據(jù)外媒報道,美國倫斯勒理工學(xué)院(RensselaerPolytechnicInstitute)的研究人員展示了如何克服一個一直存在的電池問題–電池枝晶,打造了一種和鋰電池性能相同好的金屬電池–鉀電池。相關(guān)于鋰,鉀是一種儲量更豐富、價格更便宜的元素。


電池有兩個電極,一端是陰極,另一端是陽極。假如查看鋰電池的內(nèi)部,通常會發(fā)現(xiàn)一個由鈷酸鋰制成的陰極以及一個由石墨制成的陽極。在電池充放電過程中,鋰離子會在兩個電極之間來回流動。


在此種情況下,假如研究人員只簡單地用鈷酸鉀取代鈷酸鋰,電池性能會下降。鉀是一種較大較重的元素,因此其能量密度較低。因此,倫斯勒理工學(xué)院團隊希望通過用金屬鉀取代石墨陽極,以提高鉀金屬的性能。


倫斯勒理工學(xué)院機械、航天和核工程知名教授兼該論文的第一作者NikhilKoratkar表示:就性能而言,此種鉀電池可和傳統(tǒng)的鋰電池相媲美。

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-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

盡管金屬電池潛力巨大,但是也一直因金屬在陽極上沉積形成枝晶而造成困擾。當(dāng)電池經(jīng)歷反復(fù)的充放電循環(huán)時,由于金屬鉀沉積不均勻就會形成枝晶。Koratkar解釋表示,隨著時間推移,鉀金屬沉積物會變得越來越長,長得像樹枝。


假如此類沉積物長得太長,最終會刺穿絕緣隔膜,而絕緣隔膜的用途是防止電極相互接觸,因此最終會導(dǎo)致電池短路。當(dāng)電池短路,而電池內(nèi)部的有機電解質(zhì)著火時,就會出現(xiàn)熱量。


在該論文中,Koratkar和團隊成員(包括倫斯勒理工學(xué)院博士生PrateekHundekar、化學(xué)和生物分子工程系教授ChunshengWang等馬里蘭大學(xué)研究員)解釋了他們的解決方法為此種電池的實際應(yīng)用鋪平了道路。通過以較高的充放電速率運行電池,能夠很好地控制電池內(nèi)部溫度的升高,并促使枝晶自愈,離開陽極。


Koratkar將此種自我修復(fù)的過程比作暴風(fēng)雪結(jié)束后,雪堆的變化。風(fēng)和太陽幫助將雪堆上的雪花吹走,將雪堆縮小,最終讓雪堆變平。同樣地,雖然電池內(nèi)部溫度升高不會熔化金屬鉀,但確實有助于激活鉀金屬的表面,使鉀原子擴散,橫向離開其形成的堆,有效地撫平了枝晶。


Koratkar表示:利用此種方法,可以在晚上或者不使用電池時,得到一個電池管理系統(tǒng),該系統(tǒng)可利用局部的熱量,使枝晶自我修復(fù)。

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應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測繪、無人設(shè)備

Koratkar及其團隊此前曾演示過類似的方法,讓鋰金屬電池的枝晶自我修復(fù),不過,他們發(fā)現(xiàn),鉀金屬電池完成自我修復(fù)的過程所需的熱量要少得多。該發(fā)現(xiàn)也意味著鉀金屬電池可能比鋰金屬電池更高效、更安全、更實用。(文中圖片均來自倫斯勒理工學(xué)院)

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