結束鋰離子電池的統治？鉀離子電池技術(shù)的突破

如今我們的大部分生活都在圍繞著(zhù)鋰離子電池進(jìn)行，舉個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，我們擁有和使用的智能手機或者筆記本電腦，都需要鋰離子電池的供電?；蛟S你知道這類(lèi)電池的缺點(diǎn)：它最終會(huì )停止保持電荷，鋰稀缺，開(kāi)采對環(huán)境造成危害，有時(shí)甚至會(huì )爆炸。但是，絕大多數消費電子產(chǎn)品和清潔能源存儲設備都依賴(lài)鋰離子電池，因為目前沒(méi)有更好的選擇。

科學(xué)家們正在努力另尋他法。上周，發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上的一篇論文描述了在實(shí)現鉀離子電池。鉀離子電池被認為是鋰離子電池最佳的潛在競爭者之一，因為鉀比鋰更自然地富集，而且一旦克服了一些障礙，鉀離子電池的性能就可以與鋰離子電池相比。

倫斯勒理工學(xué)院機械工程學(xué)教授尼克希爾·科拉特卡爾（Nikhil Koratkar）表示：“地殼中鋰的不均勻分布和稀缺性使得依靠鋰離子電池作為唯一的能量存儲來(lái)源非常不現實(shí)和不經(jīng)濟，” 一個(gè)零。他說(shuō)，以前的鉀離子電池性能不如鋰離子電池，但他的團隊現在已經(jīng)找到了一種可以安全地提供更多電量的方法。

首先，咱們快速回顧一下電池的工作原理：它們是一個(gè)獨立的化學(xué)反應，由兩個(gè)電極——正極（陰極）和負極（陽(yáng)極），以及夾在中間的稱(chēng)為電解質(zhì)的物質(zhì)組成。我們認為的“功率”是一股電子流，它從負極端子流出到正極。將電池連接到設備并打開(kāi)電源，即可完成使這種流動(dòng)發(fā)生的電路。

兩個(gè)電極的化學(xué)組成是關(guān)鍵。在鋰離子電池中，正極由鋰化合物制成并且與由石墨制成的負極配對。鋰重量輕，尤其擅長(cháng)釋放電子以供石墨捕獲，這就是其表現如此出色的原因。在鉀離子電池中，正極由鉀制成（驚奇?。?。但由于Koratkar說(shuō)，鉀很重，自然也沒(méi)有那么高的能量密度，因此與普通的石墨基負極端子搭配使用時(shí)，鉀的性能并不理想。

試圖制造基于鉀離子的電池的研究人員發(fā)現，可以通過(guò)使正負極都不含鉀來(lái)解決這一問(wèn)題。“這類(lèi)鉀金屬電池可以與商用鋰離子電池競爭，” Koratkar說(shuō)。

但是，當然有一個(gè)問(wèn)題，其他試圖完善鉀離子電池的研究人員以前也遇到過(guò)。Koratkar說(shuō)，“任何金屬電池的致命弱點(diǎn)都在于尖銳的金屬突起（稱(chēng)為樹(shù)枝狀晶體）的演變和增長(cháng)，這些突起會(huì )縮短電池并導致火災。”這些樹(shù)突就像從混凝土中刺出的堅韌雜草。如果它們刺破電池內部的結構，則可能發(fā)生爆炸。

這是團隊取得突破的地方。研究人員沒(méi)有為樹(shù)突的形成而費解，而是想出了一種方法來(lái)簡(jiǎn)單地燒掉它們——他們悄悄地稱(chēng)之為“自我修復”。繼續進(jìn)行雜草類(lèi)比，自我修復類(lèi)似于以可控的方式定期加熱人行道，將雜草除掉。他們驚奇的發(fā)現，對于這種類(lèi)型的自我修復，鉀比鋰更易接受。

如果其他研究人員可以運用這一壯舉，則鉀離子電池可能有機會(huì )將鋰離子電池從其寶座上敲下來(lái)。當然，自熱電池有很多可能出錯的地方，研究小組表明，至少可以在經(jīng)過(guò)測試的小型電池中，以受控的方式安全地完成此工作。為了進(jìn)一步解決安全性和規模問(wèn)題，研究小組計劃嘗試在更大的工業(yè)規模電池中再現這些結果。

鉀離子電池的潛力是巨大的：它們不僅可以使為消費電子產(chǎn)品供電更經(jīng)濟，而且可以為電動(dòng)汽車(chē)等更大的設備供電；此外，它們可以提供一種方法來(lái)存儲來(lái)自太陽(yáng)能和風(fēng)能等綠色能源的電力。對這些前景的興奮似乎反映在這項研究中，俄羅斯，澳大利亞和日本的科學(xué)家在過(guò)去幾個(gè)月中發(fā)表了有關(guān)鉀離子電池的論文。

其他替代方案的研究也在進(jìn)行中。Koratkar根據元素周期表中的金屬族將它們大致分為兩組。鋅是另一種便宜的金屬，鈉也顯示出希望（以及投資者的興趣）。最終，可能沒(méi)有人會(huì )接管鋰離子電池的壟斷權，而是一系列替代品。

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