金属钾电池可以替代锂离子电池

的研究人员伦斯勒理工学院展示他们如何克服一种被称为树突的持久挑战，制造出一种性能几乎与锂离子电池一样好的金属电池，但依赖于钾——一种更丰富、更便宜的元素。

从手机到太阳能，再到电动汽车，人类越来越依赖电池。随着人们对安全、高效、强大的能源存储的需求不断增长，对可充电锂离子电池替代品的需求也在不断增长，可充电锂离子电池一直是该领域的主导技术。

电池包含两个电极——一端是阴极，另一端是阳极。如果你仔细观察锂离子电池的内部，你通常会发现阴极是由锂钴氧化物制成的，阳极是由石墨制成的。在充电和放电过程中，锂离子在这两个电极之间来回流动。

在这种情况下，如果研究人员只是简单地用钴酸钾取代钴酸锂，性能就会下降。钾是一种更大更重的元素，能量密度更低。研究小组还试图通过用金属钾代替石墨阳极来提高钾的性能。

伦斯勒大学机械、航空航天和核工程教授Nikhil Koratkar说:“就性能而言，这可以与传统的锂离子电池相媲美。”

虽然金属电池显示出了巨大的前景，但传统上，它们也受到阳极上金属沉积物(称为枝晶)积累的困扰。由于电池在反复的充放电过程中钾金属的不均匀沉积而形成枝晶。科拉特卡尔解释说，随着时间的推移，金属钾的团块变得很长，几乎像树枝一样。

如果它们长得太长，它们最终会刺穿绝缘膜分离器，该隔膜旨在防止电极相互接触，从而使电池短路。当电池短路时就会产生热量，并有可能使设备内的有机电解质着火。

Koratkar和他的团队——包括Rensselaer的博士生Prateek Hundekar, Rensselaer的其他研究人员，以及来自马里兰大学的研究人员，包括化学和生物分子工程学的教授王春生——在一篇论文中解释了他们的解决方案如何为实际消费者使用铺平了道路。通过以相对较高的充放电速率运行电池，他们可以以一种良好的控制方式提高电池内部的温度，并鼓励树突从阳极上自愈。

科拉特卡尔将自我修复过程比作风暴结束后一堆雪的情况。风和太阳帮助把雪片从雪堆上移走，使其缩小，最终变平。

同样地，虽然电池内部的温度升高不会融化金属钾，但它确实有助于激活表面扩散，使钾原子从它们创造的“堆”中横向移动，有效地平滑树突。

Koratkar说:“通过这种方法，我们的想法是，在晚上或当你不使用电池时，你将有一个电池管理系统，可以应用这种局部热量，使树突自我愈合。”

Koratkar和他的团队之前用锂金属电池演示了类似的自愈合方法，但他们发现钾金属电池完成自愈合过程所需的热量要少得多。Koratkar说，这一有希望的发现意味着钾金属电池可以更高效、更安全、更实用。

科拉特卡尔说:“我希望看到电池向金属电池的转变。”“金属电池是制造电池最有效的方法;然而，由于树突问题，它们一直是不可行的。有了钾，我就更有希望了。”

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