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2020年04月10日 | 美国研究人员打造枝晶自愈的钾电池 比锂离子电池更高效/更安全
2020-04-10 来源：盖世汽车
从手机、到太阳能、再到电动汽车，人们越来越依赖于电池。随着人们对安全、高效、强大储能设备的需求不断增长，而可充电锂离子电池一直是电池领域内的主导技术，人们对寻找此种电池的替代品的需求也在不断增长。
据外媒报道，美国伦斯勒理工学院（Rensselaer Polytechnic Institute）的研究人员展示了如何克服一个一直存在的电池问题 – 电池枝晶，打造了一种与锂离子电池性能一样好的金属电池 – 钾电池。相对于锂，钾是一种储量更丰富、价格更便宜的元素。
电池有两个电极，一端是阴极，另一端是阳极。如果查看锂离子电池的内部，通常会发现一个由钴酸锂制成的阴极以及一个由石墨制成的阳极。在电池充放电过程中，锂离子会在两个电极之间来回流动。
在此种情况下，如果研究人员只简单地用钴酸钾取代钴酸锂，电池性能会下降。钾是一种较大较重的元素，因此其能量密度较低。因此，伦斯勒理工学院团队希望通过用金属钾取代石墨阳极，以提高钾金属的性能。
伦斯勒理工学院机械、航空航天和核工程知名教授兼该论文的第一作者Nikhil Koratkar表示：“就性能而言，此种钾电池可与传统的锂离子电池相媲美。”
尽管金属电池潜力巨大，但是也一直因金属在阳极上沉积形成枝晶而造成困扰。当电池经历反复的充放电循环时，由于金属钾沉积不均匀就会形成枝晶。Koratkar解释表示，随着时间推移，钾金属沉积物会变得越来越长，长得像树枝。
如果此类沉积物长得太长，最终会刺穿绝缘隔膜，而绝缘隔膜的作用是防止电极相互接触，因此最终会导致电池短路。当电池短路，而电池内部的有机电解质着火时，就会产生热量。
在该论文中，Koratkar与团队成员（包括伦斯勒理工学院博士生Prateek Hundekar、化学和生物分子工程系教授Chunsheng Wang等马里兰大学研究员）解释了他们的解决方案为此种电池的实际应用铺平了道路。通过以较高的充放电速率运行电池，能够很好地控制电池内部温度的升高，并促使枝晶自愈，离开阳极。
Koratkar将此种自我修复的过程比作暴风雪结束后，雪堆的变化。风和太阳帮助将雪堆上的雪花吹走，将雪堆缩小，最终让雪堆变平。同样地，虽然电池内部温度升高不会熔化金属钾，但确实有助于激活钾金属的表面，使钾原子扩散，横向离开其形成的“堆”，有效地“抚平”了枝晶。
Koratkar表示：“利用此种方法，可以在晚上或者不使用电池时，得到一个电池管理系统，该系统可利用局部的热量，使枝晶自我修复。”
Koratkar及其团队此前曾演示过类似的方法，让锂金属电池的枝晶自我修复，不过，他们发现，钾金属电池完成自我修复的过程所需的热量要少得多。该发现也意味着钾金属电池可能比锂金属电池更高效、更安全、更实用。（文中图片均来自伦斯勒理工学院）
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