結(jié)束鋰離子電池的統(tǒng)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(jī)或者筆記本電腦，都需要鋰離子電池的供電?；蛟S你知道這類電池的缺點(diǎn)：它最終會(huì)停止保持電荷，鋰稀缺，開采對(duì)環(huán)境造成危害，有時(shí)甚至?xí)ā５?，絕大多數(shù)消費(fèi)電子產(chǎn)品和清潔能源存儲(chǔ)設(shè)備都依賴鋰離子電池，因?yàn)槟壳皼]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(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上的一篇論文描述了在實(shí)現(xiàn)鉀離子電池。鉀離子電池被認(rèn)為是鋰離子電池最佳的潛在競(jìng)爭(zhēng)者之一，因?yàn)殁洷蠕嚫匀坏馗患?，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(jī)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(chǔ)來源非常不現(xiàn)實(shí)和不經(jīng)濟(jì)，” 一個(gè)零。他說，以前的鉀離子電池性能不如鋰離子電池，但他的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)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(dú)立的化學(xué)反應(yīng)，由兩個(gè)電極——正極（陰極）和負(fù)極（陽(yáng)極），以及夾在中間的稱為電解質(zhì)的物質(zhì)組成。我們認(rèn)為的“功率”是一股電子流，它從負(fù)極端子流出到正極。將電池連接到設(shè)備并打開電源，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(fù)極配對(duì)。鋰重量輕，尤其擅長(zhǎng)釋放電子以供石墨捕獲，這就是其表現(xiàn)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，鉀很重，自然也沒有那么高的能量密度，因此與普通的石墨基負(fù)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(xiàn)，可以通過使正負(fù)極都不含鉀來解決這一問題。“這類鉀金屬電池可以與商用鋰離子電池競(jìng)爭(zhēng)，” Koratkar說。

但是，當(dāng)然有一個(gè)問題，其他試圖完善鉀離子電池的研究人員以前也遇到過。Koratkar說，“任何金屬電池的致命弱點(diǎn)都在于尖銳的金屬突起（稱為樹枝狀晶體）的演變和增長(zhǎng)，這些突起會(huì)縮短電池并導(dǎo)致火災(zāi)。”這些樹突就像從混凝土中刺出的堅(jiān)韌雜草。如果它們刺破電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，則可能發(fā)生爆炸。

這是團(tuán)隊(duì)取得突破的地方。研究人員沒有為樹突的形成而費(fèi)解，而是想出了一種方法來簡(jiǎn)單地?zé)羲鼈?mdash;—他們悄悄地稱之為“自我修復(fù)”。繼續(xù)進(jìn)行雜草類比，自我修復(fù)類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(xiàn)，對(duì)于這種類型的自我修復(fù)，鉀比鋰更易接受。

如果其他研究人員可以運(yùn)用這一壯舉，則鉀離子電池可能有機(jī)會(huì)將鋰離子電池從其寶座上敲下來。當(dāng)然，自熱電池有很多可能出錯(cuò)的地方，研究小組表明，至少可以在經(jīng)過測(cè)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(guī)模問題，研究小組計(jì)劃嘗試在更大的工業(yè)規(guī)模電池中再現(xiàn)這些結(jié)果。

鉀離子電池的潛力是巨大的：它們不僅可以使為消費(fèi)電子產(chǎn)品供電更經(jīng)濟(jì)，而且可以為電動(dòng)汽車等更大的設(shè)備供電；此外，它們可以提供一種方法來存儲(chǔ)來自太陽(yáng)能和風(fēng)能等綠色能源的電力。對(duì)這些前景的興奮似乎反映在這項(xiàng)研究中，俄羅斯，澳大利亞和日本的科學(xué)家在過去幾個(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(jù)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，可能沒有人會(huì)接管鋰離子電池的壟斷權(quán)，而是一系列替代品。

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