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新型钾电池:可自我修复、电池寿命更长

来源:【TRD】 发布日期:2020-05-11 分享 加入收藏 关注:336

锂电池采用的钴酸锂正极材料(LiCoO2)成本较高,并且难以应用在耐受穿刺、冲撞和高温、低温等条件等特殊环境。更重要的是,因无法满足人们对安全的绝对要求而饱受诟病。同时,钴酸锂电池也无法达到快速充电与完全避免二次污染等目的,而且,一定要设计保护电路以防止过度充电或过度放电,否则就会造成爆炸等危险。


另外,钴的价格愈来愈高昂,全球钴矿很大生产国刚果,战乱纷扰多,导致钴矿价格不断升高。钴酸锂电池的粉体因钴矿价格不断上涨,现在已从原先的每公斤40美金涨价到60——70美金。磷酸锂铁粉体依品质好坏,每公斤售价在30——60美金。


锂离子电池是一种充电电池,它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。锂离子电池使用一个嵌入的锂化合物作为一个电极材料。电池包含两个电极,一端为阴极,另一端为阳极。在锂离子电池的内部结构,通常有由钴酸锂制成的阴极和由石墨制成的阳极。在充电和放电时,锂离子在这两个电极之间来回流动。


近20年来,各国产学界投入大量的研发人力与资源,不断寻找能够取代或解决LiCoO2问题的新材料,据统计,全球电池市场的经济规模总量每年高达500亿美金。随着对安全、高效和强大能量存储的需求不断增长,对可充电锂离子电池有希翼的替代品的呼吁在不断增长。


如果研究人员仅仅用钴酸钾代替钴酸锂,电池的性能就会下降。钾是一种较大和较重的元素,能量密度较低。但是,研究人员通过也用金属钾代替石墨阳极来提高钾的性能。伦斯勒理工学院的机械、航空航天和核工程系教授、论文的主要编辑尼克·科拉特卡(NikhilKoratkar)表示:“就性能而言,这样的钾金属电池可以与传统的锂离子电池媲美。”


钾既便宜又丰富,往往易于使用,这意味着制造成本和材料成本都较低。使用全钾金属阳极,可以制造出与锂所提供的能量密度相匹配的电池。


而且到目前为止,锂电池中也存在一个问题:枝晶生长。当电池经历重复的充电和放电循环时,由于钾金属的不均匀沉积而形成枝晶。金属钾的团聚体会随着时间变长且几乎呈分支状,逐渐形成了少量的枝晶(一种树状晶体),最终它们长到足以刺穿将阳极与阴极隔开的绝缘膜,并使电池短路。这会导致热量积聚并偶尔起火,并有效缩短电池的使用寿命。


现在,美国伦斯勒理工学院和其它大学研究人员组成的科学团队,制造出了一种性能与锂离子电池相当的金属电池,但使用的是来源更为丰富、价格更为便宜的元素钾。这项研究成果发表在最近一期的《美国国家科学院院刊》上。


王教授与其它研究人员探索了如何解决该问题的方法以满足实际需要。通过以相对较高的充电和放电速率操作电池,可以以可控的方式升高电池内部的温度,并促使树枝状晶体自阳极自愈。虽然电池内的温度升高不会熔化钾金属,但它确实有助于激活表面扩散,因此钾原子横向移离它们形成的“堆”有效地消除了枝晶。


该技术听起来很奇怪,因为它本质上是高速率的充电和放电。研究人员表示,通过在受控环境下进行操作,他们可以精确控制电池中的热量,将热量提高到钾不熔化的程度,但它会激活表面扩散,从而使金属向侧面偏移。相同的研究团队在2018年证明了对锂电池中的树状晶体具有类似的自愈能力,但需要更高的温度。


“采用这种方法的想法是,在夜间或每当您不使用电池时,您将拥有一个电池管理系统,该系统将利用这种局部热量,从而导致树状晶体自愈。”研究主要编辑、仁斯利尔理工大学的机械、航空航天和核工程专业教授NikhilKoratkar表示:“我希翼看到一种模式向金属电池转移。金属电池是制造电池的有效方法;但是,由于这种枝晶问题,它们并不可行。有了钾,我将对此抱有更大的希翼。”


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