从手机到电动汽车，再到太阳电储能电池，锂离子电池都是目前最主要的技术，但由于锂价格昂贵，在环境方面存在重大问题，并且可能存在起火隐患，因此各行业对可充电锂离子电池的替代品呼吁也在不断增长，外媒New Atlas报道称其他替代方案也开始逐渐出现，而实际上颇具希望的替代方案可能是钾电池。
仁斯利尔理工大学（Rensselaer Polytechnic Institute，简称RPI）的研究人员日前在《美国国家科学院院刊》上发表的研究报告中证明了他们如何克服名为树突的持久性挑战，从而制造出性能与锂离子电池差不多但依赖于钾的金属电池。
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。
电池包含两个电极-一端为阴极，另一端为阳极。如果要查看锂离子电池的内部结构，通常会发现由钴酸锂制成的阴极和由石墨制成的阳极。在充电和放电期间，锂离子在这两个电极之间来回流动。
到目前为止，锂电池中也存在一个问题：枝晶生长。随着时间的流逝，随着电池一次又一次地充电和放电，少量金属（醚锂或钾）开始将自身附着到阳极上。这不是均匀发生的。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。
在这种情况下，如果研究人员仅用钴酸钾代替钴酸锂，性能就会下降。钾是一种较大和较重的元素，因此能量密度较低。相反，RPI团队希望通过也用金属钾代替石墨阳极来提高钾的性能。
RPI的机械，航空航天和核工程专业教授，本文的主要作者Nikhil Koratkar说：“就性能而言，它可以与传统的锂离子电池媲美。”
尽管金属电池显示出了巨大的希望，但传统上它们也受到阳极上金属沉积物(称为树枝状晶体)堆积的困扰。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问题。Koratkar解释说，随着时间的流逝，金属钾的团聚体变长且几乎呈分支状。
如果它们长得太长，它们最终将刺穿绝缘膜隔板，以防止电极相互接触并使电池短路。电池短路时会产生热量，并有可能使设备中的有机电解质着火。
在本文中，Koratkar及其团队(包括Rensselaer的博士生Prateek Hundekar和马里兰大学的研究人员，包括化学和生物分子工程学教授Wang Chunsheng在内)解释了他们如何解决该问题的方法供实际消费者使用。通过以相对较高的充电和放电速率操作电池，它们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。
Koratkar将自我修复过程与暴风雨结束后一堆雪发生的情况进行了比较。风和阳光有助于将薄片从雪堆中移出，缩小其大小并最终使其平整。
以类似的方式，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”，从而有效地消除了枝晶。
Koratkar说：“采用这种方法的想法是，在晚上或每当不使用电池时，您将拥有一个电池管理系统，该系统将利用这种局部热量，从而导致树枝状晶体自愈。”
Koratkar和他的团队先前展示了一种类似的锂金属电池自愈方法，但是他们发现钾金属电池需要更少的热量来完成自愈过程。Koratkar说，这一令人鼓舞的发现意味着，钾金属电池可能会更加高效，安全和实用。
这项研究发表在《PNAS》上。
（责编：Demi Xia）
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