（文章來源：中國數(shù)字科技館）

從手機(jī)到太陽能到電動車，人們越來越依賴于電池。隨著對安全、高效和強(qiáng)大的儲能不斷增大的需求，人們對有望替代可充電鋰離子電池技術(shù)的呼聲也日漸增長，可充電鋰離子電池技術(shù)長期主導(dǎo)了該技術(shù)領(lǐng)域。

美國倫斯勒理工學(xué)院的研究人員在《國家科學(xué)院院刊》上發(fā)表的研究報告中闡述了他們是如何克服枝晶這一長期挑戰(zhàn)，開發(fā)了一種性能接近于鋰離子電池但依賴于鉀元素（一種原料更加豐富且成本不那么貴的元素）的金屬電池。電池包含兩個電極——一端是正極，另一端是負(fù)極（電池里稱為正負(fù)極，電解池里面稱為陰陽極）。如果你觀察鋰離子電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通常會發(fā)現(xiàn)用鋰鈷氧化物制成的正極以及由石墨制成的負(fù)極。在充放電的過程中，鋰離子在這兩個電極之間來回流動。

在這種情況下，如果研究者們想要簡單地將氧化鈷鉀替換成鈷酸鋰，電池的性能就會下降。鉀元素是一種體積更大且更重的元素，因此，它的能量密度較小。作為替代，倫斯勒研究團(tuán)隊想用鉀金屬替換石墨負(fù)極來提高鉀的性能。

“就性能而言，這種電池很可能成為傳統(tǒng)鋰離子電池的競爭對手。”Nikhil Koratkar教授說，這位教授是在倫斯勒學(xué)院精通機(jī)械、航空與航天以及核工程領(lǐng)域的天才教授，同時他也是這篇文章的第一作者。雖然金屬電池顯示出巨大的前景，但也受到傳統(tǒng)陽極上金屬表面沉積（枝晶）的困擾。枝晶是由于電池在充放電的循環(huán)過程中金屬鉀的不均勻沉積所造成的。Koratkar教授說，隨著時間的推移，金屬鉀枝蔓晶體變得越來越長，幾乎呈樹枝狀生長。

如果晶體長得太長了，它們最終會刺穿隔膜分離器，阻礙電極相互接觸從而使電池短路。電池短路時會發(fā)熱并伴有將設(shè)備中的有機(jī)電解液點燃的危險。

在這篇文章中，Koratkar教授和他的團(tuán)隊（團(tuán)隊成員包括倫斯勒的一位博士生學(xué)生Prateek Hundekar，馬里蘭大學(xué)的研究者們，其中包括化學(xué)和生物分子工程教授Chunsheng Wang）解釋了他們?nèi)绾谓鉀Q枝晶問題，為之后實現(xiàn)商用鋪平了道路。通過在相對較高的充放電速率下運行電池，他們可以很好地控制電池內(nèi)部上升的溫度并有效地實現(xiàn)枝晶在負(fù)極的自修復(fù)行為。

Koratkar教授將這種自修復(fù)過程比作風(fēng)暴后的“除雪工作”。風(fēng)和陽光將雪花從雪堆上移走，縮減雪堆的尺寸最終將雪堆完全移平。

同樣的道理，電池內(nèi)部溫度的升高不會熔化金屬鉀，但能確實有助于激活金屬鉀表面的鉀原子擴(kuò)散，鉀原子橫向地從它們所堆積而成的“金屬鉀”上移動，能有效平滑枝晶。“通過這個方法，我們的想法是在晚上或者是任何你不再使用電池的時候，使用一個電池管理系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)所提供的局部熱量實現(xiàn)枝晶自修復(fù)。”Koratkar教授說。

Koratkar教授和他的團(tuán)隊還事先證明了金屬鋰電池也可以通過使用相同的方法實現(xiàn)自修復(fù)，但他們發(fā)現(xiàn)金屬鉀電池實現(xiàn)自修復(fù)過程所需要的熱量更少。Koratkar教授說，這個重要的發(fā)現(xiàn)說明金屬鉀電池相比于金屬鋰電池更高效、安全和實用。“我希望看到從傳統(tǒng)鋰離子電池到金屬電池的模式轉(zhuǎn)變。”Koratkar教授說，“金屬電池是構(gòu)建電池最有效的方法，但由于枝晶問題目前還不可行。使用金屬鉀來制備金屬電池，我認(rèn)為是很有希望的。”
（責(zé)任編輯：fqj）