據(jù)美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院（Rensselaer Polytechnic Institute）當(dāng)?shù)貢r(shí)間2020年3月2日提供的消息，從手機(jī)到太陽(yáng)能，再到電動(dòng)汽車，人類越來(lái)越依賴電池。隨著對(duì)安全、高效和強(qiáng)大能量存儲(chǔ)的需求不斷增長(zhǎng)，對(duì)可充電鋰離子電池有希望的替代品的呼吁也在不斷增長(zhǎng)，雖然說(shuō)可充電鋰離子電池已成為該領(lǐng)域的主要技術(shù)，但是鉀金屬電池已經(jīng)成為鋰離子技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手?！睹绹?guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences簡(jiǎn)稱PNAS）網(wǎng)站2020年3月2日發(fā)表了相關(guān)的研究報(bào)告——Prateek Hundekar, Swastik Basu, Xiulin Fan, Lu Li, Anthony Yoshimura, Tushar Gupta, Varun Sarbada, Aniruddha Lakhnot, Rishabh Jain, Shankar Narayanan, Yunfeng Shi, Chunsheng Wang, Nikhil Koratkar. In situ healing of dendrites in a potassium metal battery. PNAS, First Published March 2, 2020, https://doi.org/10.1073/pnas.1915470117. 在此文中，倫斯勒理工學(xué)院的研究人員證明了他們?nèi)绾慰朔麨闃?shù)突晶體的持久性挑戰(zhàn)，從而制造出性能與鋰離子電池差不多的金屬電池，但它依賴于鉀。鉀相對(duì)于鋰而言是更豐富，更便宜的一種元素。
此電池包含兩個(gè)電極-一端為陰極，另一端為陽(yáng)極。如果要查看鋰離子電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通常會(huì)發(fā)現(xiàn)由鈷酸鋰制成的陰極和由石墨制成的陽(yáng)極。在充電和放電期間，鋰離子在這兩個(gè)電極之間來(lái)回流動(dòng)。在這種情況下，如果研究人員僅用鈷酸鉀代替鈷酸鋰，性能就會(huì)下降。鉀是一種較大和較重的元素，因此能量密度較低。相反，倫斯勒理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)希望通過(guò)也用金屬鉀代替石墨陽(yáng)極來(lái)提高鉀的性能。
倫斯勒理工學(xué)院的機(jī)械、航空航天和核工程專業(yè)教授，本文的主要作者Nikhil Koratkar說(shuō)：“就性能而言，它可以與傳統(tǒng)的鋰離子電池相媲美?！?
盡管金屬電池顯示出了巨大的希望，但傳統(tǒng)上它們也受到陽(yáng)極上金屬沉積物（稱為樹(shù)枝狀晶體）堆積的困擾。當(dāng)電池經(jīng)歷重復(fù)的充電和放電循環(huán)時(shí)，由于鉀金屬的不均勻沉積而形成枝晶。Nikhil Koratkar解釋說(shuō)，隨著時(shí)間的流逝，金屬鉀的團(tuán)聚體變長(zhǎng)且?guī)缀醭史种?。如果它們長(zhǎng)得太長(zhǎng)，最終將刺穿防止電極相互接觸的絕緣膜隔板，并使電池短路。電池短路時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，并有可能使設(shè)備中的有機(jī)電解質(zhì)著火，引發(fā)火災(zāi)。
在本文中，Nikhil Koratkar及其團(tuán)隊(duì)（包括倫斯勒理工學(xué)院的博士生Prateek Hundekar和馬里蘭大學(xué)（University of Maryland）的研究人員，包括化學(xué)和生物分子工程學(xué)教授Wang Chunsheng在內(nèi)）解釋了他們?nèi)绾谓鉀Q該問(wèn)題的方法，以供實(shí)際消費(fèi)者使用。通過(guò)以相對(duì)較高的充電和放電速率操作電池，它們可以以可控的方式升高電池內(nèi)部的溫度，并促使樹(shù)枝狀晶體自陽(yáng)極自愈。
Nikhil Koratkar將自我修復(fù)過(guò)程與暴風(fēng)雨結(jié)束后一堆雪發(fā)生的情況進(jìn)行了比較。風(fēng)和陽(yáng)光有助于將薄片從雪堆中移出，縮小其大小并最終使其平整。以類似的方式，雖然電池內(nèi)的溫度升高不會(huì)熔化鉀金屬，但它確實(shí)有助于激活表面擴(kuò)散，因此鉀原子橫向移離它們形成的“堆”，從而有效地消除了枝晶。
Nikhil Koratkar說(shuō)：“采用這種方法的想法是，在夜間或每當(dāng)不使用電池時(shí)，您將擁有一個(gè)電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)將利用這種局部熱量，從而導(dǎo)致樹(shù)枝狀晶體自愈?！?
Nikhil Koratkar和他的團(tuán)隊(duì)先前展示了一種類似的鋰金屬電池自愈方法，但是他們發(fā)現(xiàn)鉀金屬電池需要更少的熱量來(lái)完成自愈過(guò)程。Nikhil Koratkar說(shuō)，這一令人鼓舞的發(fā)現(xiàn)，意味著鉀金屬電池可能會(huì)更加高效、安全和實(shí)用。
Nikhil Koratkar說(shuō)：“我想看到一種模式即向金屬電池轉(zhuǎn)移，金屬電池是構(gòu)建一個(gè)最有效的方法電池;然而，因?yàn)檫@枝晶問(wèn)題，我更希望的是無(wú)鉀金屬電池的誕生。”更多信息請(qǐng)注意瀏覽原文或者相關(guān)報(bào)道。
Significance
Historically, battery self-heating has been viewed negatively as an undesirable attribute. However, we report that battery self-heat, if properly controlled, can smoothen dendritic features in potassium metal batteries. This could open the door to high gravimetric and volumetric energy density potassium-ion batteries that could offer a sustainable and low-cost alternative to the incumbent lithium-ion technology.
Abstract
The use of potassium (K) metal anodes could result in high-performance K-ion batteries that offer a sustainable and low-cost alternative to lithium (Li)-ion technology. However, formation of dendrites on such K-metal surfaces is inevitable, which prevents their utilization. Here, we report that K dendrites can be healed in situ in a K-metal battery. The healing is triggered by current-controlled, self-heating at the electrolyte/dendrite interface, which causes migration of surface atoms away from the dendrite tips, thereby smoothening the dendritic surface. We discover that this process is strikingly more efficient for K as compared to Li metal. We show that the reason for this is the far greater mobility of surface atoms in K relative to Li metal, which enables dendrite healing to take place at an order-of-magnitude lower current density. We demonstrate that the K-metal anode can be coupled with a potassium cobalt oxide cathode to achieve dendrite healing in a practical full-cell device.
