從手機(jī)到太陽(yáng)能再到電動(dòng)汽車(chē)，人們?cè)絹?lái)越依賴電池。對(duì)安全、高效和強(qiáng)大的能量存儲(chǔ)的需求不斷上升，導(dǎo)致人們?cè)絹?lái)越多地要求替代長(zhǎng)期主導(dǎo)該領(lǐng)域的可充電鋰離子電池技術(shù)。

美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院的研究人員在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院學(xué)報(bào)》上宣布該報(bào)告討論他們?nèi)绾慰朔?shù)突這長(zhǎng)時(shí)間挑戰(zhàn),開(kāi)發(fā)了一個(gè)功能類(lèi)似于鋰離子電池但依賴鉀(一種物質(zhì)資本日益豐富和更便宜的元素)的金屬電池。

電池由兩個(gè)電極組成一端是正極，另一端是負(fù)極(在電池中稱(chēng)為正極和負(fù)極，在電池中稱(chēng)為正極和負(fù)極)。假如你觀察鋰離子電池內(nèi)部，你通常會(huì)發(fā)現(xiàn)鋰鈷氧化物制成的正極和石墨制成的負(fù)極。在充放電過(guò)程中，鋰離子在兩個(gè)電極之間來(lái)回流動(dòng)。

在這種情況下，假如研究人員想要簡(jiǎn)單地用鋰鈷氧化物取代鉀鈷氧化物，電池的功能就會(huì)降低。鉀是一種較大較重的元素，所以它的能量密度較低。相反，倫斯勒的團(tuán)隊(duì)希望通過(guò)用金屬鉀代替石墨陽(yáng)極來(lái)改善鉀的功能。

就功能而言，這種電池可能是傳統(tǒng)鋰離子電池的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。尼克希爾卡拉特卡爾(NikhilKoratkar)教授是倫斯勒學(xué)院(rensselaer)一位很有天賦的教授，專(zhuān)門(mén)研究機(jī)械、特種航天和核工程，他是這篇論文的重要作者。

盡管金屬電池顯示出了巨大的潛力，但傳統(tǒng)陽(yáng)極上金屬沉積物(樹(shù)突)的出現(xiàn)卻給它們帶來(lái)了麻煩。枝晶是由金屬鉀在充放電過(guò)程中不均勻沉積而形成的。卡拉特卡爾教授說(shuō)，隨著時(shí)間的推移，金屬鉀的卷須變得越來(lái)越長(zhǎng)，幾乎就像樹(shù)枝相同。

假如晶體長(zhǎng)得太長(zhǎng)，它們最終會(huì)刺穿隔膜，阻礙電極之間的接觸，使電池短路。電池中的短路會(huì)出現(xiàn)熱量，并有點(diǎn)燃設(shè)備中的有機(jī)電解質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)。

在這篇文章中，Koratkar教授和他的團(tuán)隊(duì)，包括rensselaer的博士生PrateekHundekar，以及馬里蘭大學(xué)的研究人員，包括化學(xué)和生物分子工程學(xué)教授王春生，解釋了他們是如何解決樹(shù)突問(wèn)題的，為商業(yè)應(yīng)用鋪平了道路。通過(guò)較高的充放電速率運(yùn)行電池，可以很好地控制電池內(nèi)部溫度的升高，并可以很好地完成負(fù)極中枝晶的自校正行為。

Koratkar教授將這種自我修正的過(guò)程比作一場(chǎng)風(fēng)暴后的除雪。風(fēng)和陽(yáng)光把雪片從堆里移走，縮小了堆的大小，最終把它完全壓扁。

同樣的道理，電池內(nèi)部的溫度升高不會(huì)熔化金屬，但它確實(shí)有助于激活金屬表面鉀原子的分散，鉀原子從它們積累的金屬鉀水平移動(dòng)，以幫助撫平樹(shù)突。

通過(guò)這種方法，我們的想法是在夜間或不使用電池的時(shí)候使用電池處理系統(tǒng)，利用系統(tǒng)供應(yīng)的局部熱量完成樹(shù)突的自校正。Koratkar教授說(shuō)。

Koratkar教授和他的團(tuán)隊(duì)還證明了鋰金屬電池也能以同樣的方式自我校正，但是他們發(fā)現(xiàn)鉀金屬電池要更少的熱量來(lái)做到這一點(diǎn)。Koratkar教授表示，這一重要發(fā)現(xiàn)表明，金屬鉀電池比鋰金屬電池更加有效、更安全、更加有用。

我希望看到一個(gè)從傳統(tǒng)鋰離子電池到金屬電池的范式轉(zhuǎn)變。Koratkar教授說(shuō):金屬電池是制造電池最有用的方法，但目前還不是因?yàn)闃?shù)突問(wèn)題。我認(rèn)為，用鉀金屬制造金屬電池是很有前途的。