钾金属电池成为锂离子技术的竞争对手

诸平

据美国伦斯勒理工学院（Rensselaer Polytechnic Institute）当地时间2020年3月2日提供的消息，从手机到太阳能，再到电动汽车，人类越来越依赖电池。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望的替代品的呼吁也在不断增长，虽然说可充电锂离子电池已成为该领域的主要技术，但是钾金属电池已经成为锂离子技术的竞争对手。《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences简称PNAS）网站2020年3月2日发表了相关的研究报告——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，伦斯勒理工学院的研究人员证明了他们如何克服名为树突晶体的持久性挑战，从而制造出性能与锂离子电池差不多的金属电池，但它依赖于钾。钾相对于锂而言是更丰富，更便宜的一种元素。

此电池包含两个电极-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。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，伦斯勒理工学院的研究团队希望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相媲美。”

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。Nikhil 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，最终将刺穿防止电极相互接触的绝缘膜隔板，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，引发火灾。

在本文中，Nikhil Koratkar及其团队（包括伦斯勒理工学院的博士生Prateek Hundekar和马里兰大学（University of Maryland）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，以供实际消费者使用。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。

Nikhil 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。

Nikhil Koratkar说：“采用这种方法的想法是，在夜间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。”

Nikhil 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。Nikhil 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。

Nikhil Koratkar说：“我想看到一种模式即向金属电池转移，金属电池是构建一个最有效的方法电池;然而，因为这枝晶问题，我更希望的是无钾金属电池的诞生。”更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

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.