Kaliummetalbatteri fremstår som en rival til lithium-ion-teknologi

Fra mobiltelefoner, til solenergi, til elbiler, menneskeheden er i stigende grad afhængig af batterier. Som efterspørgsel efter sikker, effektiv, og kraftfuld energilagring fortsætter med at stige, det samme gør opfordringen til lovende alternativer til genopladelige lithium-ion-batterier, som har været den dominerende teknologi i dette rum.

I forskning offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences , forskere fra Rensselaer Polytechnic Institute demonstrerer, hvordan de kan overvinde en vedvarende udfordring kendt som dendritter for at skabe et metalbatteri, der yder næsten lige så godt som et lithium-ion-batteri, men er afhængig af kalium - et meget mere rigeligt og billigere element.

Batterier indeholder to elektroder - en katode i den ene ende og en anode i den anden. Hvis du skulle kigge ind i et lithium-ion-batteri, ville du typisk finde en katode lavet af lithium-koboltoxid og en anode lavet af grafit. Under opladning og afladning, lithium-ioner strømmer frem og tilbage mellem disse to elektroder.

I denne opsætning, hvis forskere simpelthen ville erstatte lithiumkoboltoxid med kaliumkoboltoxid, ydeevne ville falde. Kalium er et større og tungere grundstof og, derfor, mindre energitæt. I stedet, Rensselaer-teamet søgte at øge kaliums ydeevne ved også at erstatte grafit-anoden med kaliummetal.

"Med hensyn til ydeevne, dette kan konkurrere med et traditionelt lithium-ion batteri, "sagde Nikhil Koratkar, en begavet professor i mekanik, rumfart, og atomteknik hos Rensselaer og hovedforfatteren på dette papir.

Mens metalbatterier har vist meget lovende, de har også traditionelt været plaget af ophobning af metalaflejringer, kaldet dendritter, på anoden. Dendritter dannes på grund af uensartet aflejring af kaliummetal, da batteriet gennemgår gentagne cyklusser med opladning og afladning. Over tid, Koratkar forklarede, konglomeraterne af kaliummetal bliver lange og næsten forgrenede.

Hvis de bliver for lange, de vil til sidst gennembore den isolerende membranseparator, der er beregnet til at forhindre elektroderne i at røre hinanden og kortslutte batteriet. Varme skabes, når et batteri kortslutter og har potentiale til at sætte den organiske elektrolyt i enheden i brand.

I denne avis, Koratkar og hans team - som inkluderede Prateek Hundekar, en ph.d.-studerende ved Rensselaer, og forskere fra University of Maryland, herunder Chunsheng Wang, en professor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab – forklar, hvordan deres løsning på det problem baner vejen for praktisk forbrugeranvendelse. Ved at bruge batteriet ved en relativt høj op- og afladningshastighed, de kan hæve temperaturen inde i batteriet på en velkontrolleret måde og tilskynde dendritterne til at selvhelbrede sig fra anoden.

Koratkar sammenligner den selvhelbredende proces med det, der sker med en bunke sne, efter en storm er slut. Vinden og solen hjælper med at flytte flagerne væk fra snehøjen, krymper dens størrelse og til sidst flader den ud.

På lignende måde, mens temperaturstigningen i batteriet ikke vil smelte kaliummetallet, det hjælper med at aktivere overfladediffusion, så kaliumatomerne bevæger sig sideværts væk fra den "bunke", de har skabt, udglatter effektivt dendritten.

"Med denne tilgang, ideen er, at om natten, eller når du ikke bruger batteriet, du ville have et batteristyringssystem, der ville anvende denne lokale varme, som ville få dendritterne til at selvhelbrede, "Sagde Koratkar.

Koratkar og hans team har tidligere demonstreret en lignende metode til selvhelbredelse med lithiummetalbatterier, men de fandt ud af, at kaliummetalbatteriet krævede meget mindre varme for at fuldføre selvhelbredende processen. Det lovende fund, Koratkar sagde, betyder, at et kaliummetalbatteri kunne være mere effektivt, sikker, og praktisk.

"Jeg vil se et paradigmeskifte til metalbatterier, " sagde Koratkar. "Metalbatterier er den mest effektive måde at konstruere et batteri på; imidlertid, på grund af dette dendritproblem har de ikke været mulige. Med kalium, Jeg er mere håbefuld. "