基于鈉和鉀的電池可能是未來智能電網(wǎng)的關(guān)鍵

從一次充電行駛數(shù)百英里的電動(dòng)汽車到像汽油動(dòng)力版一樣強(qiáng)大的電鋸，每年都有新產(chǎn)品上市，充分利用了電池技術(shù)的最新進(jìn)展。

但這種增長導(dǎo)致人們擔(dān)心，世界上許多新型可充電電池核心的鋰供應(yīng)最終可能會(huì)耗盡。

現(xiàn)在佐治亞理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)了新的證據(jù)表明，基于鈉和鉀的電池有望成為鋰電池的潛在替代品。

“對(duì)于鈉離子電池和鉀離子電池來說，最大的障礙之一就是它們傾向于衰變和降解速度更快，能量比替代品更少，”George W. Woodruff機(jī)械工程學(xué)院助理教授Matthew McDowell表示。材料科學(xué)與工程學(xué)院。

“但我們發(fā)現(xiàn)并非總是如此，”他補(bǔ)充道。

在這項(xiàng)研究中，這是出版6月19日在該雜志焦耳，并得到了美國國家科學(xué)基金會(huì)和美國能源署資助，研究小組研究了如何三種不同的離子，鋰，鈉和鉀的反應(yīng)與顆粒的鐵硫化物，也稱為黃鐵礦和傻瓜的黃金。

當(dāng)電池充電和放電時(shí)，離子不斷地與構(gòu)成電池電極的顆粒反應(yīng)并穿透它們。該反應(yīng)過程導(dǎo)致電極顆粒的大量體積變化，通常將它們分解成小塊。因?yàn)殁c和鉀離子比鋰大，所以傳統(tǒng)上認(rèn)為它們?cè)谂c顆粒反應(yīng)時(shí)會(huì)引起更顯著的降解。

在他們的實(shí)驗(yàn)中，在電子顯微鏡內(nèi)直接觀察到電池內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)，其中硫化鐵顆粒起電池電極的作用。研究人員發(fā)現(xiàn)硫化鐵在與鈉和鉀的反應(yīng)過程中比鋰更穩(wěn)定，這表明這種基于鈉或鉀的電池壽命比預(yù)期的要長得多。

不同離子如何反應(yīng)的差異在視覺上是明顯的。當(dāng)暴露于鋰時(shí)，硫化鐵顆粒在電子顯微鏡下幾乎爆炸。相反，當(dāng)暴露于鈉和鉀時(shí)，硫化鐵像氣球一樣膨脹。

佐治亞理工學(xué)院的研究生Matthew Boebinger說：“我們看到了一種非常強(qiáng)烈的反應(yīng)，沒有斷裂 - 這表明這種材料和其他材料可以用在這些新型電池中，隨著時(shí)間的推移具有更高的穩(wěn)定性。”

該研究還對(duì)電化學(xué)反應(yīng)過程中發(fā)生的大量體積變化始終是顆粒破裂的前兆這一概念產(chǎn)生了懷疑，這會(huì)導(dǎo)致電極失效導(dǎo)致電池劣化。

研究人員提出，不同離子與硫化鐵反應(yīng)方式不同的一個(gè)可能原因是鋰更容易將其反應(yīng)集中在顆粒的尖銳立方狀邊緣上，而與鈉和鉀的反應(yīng)更為分散。沿著硫化鐵顆粒的所有表面。結(jié)果，當(dāng)與鈉和鉀反應(yīng)時(shí)，硫化鐵顆粒形成具有圓形邊緣的更橢圓形狀。

雖然還有更多工作要做，但新的研究成果可以幫助科學(xué)家設(shè)計(jì)使用這些類型的新材料的電池系統(tǒng)。

“鋰電池現(xiàn)在仍然是最具吸引力的，因?yàn)樗鼈兙哂凶畲蟮哪芰棵芏?- 你可以在這個(gè)空間中儲(chǔ)存大量的能量，”麥克道爾說。“此時(shí)的鈉和鉀電池沒有更多的密度，但它們的基礎(chǔ)是地殼中的元素比鋰的數(shù)量多一千倍。所以它們?cè)谖磥砜赡軙?huì)便宜得多，這對(duì)大規(guī)模能源來說很重要家庭或未來能源網(wǎng)絡(luò)的儲(chǔ)存?zhèn)溆秒娫础?ldquo;