新的證據(jù)表明，基于鈉和鉀的電池有望成為鋰基電池的潛在替代品。

電池技術(shù)的增長(zhǎng)引發(fā)人們擔(dān)憂，全球鋰電的供應(yīng)，即許多新型可充電電池核心的金屬，最終可能會(huì)被耗盡。

“鈉離子和鉀離子電池最大的障礙之一就是它們傾向于更快地衰減和降解，并且比替代品的能量更少，”喬治W.伍德拉夫機(jī)械工程學(xué)院助理教授馬修麥克道爾說(shuō)道，佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院。

“但我們發(fā)現(xiàn)情況并非總是如此，”他補(bǔ)充道。

該研究報(bào)告出現(xiàn)在Joule雜志上，研究小組研究了三種不同的離子-鋰，鈉和鉀-與硫化鐵顆粒的反應(yīng)，也稱為黃鐵礦和傻瓜金。

隨著電池充電和放電，離子不斷與組成電池電極的顆粒發(fā)生反應(yīng)并穿透顆粒。該反應(yīng)過(guò)程引起電極顆粒的大的體積變化，常常將它們分解成小塊。由于鈉和鉀離子比鋰大，因此傳統(tǒng)上認(rèn)為它們?cè)谂c顆粒反應(yīng)時(shí)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)直接觀察到發(fā)生在電池內(nèi)部的反應(yīng)，硫化鐵顆粒扮演電池電極的角色。研究人員發(fā)現(xiàn)，與鈉和鉀反應(yīng)時(shí)硫化鐵比鋰更穩(wěn)定，表明這種基于鈉或鉀的電池壽命可能比預(yù)期長(zhǎng)得多。

不同離子之間反應(yīng)的差異是明顯的。當(dāng)暴露于鋰時(shí)，在電子顯微鏡下硫化鐵顆粒幾乎爆炸。相反，當(dāng)暴露于鈉和鉀時(shí)，硫化鐵像氣球一樣膨脹。

研究生MatthewBoebinger說(shuō)：“我們看到了非常強(qiáng)大的反應(yīng)，沒(méi)有出現(xiàn)裂縫，這表明這種材料和其他材料可以用于這些新型電池，并且隨著時(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(guò)程中發(fā)生的大的體積變化始終是粒子破裂的前兆這一觀點(diǎn)產(chǎn)生懷疑，這會(huì)導(dǎo)致電極失效導(dǎo)致電池退化。

研究人員認(rèn)為，不同離子如何與硫化鐵發(fā)生反應(yīng)的一個(gè)可能原因是，鋰更可能將其反應(yīng)沿著顆粒尖銳的立方體狀邊緣集中，而與鈉和鉀的反應(yīng)更為分散沿著硫化鐵顆粒的全部表面。

結(jié)果，當(dāng)與鈉和鉀反應(yīng)時(shí)，硫化鐵顆粒形成了具有圓形邊緣的更加橢圓形的形狀。

雖然還有更多的工作要做，但新的研究成果可以幫助科學(xué)家設(shè)計(jì)使用這些新型材料的電池系統(tǒng)。

“鋰電池現(xiàn)在仍然是最具吸引力的，因?yàn)樗鼈兊哪芰棵芏茸罡?你可以在這個(gè)空間中充滿大量能量，”McDowell說(shuō)。

“鈉電池和鉀電池在這一點(diǎn)上沒(méi)有更多的密度，但它們是基于地球上比鋰鋰電池豐富1000倍的元素。所以他們未來(lái)可能會(huì)便宜得多，這對(duì)于家庭或未來(lái)能源電網(wǎng)的大規(guī)模儲(chǔ)能備用電源非常重要。“

美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)能源部資助了這項(xiàng)研究。本材料中所表達(dá)的任何意見(jiàn)，調(diào)查結(jié)果和結(jié)論或建議均為作者的觀點(diǎn)，并不一定反映提案國(guó)的觀點(diǎn)。