基于鈉和鉀的電池可能是未來智能電網的關鍵

從一次充電行駛數百英里的電動汽車到像汽油動力版一樣強大的電鋸，每年都有新產品上市，充分利用了電池技術的最新進展。

但這種增長導致人們擔心，世界上許多新型可充電電池核心的鋰供應最終可能會耗盡。

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

“對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機械工程學院助理教授Matthew McDowell表示。材料科學與工程學院。

“但我們發(fā)現并非總是如此，”他補充道。

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

當電池充電和放電時，離子不斷地與構成電池電極的顆粒反應并穿透它們。該反應過程導致電極顆粒的大量體積變化，通常將它們分解成小塊。因為鈉和鉀離子比鋰大，所以傳統(tǒng)上認為它們在與顆粒反應時會引起更顯著的降解。

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

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

佐治亞理工學院的研究生Matthew Boebinger說：“我們看到了一種非常強烈的反應，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，隨著時間的推移具有更高的穩(wěn)定性。”

該研究還對電化學反應過程中發(fā)生的大量體積變化始終是顆粒破裂的前兆這一概念產生了懷疑，這會導致電極失效導致電池劣化。

研究人員提出，不同離子與硫化鐵反應方式不同的一個可能原因是鋰更容易將其反應集中在顆粒的尖銳立方狀邊緣上，而與鈉和鉀的反應更為分散。沿著硫化鐵顆粒的所有表面。結果，當與鈉和鉀反應時，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家設計使用這些類型的新材料的電池系統(tǒng)。

“鋰電池現在仍然是最具吸引力的，因為它們具有最大的能量密度 - 你可以在這個空間中儲存大量的能量，”麥克道爾說。“此時的鈉和鉀電池沒有更多的密度，但它們的基礎是地殼中的元素比鋰的數量多一千倍。所以它們在未來可能會便宜得多，這對大規(guī)模能源來說很重要家庭或未來能源網絡的儲存?zhèn)溆秒娫础?ldquo;