以钠和钾为基础的电池对于廉价的储能具有承诺

从一次充电行驶数百英里的电动汽车到像电动汽车一样强大的链锯，每年都有新产品投放市场，充分利用电池技术的最新进展。

但是，这种增长导致人们担忧，全球锂电的供应，即许多新型可充电电池核心的金属，最终可能会被耗尽。

现在佐治亚理工学院的研究人员发现了新的证据，表明基于钠和钾的电池有望成为锂基电池的潜在替代品。

“对于钠离子和钾离子电池来说，最大的障碍之一就是他们倾向于更快地衰变和退化，并且比替代品的能量更少，”乔治W.伍德拉夫机械工程学院助理教授马修麦克道尔说道，材料科学与工程学院。

“但我们发现并非总是如此，”他补充道。

该研究于6月19日发表在Joule杂志上，由美国国家科学基金会和美国能源部资助，研究小组研究了三种不同的离子-锂，钠和钾如何与铁颗粒反应硫化物，也叫黄铁矿和傻瓜黄金。

随着电池充电和放电，离子不断与组成电池电极的颗粒发生反应并穿透颗粒。该反应过程引起电极颗粒的大的体积变化，常常将它们分解成小块。由于钠和钾离子比锂大，因此传统上认为它们在与颗粒反应时引起更显着的降解。

在他们的实验中，在电子显微镜内直接观察到发生在电池内部的反应，硫化铁颗粒扮演电池电极的角色。研究人员发现，与钠和钾反应时硫化铁比锂更稳定，表明这种基于钠或钾的电池寿命可能比预期长得多。

不同离子之间反应的差异是明显的。当暴露于锂时，在电子显微镜下硫化铁颗粒几乎爆炸。相反，当暴露于钠和钾时，硫化铁像气球一样膨胀。

乔治亚理工学院的研究生MattheeBoebinger说：“我们看到了一个非常强大的反应，没有出现裂缝-这表明这种材料和其他材料可以用于这些新型电池，并且随着时间的推移具有更高的稳定性。

该研究还对电化学反应过程中发生的大的体积变化始终是粒子破裂的前兆这一观点产生怀疑，这会导致电极失效导致电池退化。

研究人员认为，不同离子如何与硫化铁发生反应的一个可能原因是，锂更可能将其反应沿着颗粒尖锐的立方体状边缘集中，而与钠和钾的反应更为分散沿着硫化铁颗粒的全部表面。结果，当与钠和钾反应时，硫化铁颗粒形成了具有圆形边缘的更加椭圆形的形状。

虽然还有更多的工作要做，但新的研究成果可以帮助科学家设计使用这些新型材料的电池系统。

“锂电池现在仍然是最吸引人的，因为它们的能量密度最高-你可以在这个空间中充满能量，”McDowell说。“钠电池和钾电池在这一点上没有更多的密度，但它们是基于地球上比锂锂电池丰富1000倍的元素。因此，他们未来可能会便宜得多，这对于大规模储能-为家庭或未来的电网提供备用电源非常重要。“