能源新方向：鉀電池是不實(shí)際的美夢，還是光明的未來？
時(shí)間:2020-04-07 16:21來源:鈦媒體APP 作者:學(xué)術(shù)頭條
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當(dāng)靠著燃燒不可再生能源的燃?xì)馔衅鹆伺畈l(fā)展的世界，能源危機(jī)對于我們來說也不再是一個(gè)陌生的詞匯，日漸緊迫的石油、煤礦石等資源加速了對新能源探索的進(jìn)程。
根據(jù)國際能源署(International Energy Agency)的數(shù)據(jù)，可再生能源在未來五年內(nèi)有望增長50%，其中大部分風(fēng)能和太陽能可以根據(jù)需要預(yù)先儲存起來。而近日，又一新能源的突破吹響了進(jìn)軍電池儲存能源的號角：鉀電池找到了自己的“新鎧甲”——KVPO4F。
這張圖顯示了一種被稱為KVPO4F的材料結(jié)構(gòu)，這種材料被用在一些鉀離子電池的電極上
常見的電池材料，如鋰和鈷，面對偌大的電動(dòng)車市場需求顯得有些應(yīng)接不暇。于是，一些電池研究人員開始把目光投向長期被忽視的鋰的近親——鉀。
鉀電池的發(fā)展空間
與其他電池材料相比，鉀含量豐富，價(jià)格低廉，并且理論上可以用來制造高功率電池。但事實(shí)上，在鋰電池和鈉電池的研究方面還有留有巨大的發(fā)展空間。
“但是鉀可能很快迎頭趕上，”Shinichi Komaba目前在東京大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)鉀離子電池研究，她談到，“盡管鉀電池發(fā)展剛剛進(jìn)行了五年時(shí)間,但我相信它已經(jīng)與鈉電池競爭，并預(yù)計(jì)將優(yōu)于鋰離子”。
實(shí)際上，在過去鉀電池研究備受冷落也是有原因的。
科學(xué)家們一直在盡量避免鉀電池的研究，因?yàn)檫@種金屬具有非常高的活性，能被空氣迅速氧化，遇水還能發(fā)生爆炸，并且處理起來很危險(xiǎn)。活潑的屬性使得找到容納鉀離子的電極材料，成為一項(xiàng)非常棘手的工作。
然而，在過去起步的5年時(shí)間里，一系列新發(fā)現(xiàn)與報(bào)告詳細(xì)列出了可以備選為鉀電池陰極的材料。其中，最值得關(guān)注的是一種鐵基化合物，其晶體結(jié)構(gòu)類似于普魯士藍(lán)（亞鐵氰化鐵）粒子，并且有廣闊的空間供鉀離子填充。
去年，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校 John Goodenough coinventor 等人因發(fā)明鋰離子電池?cái)孬@了2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。據(jù)他們的研究報(bào)告稱：普魯士藍(lán)制作的陰極具有非常高的能量密度，可達(dá)每公斤510瓦特時(shí), 甚至能與今天的鋰電池相媲美。
研究人員發(fā)現(xiàn)，KVPO4F既能接受鉀離子，又能提供鉀離子。作為陽極，它的可逆容量超過100mAh g1，平均電位為1.15V vs.K+/K。陽極還可以在0-55℃的大溫度范圍內(nèi)工作。
研究中鉀電池平均電位
雖然有著巨大的優(yōu)勢，普魯士藍(lán)卻并不是完美的。勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的材料科學(xué)家 Haegyeom Kim說：“問題在于，我們不知道材料中的水分含量如何影響能量密度。還有一個(gè)問題，就是我們很難控制它的化學(xué)成分。”
Kim 主要把研究方向確定在聚陰離子化合物上，其中，氟磷酸釩鉀似乎有與眾不同的優(yōu)勢和前景——Kim和他的同事已經(jīng)用這種材料開發(fā)出一種能量密度為450wh /kg的化合物陰極。
當(dāng)然，其他研究人員也在尋找陰極的有機(jī)化合物——有機(jī)化合物成本比無機(jī)化合物低，同時(shí)它們的化學(xué)鍵可以更容易地拉攏吸收鉀離子。
不實(shí)用的技術(shù)？
雖然Goodenough的研究表明了鉀電池發(fā)展的可能性，可他的同事，紐約賓厄姆頓大學(xué)的化學(xué)教授，同時(shí)也是鋰電池的發(fā)明者和諾貝爾獎(jiǎng)獲得者M(jìn).Stanley Whittingham并不買賬。“這只是一種科學(xué)上的好奇心，”他說，“鉀電池是不存在的。鉀不是一種實(shí)用的技術(shù)，由于它的重量和波動(dòng)性，鉀在低于鋰或鈉的溫度下熔化，這可能引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致熱逃逸的發(fā)生，后果很嚴(yán)重。”
對此，印第安納州西拉法葉普渡大學(xué)(Purdue University)的化學(xué)工程教授維拉斯波爾(Vilas Pol)說，“這些擔(dān)憂是合理的，”但他指出，“在電池材料中，是鉀離子在來回穿梭，而不是日常生活中的活性金屬鉀。同時(shí)，在電極上的特殊結(jié)合劑也可以抑制發(fā)熱反應(yīng)。”
東京科技大學(xué)的Komaba說，“開發(fā)合適的電解質(zhì)將是保證電池壽命和安全性的關(guān)鍵。”因?yàn)閭鹘y(tǒng)的電解質(zhì)都含有易燃溶劑，當(dāng)他們與鉀反應(yīng)性結(jié)合時(shí)，可能會(huì)發(fā)生意外。所以，選擇合適的添加劑作為鉀電池的電解質(zhì)，可以有效預(yù)防不必要的災(zāi)難。
今年 1 月，澳大利亞伍倫貢大學(xué)(University of Wollongong)的材料科學(xué)家郭在平和她的團(tuán)隊(duì)研究出一種用于鉀電池的不易燃電解質(zhì)。但相關(guān)研究人員指出這項(xiàng)技術(shù)仍處于初始階段，理論上它也永遠(yuǎn)不可能達(dá)到鋰的高能量密度，更不可能用來給電動(dòng)車等供電。
然而，對于大型的柵極電池來說，鉀相對低廉的價(jià)格讓它在新材料的競爭中擁有了獨(dú)特優(yōu)勢。
目前，大多數(shù)鉀電池的研究都集中在電極和電解質(zhì)的材料上。而歸根結(jié)底，鉀電池研究的目的，就是能找到適合的高能量密度的陰極材料，讓他們相互組合，獲得1+1>2的效果。
Pol也提到，如果真正把他們研發(fā)出的材料放在電池里，充電100 次左右能量密度就會(huì)下降；而實(shí)際的電池需要能夠承受幾百次的充電。找出電解質(zhì)、陰極和陽極的最佳組合需要相對長的時(shí)間——也許還有15年才能進(jìn)入市場。
參考資料：https://spectrum.ieee.org/energy/environment/its-still-early-but-potassium-batteries-are-showing-promise-for-grid-storage
(責(zé)任編輯：子蕊)
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