基于钠和钾的电池可能是未来智能电网的关键

从一次充电行驶数百英里的电动汽车到像汽油动力版一样强大的电锯，每年都有新产品上市，充分利用了电池技术的最新进展。

但这种增长导致人们担心，世界上许多新型可充电电池核心的锂供应最终可能会耗尽。

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电池的潜在替代品。

“对于钠离子电池和钾离子电池来说，最大的障碍之一就是它们倾向于衰变和降解速度更快，能量比替代品更少，”George W. Woodruff机械工程学院助理教授Matthew McDowell表示。材料科学与工程学院。

“但我们发现并非总是如此，”他补充道。

在这项研究中，这是出版6月19日在该杂志焦耳，并得到了美国国家科学基金会和美国能源署资助，研究小组研究了如何三种不同的离子，锂，钠和钾的反应与颗粒的铁硫化物，也称为黄铁矿和傻瓜的黄金。

当电池充电和放电时，离子不断地与构成电池电极的颗粒反应并穿透它们。该反应过程导致电极颗粒的大量体积变化，通常将它们分解成小块。因为钠和钾离子比锂大，所以传统上认为它们在与颗粒反应时会引起更显着的降解。

在他们的实验中，在电子显微镜内直接观察到电池内发生的反应，其中硫化铁颗粒起电池电极的作用。研究人员发现硫化铁在与钠和钾的反应过程中比锂更稳定，这表明这种基于钠或钾的电池寿命比预期的要长得多。

不同离子如何反应的差异在视觉上是明显的。当暴露于锂时，硫化铁颗粒在电子显微镜下几乎爆炸。相反，当暴露于钠和钾时，硫化铁像气球一样膨胀。

佐治亚理工学院的研究生Matthew Boebinger说：“我们看到了一种非常强烈的反应，没有断裂 - 这表明这种材料和其他材料可以用在这些新型电池中，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量体积变化始终是颗粒破裂的前兆这一概念产生了怀疑，这会导致电极失效导致电池劣化。

研究人员提出，不同离子与硫化铁反应方式不同的一个可能原因是锂更容易将其反应集中在颗粒的尖锐立方状边缘上，而与钠和钾的反应更为分散。沿着硫化铁颗粒的所有表面。结果，当与钠和钾反应时，硫化铁颗粒形成具有圆形边缘的更椭圆形状。

虽然还有更多工作要做，但新的研究成果可以帮助科学家设计使用这些类型的新材料的电池系统。

“锂电池现在仍然是最具吸引力的，因为它们具有最大的能量密度 - 你可以在这个空间中储存大量的能量，”麦克道尔说。“此时的钠和钾电池没有更多的密度，但它们的基础是地壳中的元素比锂的数量多一千倍。所以它们在未来可能会便宜得多，这对大规模能源来说很重要家庭或未来能源网络的储存备用电源。“