大規(guī)模儲能的重要“候選者”：潛在的鋰競爭對手

澳大利亞臥龍崗大學(xué)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)表示，基于鉀的電池技術(shù)可能是儲存可再生能源的關(guān)鍵。目前鋰離子電池由于其高能量密度而被廣泛使用，但是，由于鋰是相對稀有的元素，因此采礦成本使得它們昂貴。

作為一種替代方案，鉀是地球上最豐富的元素之一，可以成為大規(guī)模儲能的基礎(chǔ)，“ 科學(xué)進(jìn)展 ”雜志的一篇評論文章的作者之一的Zaiping Guo說。

“鉀是可充電的，具有巨大的潛力，理論上與鋰相比，性能更便宜，”她說。

2017年全球鋰電池市場價(jià)值 250億美元，受到需要低重量儲能技術(shù)的推動(dòng)，如電動(dòng)汽車和電子設(shè)備。

鉀電池不太可能達(dá)到相同的能量密度，因?yàn)樗潜蠕嚫氐脑?。然而，它可能成為固定的大?guī)模儲存方法，與間歇性可再生能源相結(jié)合。

為了一個(gè)更可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)，我們需要儲能設(shè)備，”郭說

與其他存儲選項(xiàng)相比，例如超級電容器或燃料電池，電池是最成熟和最容易應(yīng)用的。”

即便如此，她估計(jì)需要10到20年才能使鉀基技術(shù)成熟到足以縮小鋰的差距。

制造高效鉀電池的主要障礙之一是大鉀離子通過固體電極的緩慢移動(dòng)。

其次，當(dāng)離子在電反應(yīng)期間進(jìn)入電極時(shí)，它們的尺寸使電極膨脹，然后當(dāng)電池完成充電并開始放電時(shí)發(fā)生逆反應(yīng)時(shí)再次收縮。

開發(fā)一種可以在如此重復(fù)的尺寸變化中存活的電極材料是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，但該團(tuán)隊(duì)指出納米技術(shù)可以提供答案。

類似于葡萄串的納米粒子簇可以承受反復(fù)的尺寸變化。具有高表面積的納米結(jié)構(gòu)還可以消除鉀離子深入電極的需要：各種研究人員已經(jīng)研究了具有大表面積的結(jié)構(gòu)。

該結(jié)構(gòu)具有諸如納米管，納米纖維甚至納米糖的名稱。

為了使情況復(fù)雜化，鉀很容易受到其他不太受歡迎的反應(yīng)，納米材料實(shí)際上可以促進(jìn)反應(yīng)。然而，仔細(xì)選擇用于電極的材料可以幫助控制這些不需要的過程，例如通過向碳混合物中添加氟，氧，硼或硫的原子。

不需要的反應(yīng)也是電解質(zhì)中的問題 - 導(dǎo)電溶液允許鉀離子在兩個(gè)電極之間流動(dòng)。例如，鉀可以沉積到稱為枝晶的復(fù)雜樹狀晶體中，這可能導(dǎo)致電池內(nèi)的短路。

郭指出，溶劑的選擇和添加劑的使用可以解決這些反應(yīng)。但這是一種平衡，因?yàn)樽钣行У娜軇┦怯袡C(jī)溶劑，因此易燃。隨著鉀電池變熱的趨勢，這是一個(gè)需要考慮的安全問題。

作者說，強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)建模的出現(xiàn)將有助于解決這些問題。雖然存在許多障礙，但他們的結(jié)論是鉀電池技術(shù)“正在成為大規(guī)模儲能的重要候選者”。