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能源新方向:鉀電池是不實(shí)際的美夢(mèng),還是光明的未來(lái)?

時(shí)間:2020-04-07 16:21來(lái)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(duì)于我們來(lái)說(shuō)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(duì)新能源探索的進(jìn)程。
 
       根據(jù)國(guó)際能源署(International Energy Agency)的數(shù)據(jù),可再生能源在未來(lái)五年內(nèi)有望增長(zhǎng)50%,其中大部分風(fēng)能和太陽(yáng)能可以根據(jù)需要預(yù)先儲(chǔ)存起來(lái)。而近日,又一新能源的突破吹響了進(jìn)軍電池儲(chǔ)存能源的號(hào)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(jiàn)的電池材料,如鋰和鈷,面對(duì)偌大的電動(dòng)車市場(chǎng)需求顯得有些應(yīng)接不暇。于是,一些電池研究人員開(kāi)始把目光投向長(zhǎng)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(lái)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(jìng)爭(zhēng),并預(yù)計(jì)將優(yōu)于鋰離子”。
 
       實(shí)際上,在過(guò)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(lái)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(guò)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(yáng)極,它的可逆容量超過(guò)100mAh g1,平均電位為1.15V vs.K+/K。陽(yáng)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(shì),普魯士藍(lán)卻并不是完美的。勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的材料科學(xué)家 Haegyeom Kim說(shuō):“問(wèn)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(wèn)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(shì)和前景——Kim和他的同事已經(jīng)用這種材料開(kāi)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(wú)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(shuō),“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(duì)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(shuō),“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(lái)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(shuō),“開(kāi)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(lái)給電動(dòng)車等供電。
 
       然而,對(duì)于大型的柵極電池來(lái)說(shuō),鉀相對(duì)低廉的價(jià)格讓它在新材料的競(jìng)爭(zhēng)中擁有了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
 
       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(yáng)極的最佳組合需要相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間——也許還有15年才能進(jìn)入市場(chǎng)。
 
   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)
文章標(biāo)簽: 新能源 鉀電池
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