能源新方向:钾电池是不实际的美梦,还是光明的未来?

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· 4月6日

又一新能源的突破吹响了进军电池储存能源的号角:钾电池找到了自己的“新铠甲”—— KVPO4F。

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能源新方向:钾电池是不实际的美梦,还是光明的未来?

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图片来源@视觉中国

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文丨学术头条

当靠着燃烧不可再生能源的燃气托起了蓬勃发展的世界,能源危机对于我们来说也不再是一个陌生的词汇,日渐紧迫的石油、煤矿石等资源加速了对新能源探索的进程。

根据国际能源署(International Energy Agency)的数据,可再生能源在未来五年内有望增长 50%,其中大部分风能和太阳能可以根据需要预先储存起来。而近日,又一新能源的突破吹响了进军电池储存能源的号角:钾电池找到了自己的“新铠甲”—— KVPO4F。

这张图显示了一种被称为 KVPO4F 的材料结构,这种材料被用在一些钾离子电池的电极上

常见的电池材料,如锂和钴,面对偌大的电动车市场需求显得有些应接不暇。于是,一些电池研究人员开始把目光投向长期被忽视的锂的近亲——钾。

钾电池的发展空间

与其他电池材料相比,钾含量丰富,价格低廉,并且理论上可以用来制造高功率电池。但事实上,在锂电池和钠电池的研究方面还有留有巨大的发展空间。

“但是钾可能很快迎头赶上,” Shinichi Komaba 目前在东京大学领导钾离子电池研究,她谈到,“尽管钾电池发展刚刚进行了五年时间,但我相信它已经与钠电池竞争,并预计将优于锂离子”。

实际上,在过去钾电池研究备受冷落也是有原因的。

科学家们一直在尽量避免钾电池的研究,因为这种金属具有非常高的活性,能被空气迅速氧化,遇水还能发生爆炸,并且处理起来很危险。活泼的属性使得找到容纳钾离子的电极材料,成为一项非常棘手的工作。

然而,在过去起步的 5 年时间里,一系列新发现与报告详细列出了可以备选为钾电池阴极的材料。其中,最值得关注的是一种铁基化合物,其晶体结构类似于普鲁士蓝(亚铁氰化铁)粒子,并且有广阔的空间供钾离子填充。

去年,德克萨斯大学奥斯汀分校 John Goodenough coinventor 等人因发明锂离子电池斩获了 2019 年诺贝尔化学奖。据他们的研究报告称:普鲁士蓝制作的阴极具有非常高的能量密度,可达每公斤 510 瓦特时, 甚至能与今天的锂电池相媲美。

研究人员发现,KVPO4F 既能接受钾离子,又能提供钾离子。作为阳极,它的可逆容量超过 100 mA h g−1,平均电位为 1.15 V vs. K+/K。阳极还可以在 0-55℃ 的大温度范围内工作。
研究中钾电池平均电位

研究中钾电池平均电位

虽然有着巨大的优势,普鲁士蓝却并不是完美的。劳伦斯伯克利国家实验室的材料科学家 Haegyeom Kim 说:“问题在于,我们不知道材料中的水分含量如何影响能量密度。还有一个问题,就是我们很难控制它的化学成分。”

Kim 主要把研究方向确定在聚阴离子化合物上,其中,氟磷酸钒钾似乎有与众不同的优势和前景——Kim 和他的同事已经用这种材料开发出一种能量密度为 450wh /kg 的化合物阴极。

当然,其他研究人员也在寻找阴极的有机化合物——有机化合物成本比无机化合物低,同时它们的化学键可以更容易地拉拢吸收钾离子。

不实用的技术?

虽然 Goodenough 的研究表明了钾电池发展的可能性,可他的同事,纽约宾厄姆顿大学的化学教授,同时也是锂电池的发明者和诺贝尔奖获得者 M.Stanley Whittingham 并不买账。“这只是一种科学上的好奇心,”他说,“钾电池是不存在的。钾不是一种实用的技术,由于它的重量和波动性,钾在低于锂或钠的温度下熔化,这可能引发化学反应,导致热逃逸的发生,后果很严重。”

对此,印第安纳州西拉法叶普渡大学(Purdue University)的化学工程教授维拉斯波尔(Vilas Pol)说,“这些担忧是合理的,”但他指出,“在电池材料中,是钾离子在来回穿梭,而不是日常生活中的活性金属钾。同时,在电极上的特殊结合剂也可以抑制发热反应。”

东京科技大学的 Komaba 说,“开发合适的电解质将是保证电池寿命和安全性的关键。”因为传统的电解质都含有易燃溶剂,当他们与钾反应性结合时,可能会发生意外。所以,选择合适的添加剂作为钾电池的电解质,可以有效预防不必要的灾难。

今年 1 月,澳大利亚伍伦贡大学(University of Wollongong)的材料科学家郭在平和她的团队研究出一种用于钾电池的不易燃电解质。但相关研究人员指出这项技术仍处于初始阶段,理论上它也永远不可能达到锂的高能量密度,更不可能用来给电动车等供电。

然而,对于大型的栅极电池来说,钾相对低廉的价格让它在新材料的竞争中拥有了独特优势。

目前,大多数钾电池的研究都集中在电极和电解质的材料上。而归根结底,钾电池研究的目的,就是能找到适合的高能量密度的阴极材料,让他们相互组合,获得 1+1>2 的效果。

Pol 也提到,如果真正把他们研发出的材料放在电池里,充电 100 次左右能量密度就会下降;而实际的电池需要能够承受几百次的充电。找出电解质、阴极和阳极的最佳组合需要相对长的时间——也许还有 15 年才能进入市场。

参考资料:
https://spectrum.ieee.org/energy/environment/its-still-early-but-potassium-batteries-are-showing-promise-for-grid-storage

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