從手機(jī)到太陽(yáng)能，再到電動(dòng)汽車(chē)，人類(lèi)越來(lái)越依賴(lài)電池。隨著對(duì)安全、高效和強(qiáng)勁能量存儲(chǔ)的需求不斷增長(zhǎng)，可充電鋰離子電池已成為該領(lǐng)域的主要技術(shù)，近年來(lái)，對(duì)于可充電鋰離子電池替代品的呼聲也越來(lái)越高。

近日，在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》發(fā)表的一篇研究報(bào)告中，倫斯勒理工學(xué)院的研究人員證明了他們?nèi)绾慰朔麨椤皹?shù)突”的持久性挑戰(zhàn)，從而制造出性能與鋰離子電池差不多的鉀金屬電池，該金屬電池主要依賴(lài)于鉀元素。

電池包含兩個(gè)電極，陰極與陽(yáng)極。如果要查看鋰離子電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通常會(huì)發(fā)現(xiàn)由鈷酸鋰制成的陰極和由石墨制成的陽(yáng)極。在充電和放電期間，鋰離子在這兩個(gè)電極之間來(lái)回流動(dòng)。

在這種情況下，如果研究人員僅用鈷酸鉀代替鈷酸鋰，則電池的性能就會(huì)下降。鉀是一種較大且較重的元素，因此能量密度較低。相反，研究團(tuán)隊(duì)希望同時(shí)通過(guò)用金屬鉀代替石墨陽(yáng)極，以此來(lái)提高電池的性能。倫斯勒理工學(xué)院機(jī)械、航空航天和核工程專(zhuān)業(yè)的教授Nikhil Koratkar說(shuō)：“就性能而言，鉀金屬電池可以與傳統(tǒng)的鋰離子電池媲美。”

盡管鉀金屬電池顯示出了巨大的應(yīng)用前景，但它們也受到陽(yáng)極上金屬沉積物（稱(chēng)為樹(shù)枝狀晶體）堆積的困擾。當(dāng)電池經(jīng)歷重復(fù)的充電和放電循環(huán)時(shí)，由于鉀金屬的不均勻沉積而形成枝晶。Koratkar解釋說(shuō)：“隨著時(shí)間的流逝，金屬鉀的團(tuán)聚體變長(zhǎng)且?guī)缀醭史种睢！比绻麍F(tuán)聚體過(guò)長(zhǎng)，最終將刺穿絕緣膜隔板，以防止電極相互接觸并使電池短路。電池短路時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，并有可能使設(shè)備中的有機(jī)電解質(zhì)著火。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)以相對(duì)較高的充電和放電速率操作電池，使電池能夠以可控的方式升高其內(nèi)部的溫度，并促使樹(shù)枝狀晶體自陽(yáng)極自愈。Koratkar將電池的自我修復(fù)過(guò)程比作暴風(fēng)雨結(jié)束后的積雪，風(fēng)和陽(yáng)光有助于縮小雪片的大小并最終使積雪平整。以類(lèi)似的方式，雖然電池內(nèi)的溫度升高不會(huì)熔化鉀金屬，但它確實(shí)有助于激活表面擴(kuò)散，因此鉀原子橫向移離它們形成的“堆”，從而有效地消除了枝晶。

Koratkar說(shuō)：“采用這種方法的想法是，每當(dāng)在夜間或不使用電池時(shí)，使用者將擁有一個(gè)電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)將利用局部熱量，使得樹(shù)枝狀晶體自愈?！蓖瑫r(shí)，研究人員還發(fā)現(xiàn)鉀金屬電池或許可以用更少的熱量來(lái)完成自愈過(guò)程。這一令人鼓舞的發(fā)現(xiàn)意味著，鉀金屬電池可能會(huì)更加高效、安全和實(shí)用。