能源新方向：鉀電池是不實際的美夢，還是光明的未來？
時間:2020-04-07 16:21來源:鈦媒體APP 作者:學術頭條
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當靠著燃燒不可再生能源的燃氣托起了蓬勃發展的世界，能源危機對于我們來說也不再是一個陌生的詞匯，日漸緊迫的石油、煤礦石等資源加速了對新能源探索的進程。
根據國際能源署(International Energy Agency)的數據，可再生能源在未來五年內有望增長50%，其中大部分風能和太陽能可以根據需要預先儲存起來。而近日，又一新能源的突破吹響了進軍電池儲存能源的號角：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的材料結構，這種材料被用在一些鉀離子電池的電極上
常見的電池材料，如鋰和鈷，面對偌大的電動車市場需求顯得有些應接不暇。于是，一些電池研究人員開始把目光投向長期被忽視的鋰的近親——鉀。
鉀電池的發展空間
與其他電池材料相比，鉀含量豐富，價格低廉，并且理論上可以用來制造高功率電池。但事實上，在鋰電池和鈉電池的研究方面還有留有巨大的發展空間。
“但是鉀可能很快迎頭趕上，”Shinichi Komaba目前在東京大學領導鉀離子電池研究，她談到，“盡管鉀電池發展剛剛進行了五年時間,但我相信它已經與鈉電池競爭，并預計將優于鋰離子”。
實際上，在過去鉀電池研究備受冷落也是有原因的。
科學家們一直在盡量避免鉀電池的研究，因為這種金屬具有非常高的活性，能被空氣迅速氧化，遇水還能發生爆炸，并且處理起來很危險。活潑的屬性使得找到容納鉀離子的電極材料，成為一項非常棘手的工作。
然而，在過去起步的5年時間里，一系列新發現與報告詳細列出了可以備選為鉀電池陰極的材料。其中，最值得關注的是一種鐵基化合物，其晶體結構類似于普魯士藍（亞鐵氰化鐵）粒子，并且有廣闊的空間供鉀離子填充。
去年，德克薩斯大學奧斯汀分校 John Goodenough coinventor 等人因發明鋰離子電池斬獲了2019年諾貝爾化學獎。據他們的研究報告稱：普魯士藍制作的陰極具有非常高的能量密度，可達每公斤510瓦特時, 甚至能與今天的鋰電池相媲美。
研究人員發現，KVPO4F既能接受鉀離子，又能提供鉀離子。作為陽極，它的可逆容量超過100mAh g1，平均電位為1.15V vs.K+/K。陽極還可以在0-55℃的大溫度范圍內工作。
研究中鉀電池平均電位
雖然有著巨大的優勢，普魯士藍卻并不是完美的。勞倫斯伯克利國家實驗室的材料科學家 Haegyeom Kim說：“問題在于，我們不知道材料中的水分含量如何影響能量密度。還有一個問題，就是我們很難控制它的化學成分。”
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勢和前景——Kim和他的同事已經用這種材料開發出一種能量密度為450wh /kg的化合物陰極。
當然，其他研究人員也在尋找陰極的有機化合物——有機化合物成本比無機化合物低，同時它們的化學鍵可以更容易地拉攏吸收鉀離子。
不實用的技術？
雖然Goodenough的研究表明了鉀電池發展的可能性，可他的同事，紐約賓厄姆頓大學的化學教授，同時也是鋰電池的發明者和諾貝爾獎獲得者M.Stanley Whittingham并不買賬。“這只是一種科學上的好奇心，”他說，“鉀電池是不存在的。鉀不是一種實用的技術，由于它的重量和波動性，鉀在低于鋰或鈉的溫度下熔化，這可能引發化學反應，導致熱逃逸的發生，后果很嚴重。”
對此，印第安納州西拉法葉普渡大學(Purdue University)的化學工程教授維拉斯波爾(Vilas Pol)說，“這些擔憂是合理的，”但他指出，“在電池材料中，是鉀離子在來回穿梭，而不是日常生活中的活性金屬鉀。同時，在電極上的特殊結合劑也可以抑制發熱反應。”
東京科技大學的Komaba說，“開發合適的電解質將是保證電池壽命和安全性的關鍵。”因為傳統的電解質都含有易燃溶劑，當他們與鉀反應性結合時，可能會發生意外。所以，選擇合適的添加劑作為鉀電池的電解質，可以有效預防不必要的災難。
今年 1 月，澳大利亞伍倫貢大學(University of Wollongong)的材料科學家郭在平和她的團隊研究出一種用于鉀電池的不易燃電解質。但相關研究人員指出這項技術仍處于初始階段，理論上它也永遠不可能達到鋰的高能量密度，更不可能用來給電動車等供電。
然而，對于大型的柵極電池來說，鉀相對低廉的價格讓它在新材料的競爭中擁有了獨特優勢。
目前，大多數鉀電池的研究都集中在電極和電解質的材料上。而歸根結底，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出的材料放在電池里，充電100 次左右能量密度就會下降；而實際的電池需要能夠承受幾百次的充電。找出電解質、陰極和陽極的最佳組合需要相對長的時間——也許還有15年才能進入市場。
參考資料：https://spectrum.ieee.org/energy/environment/its-still-early-but-potassium-batteries-are-showing-promise-for-grid-storage
(責任編輯：子蕊)
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