（文章來源：中國數字科技館）

從手機到太陽能到電動車，人們越來越依賴于電池。隨著對安全、高效和強大的儲能不斷增大的需求，人們對有望替代可充電鋰離子電池技術的呼聲也日漸增長，可充電鋰離子電池技術長期主導了該技術領域。

美國倫斯勒理工學院的研究人員在《國家科學院院刊》上發(fā)表的研究報告中闡述了他們是如何克服枝晶這一長期挑戰(zhàn)，開發(fā)了一種性能接近于鋰離子電池但依賴于鉀元素（一種原料更加豐富且成本不那么貴的元素）的金屬電池。電池包含兩個電極——一端是正極，另一端是負極（電池里稱為正負極，電解池里面稱為陰陽極）。如果你觀察鋰離子電池的內部結構，通常會發(fā)現(xiàn)用鋰鈷氧化物制成的正極以及由石墨制成的負極。在充放電的過程中，鋰離子在這兩個電極之間來回流動。

在這種情況下，如果研究者們想要簡單地將氧化鈷鉀替換成鈷酸鋰，電池的性能就會下降。鉀元素是一種體積更大且更重的元素，因此，它的能量密度較小。作為替代，倫斯勒研究團隊想用鉀金屬替換石墨負極來提高鉀的性能。

“就性能而言，這種電池很可能成為傳統(tǒng)鋰離子電池的競爭對手。”Nikhil Koratkar教授說，這位教授是在倫斯勒學院精通機械、航空與航天以及核工程領域的天才教授，同時他也是這篇文章的第一作者。雖然金屬電池顯示出巨大的前景，但也受到傳統(tǒng)陽極上金屬表面沉積（枝晶）的困擾。枝晶是由于電池在充放電的循環(huán)過程中金屬鉀的不均勻沉積所造成的。Koratkar教授說，隨著時間的推移，金屬鉀枝蔓晶體變得越來越長，幾乎呈樹枝狀生長。

如果晶體長得太長了，它們最終會刺穿隔膜分離器，阻礙電極相互接觸從而使電池短路。電池短路時會發(fā)熱并伴有將設備中的有機電解液點燃的危險。

在這篇文章中，Koratkar教授和他的團隊（團隊成員包括倫斯勒的一位博士生學生Prateek Hundekar，馬里蘭大學的研究者們，其中包括化學和生物分子工程教授Chunsheng Wang）解釋了他們如何解決枝晶問題，為之后實現(xiàn)商用鋪平了道路。通過在相對較高的充放電速率下運行電池，他們可以很好地控制電池內部上升的溫度并有效地實現(xiàn)枝晶在負極的自修復行為。

Koratkar教授將這種自修復過程比作風暴后的“除雪工作”。風和陽光將雪花從雪堆上移走，縮減雪堆的尺寸最終將雪堆完全移平。

同樣的道理，電池內部溫度的升高不會熔化金屬鉀，但能確實有助于激活金屬鉀表面的鉀原子擴散，鉀原子橫向地從它們所堆積而成的“金屬鉀”上移動，能有效平滑枝晶。“通過這個方法，我們的想法是在晚上或者是任何你不再使用電池的時候，使用一個電池管理系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)所提供的局部熱量實現(xiàn)枝晶自修復。”Koratkar教授說。

Koratkar教授和他的團隊還事先證明了金屬鋰電池也可以通過使用相同的方法實現(xiàn)自修復，但他們發(fā)現(xiàn)金屬鉀電池實現(xiàn)自修復過程所需要的熱量更少。Koratkar教授說，這個重要的發(fā)現(xiàn)說明金屬鉀電池相比于金屬鋰電池更高效、安全和實用。“我希望看到從傳統(tǒng)鋰離子電池到金屬電池的模式轉變。”Koratkar教授說，“金屬電池是構建電池最有效的方法，但由于枝晶問題目前還不可行。使用金屬鉀來制備金屬電池，我認為是很有希望的。”
（責任編輯：fqj）