研制合适的电解液是保证电池寿命和安全性的关键

国际能源署称，可再生能源规模将在今后5年扩大50%。其中，大部分风能和太阳能需要储存。但不断增长的电动汽车市场可能不会留下足够的锂和钴用于制造锂离子电网储能电池。一些电池研究人员正在重新审视锂长期被忽视的表亲——钾在电网存储方面的应用。钾储量丰富，价格低廉，理论上可以制造大容量电池。但是这方面的研究工作一直落后于锂和钠电池。不过，钾电池可以很快赶上来，在东京理科大学负责钾离子电池研究的驹场信一（Shinichi Komaba）教授说：“虽然钾电池的开发仅进行了5年，但我相信它已经可以与钠离子电池一争高下，并预计可以与锂电池相媲美，甚至超过它。”历史上，人们一直在回避钾，因为这种金属非常活跃和危险，不易操控。另外，很难找到能够容纳钾离子的电极材料。然而，过去5年里，一系列报告详细介绍了有望成功的阴极备选材料。其中领先的是铁基化合物，其晶体结构类似于普鲁士蓝粒子，具有广阔的空间填充钾离子。锂离子电池共同发明者、2019年诺贝尔化学奖获得者约翰•古迪纳夫带领的得州大学奥斯汀分校团队报告，普鲁士蓝阴极具有高达510瓦时/千克的能量密度，可与今天的锂电池相媲美。但普鲁士蓝并不完美。“问题是我们不清楚材料中的含水量对能量密度的影响。”劳伦斯伯克利国家实验室的材料科学家哈吉奥姆•金（Haegyeom Kim）说，“另一个问题是，很难控制它的化学成分。”哈吉奥姆•金教授寄希望于聚阴离子化合物，这种化合物由在元素周期表中任意挑出的几种元素与钾结合而成。氟磷酸钒钾似乎有很大希望。哈吉奥姆•金和他的同事利用这种化合物研制出的阴极，能量密度达到450瓦时/千克。其他研究人员还在研究用有机化合物制作阴极，其成本低于无机化合物，而且其化学键可以拉伸，更容易接受钾离子。虽然古迪纳夫教授认为钾有希望，但与他共同发明锂电池、同获诺贝尔奖的纽约州立大学宾汉姆顿分校化学系教授M.斯坦利•惠廷汉姆（M. Stanley Whittingham）并不认同。“这只是科学好奇心。”他说，“没有一家初创企业在研究钾电池。”惠廷汉姆教授表示，钾并不是一项实用技术，因为钾既重又活泼。而且钾的熔点比锂和钠低，很容易引起反应，造成热失控。印第安纳州普渡大学西拉法叶分校的化学工程系教授维拉斯•波尔（Vilas Pol）表示，这些担心是合理的。但他指出，在电池中来回穿梭的是钾离子，并非活跃的钾金属。电极上特殊的粘合剂可以控制放热反应。东京理科大学的驹场信一教授表示，研制合适的电解液是保证电池寿命和安全性的关键。

一般的电解液含有易燃溶剂，与钾活性反应结合时会很危险。选择合适的溶剂、钾盐、盐浓度和添加剂可防止起火。驹场信一的团队利用氟化钾盐、含有更少溶剂的超浓缩电解液，以及不使用溶剂的离子液体电解质制作电解液。2020年1月，材料科学家郭再萍和她在澳大利亚伍伦贡大学的团队报告了一种适用于钾电池的不易燃电解液。他们向溶剂添加了一种阻燃剂。钾电池的热衷者指出，这项技术还处于初级阶段。它不会达到锂电池的高能量密度，也不适合电动汽车。但对于巨大的电网电池来说，低成本低廉的钾也许会占上风。“钾离子（电池）本可以更早应用，但之前根本不需要（它们），”波尔教授说，“锂现在不够了。”最终，整体要与各个部分一样好。现在的大部分研究集中在电极和电解液材料上。把它们放在一个电池芯中，大约充电100次，能量密度就会下降；而实际上电池需要承受几百次充电。“需要一些时间来解决电解液、阴极和阳极的精准组合问题。”波尔教授说，“钾电池可能还需要15年才能进入市场。”

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