佐治亚理工学院: 钠基电池和钾基电池有望替代传统的锂电池。

图片显示：佐治亚理工学院的研究生Matthew Boebinger和机械工程学院与材料科学与工程学院的助理教授Matthew McDowell使用电子显微镜观察电池在模拟环境下的化学反应。

从单次充电就能行驶数百英里的电动汽车到与汽油驱动的锯一样强大的电锯，随着电池技术的进步，每年都有许多新产品上市。

但这种新产品的增长引起了人们的担忧——这可能会导致金属锂(世界上许多新型可充电电池的核心)的供应出现枯竭。

现在，佐治亚理工学院的研究人员有了一项新的科研发现，表明钠基电池和钾基电池有望替代传统的锂电池。

佐治亚理工学院机械工程学院与材料科学与工程学院的助理教授Matthew McDowell表示：“钠离子电池和钾离子电池面临的最大障碍之一是：它们倾向于更快地衰变和退化，而且它们的能量比锂离子电池更少。但是，我们发现情况并非总是如此。”

这项研究于6月19日发表在《Joule》杂志上，这项研究是由美国国家科学基金会和美国能源部赞助的。研究小组研究了三种不同的离子——锂离子、钠离子和钾离子与硫化铁粒子（也被称为黄铁矿）的反应。

当电池充放电时，离子不断地与构成电池电极的微粒发生反应并穿透它们。这种反应过程会导致电极微粒体积的剧烈变化，通常会把它们分解成小块。因为钠和钾离子尺寸比锂离子大，传统上认为它们在与粒子反应时会引起更明显的分解。

在他们的实验中，通过电子显微镜直接观察电池内部的反应，硫化铁粒子起着电池电极的作用。研究人员发现，与锂相比，钠和钾与硫化铁在反应过程中更加稳定，这表明基于钠或钾的电池寿命可能比预期寿命长得多。

不同的离子反应方式之间的差异是显而易见的。在电子显微镜下，硫化铁粒子接触到锂时，几乎会发生体积爆炸。相反，硫化铁在钠和钾的作用下会像气球一样膨胀。

佐治亚理工学院的研究生Matthew Boebinger说：“我们看到了一种非常稳定的反应，没有发生断裂。这表明，这种材料和其他类似的材料，随着时间的推移，可以在这些新型电池中更稳定地使用。”

该研究还对电化学反应中发生的大量体积变化始终是颗粒断裂（这种断裂会导致电极失效，进而导致电池的退化）的前兆这一观点提出了质疑。

如图所示：佐治亚理工学院的一名研究生Matthew Boebinger，正在观察钠和硫化铁之间化学反应的影像。

研究人员认为，不同离子与硫化铁反应方式存在差异的一个可能原因是，锂更可能将其反应沿着颗粒尖锐的方向（如立方体状边缘）集中；而与钠和钾的反应则更为分散，沿着硫化铁颗粒的全部表面扩散。结果，当硫化铁颗粒与钠和钾反应时，硫化铁颗粒形成了具有圆形边缘的更加椭圆形的形状。

尽管还有许多的工作要做，但是这一新的研究发现可以帮助科学家设计这些使用新型材料的电池系统。

McDowell说：“锂电池现在仍然是最具吸引力的，因为它们的能量密度最大，你可以在一定的空间里储存很多能量。目前，钠和钾电池的能量密度并不高，但它们是地壳中比锂元素丰富一千倍的元素。所以它们在未来可能会便宜得多，这对于大规模的储能——家庭或未来的电网的备用电源来说是很重要的。”

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