钾驱动可充电电池:致力于实现更可持续发展的环境

2020-02-06 16:01:19

最近,对锂和其他材料稀缺的担忧使现在无处不在的锂离子电池受到驱使,许多研究人员开始寻找钠和钾等替代品。

日本东京理科大学的Shinichi Komaba教授及其团队在此主题上工作了十多年。在他最新的评论文章中,他广泛讨论了他对钾离子电池的最新进展,前景和局限性的发现。

没有可充电电池,我们的现代生活方式将大为不同。由于其低成本,可回收的技术,这些电池被用于大多数便携式电子设备,电动和混合动力车辆以及可再生能源发电系统。为什么不呢?

它们为全球不断增长的能源需求提供了一种优雅的解决方案。此外,可充电电池是收集风和阳光等可再生能源的系统中的必不可少的工具,因为这些资源会随天气变化很大。可充电电池使我们可以存储所产生的电能,并根据需要进行分配。因此,毫不奇怪,全球研究人员一直致力于改进可充电电池,以此作为开发可持续能源的一步。

自商业化以来,锂离子电池(LIB)因其出色的性能而成为可充电电池。但是,随着需求的激增,再加上地壳中锂和钴(LIB的另一个必要元素)的有限供应,使用LIB可能很快就会成为一个主要问题。

这就是为什么东京科学大学的一组科学家由小林伸一(Shinichi Komaba)教授决定走较少的路的原因:他们专注于用钠和钾等更好的替代品替代可消耗元素锂。钠和钾在元素周期表中属于相同的碱金属基团,因此它们的化学性质非常相似。但是,与锂不同,这些元素在地球上广泛存在,使用它们开发高性能可充电电池将是创建更可持续发展的社会的突破。

2014年,Komaba教授与获得2019年诺贝尔化学奖的M. Stanley Whittingham教授一起分析了钠离子电池的发展现状,并发表 了他的评估报告作为评论。这项研究被广泛引用,仅在过去5年中就被引用了2000多次。

然后,Komaba教授及其团队探索了锂离子电池,钾离子电池(KIB)的其他可行替代品,自2015年以来,在某些开创性研究(例如,《自然材料》 于2012年 发表的一项研究) 之后,钾离子电池已逐渐成为广泛研究的重点,其中由Komaba小组负责。在电池中使用钾是有希望的,因为它们显示出与LIB相当的性能(甚至更好)。

而且,构建KIB所需的材料全部无毒,并且比LIB所需的材料丰富得多。Komaba教授指出:“通过研究用于锂,钠,钾离子电池的新材料,我们希望开发一种节能环保的技术。”

为了促进对KIBs的进一步研究,Komaba教授领导的研究小组在《化学评论》上发表的全面评论中 对KIBs的工作进行了详尽的分析 。他们的论文涵盖了与KIBs发展相关的一切,从阴极和阳极材料,各种电解质和全固态KIB到电极掺杂和电解质添加剂。

此外,该评论比较了锂离子,钠离子和钾离子电池中使用的不同材料。作为唯一一项全面分析可充电电池多个方面的研究,它可能证明对正确的方向引领当前和未来的研究人员非常有用。对于那些有兴趣研究此研究主题的人来说,拥有大量有关KIB的过去研究并将所有获得的见解浓缩到一篇文章中,具有极大的价值。

KIB的不断发展将有望使这种令人垂涎的LIB替代品的使用增加。“最近的大量研究表明,由于成本,成本效益,高电压和大功率运行等独特特性,KIB被认为是有前途的下一代电池候选产品。KIBs性能的进一步提高将为其实际应用铺平道路。” Komaba教授解释说。

但是,对KIB某些方面(例如其安全性)的研究是有限的,应将重点放在对不同组件和元素之间的物理和化学作用方面有更多了解。

Komaba教授对此抱有希望,并总结说:“对KIB的研究,包括电极材料,非水/固体电解质和添加剂,将为电极反应和固体离子提供新的见解,从而开辟了新的策略,可以他的研究小组还专注于超级电容器和生物燃料电池以及锂离子电池和钠离子电池,它们在未来的可持续发展社会中都将发挥非常重要的作用。

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