Команда исследователей из Политехнического института Ренсселера сообщили о том, что нашли решение проблемы, с которой сталкивается использование калий металлических батарей. Возможно, что в будущем доминированию литий-ионных аккумуляторов в бытовой электронике, альтернативной энергетике и электромобилях будет положен конец. Спрос на эффективные и энергоемкие аккумуляторные батареи продолжает быстро расти. Поэтому ученые ищут новые варианты электрохимических систем. К тому же, запасы лития ограничены и скоро его не хватит для удовлетворения потребностей в аккумуляторах.
Что касается роли металлических аккумуляторов, то в них известной проблемой является образование дендритов. Специалисты Ренсселера считают, что нашли решение для преодоления этой проблемы. Калий является более распространенным элементом и стоит меньше лития.
В литий-ионных аккумуляторах катод состоит из оксида лития-кобальта, а анод графитовый. В процессе заряда-разряда ионы лития курсируют между ними. Просто заменить катод на оксид калия-кобальта нельзя, поскольку сильно уменьшится энергоёмкость батареи. Поэтому исследователи пошли другим путем. Они заменили анод из графита на калиевый. В результате у них получилась система, которая по энергоёмкости вполне сопоставима с литий-ионными аккумуляторами.
Аккумуляторные батареи с металлическим калиевым анодом весьма перспективны, но имеют один серьезный недостаток. Он заключается в образовании отложений, называемых дендритами. Их образование происходит из-за того, что металлический калий осаждается неравномерно. В результате повторяющихся циклов заряда и разряда образуются длинные разветвленные конгломераты металлического калия. Если процесс сильно запущен, то дендриты повреждают мембранный сепаратор, который изолирует электроды друг от друга. В результате происходит короткое замыкание, а это может привести к воспламенению органического электролита.
Исследователи говорят, что при высокой скорости заряда и разряда можно держать температуру внутри аккумуляторного элемента под контролем и активировать процесс самовосстановления дендритов на аноде.
Исследователи говорят, что нужно поддерживать температуру на таком уровне, достаточном для протекания поверхностной диффузии. Этот процесс приводит к тому, что отдельные атомы металлического калия движутся в разные стороны из кучи дендритов. В результате происходит сглаживание и уменьшение конгломерации. При этом температура должна быть такой, чтобы металлический калий не плавился. Они описывают идею этого подхода в том, чтобы проводить такое управление с помощью локального разогрева в те моменты, когда аккумулятор не используется. Например, ночью, когда портативное устройство пользователю не нужно.
В процессе экспериментов по самовосстановлению они использовали батареи с литиевым и калиевым анодом. Для калиевых аккумуляторов потребовалось значительно меньше тепловой энергии, чтобы провести процесс самовосстановления. На этом основании они делают выводы, что калий-металлическая система более практична, эффективна и безопасна.
