钾离子电池毕业论文

从手机到太阳能再到电动汽车，人们越来越依赖电池。对安全、高效和强大的能量存储的需求不断上升，导致人们越来越多地要求替代长期主导该领域的可充电锂离子电池技术。美国伦斯勒理工学院的研究人员在《美国国家科学院学报》上宣布该报告讨论他们如何克服树突这长时间挑战,开发了一个功能类似于锂离子电池但依赖钾(一种物质资本日益丰富和更便宜的元素)的金属电池。电池由两个电极组成一端是正极，另一端是负极(在电池中称为正极和负极，在电池中称为正极和负极)。假如你观察锂离子电池内部，你通常会发现锂钴氧化物制成的正极和石墨制成的负极。在充放电过程中，锂离子在两个电极之间来回流动。在这种情况下，假如研究人员想要简单地用锂钴氧化物取代钾钴氧化物，电池的功能就会降低。钾是一种较大较重的元素，所以它的能量密度较低。相反，伦斯勒的团队希望通过用金属钾代替石墨阳极来改善钾的功能。就功能而言，这种电池可能是传统锂离子电池的竞争对手。尼克希尔卡拉特卡尔(NikhilKoratkar)教授是伦斯勒学院(rensselaer)一位很有天赋的教授，专门研究机械、特种航天和核工程，他是这篇论文的重要作者。尽管金属电池显示出了巨大的潜力，但传统阳极上金属沉积物(树突)的出现却给它们带来了麻烦。枝晶是由金属钾在充放电过程中不均匀沉积而形成的。卡拉特卡尔教授说，随着时间的推移，金属钾的卷须变得越来越长，几乎就像树枝相同。假如晶体长得太长，它们最终会刺穿隔膜，阻碍电极之间的接触，使电池短路。电池中的短路会出现热量，并有点燃设备中的有机电解质的风险。在这篇文章中，Koratkar教授和他的团队，包括rensselaer的博士生PrateekHundekar，以及马里兰大学的研究人员，包括化学和生物分子工程学教授王春生，解释了他们是如何解决树突问题的，为商业应用铺平了道路。通过较高的充放电速率运行电池，可以很好地控制电池内部温度的升高，并可以很好地完成负极中枝晶的自校正行为。Koratkar教授将这种自我修正的过程比作一场风暴后的除雪。风和阳光把雪片从堆里移走，缩小了堆的大小，最终把它完全压扁。同样的道理，电池内部的温度升高不会熔化金属，但它确实有助于激活金属表面钾原子的分散，钾原子从它们积累的金属钾水平移动，以帮助抚平树突。通过这种方法，我们的想法是在夜间或不使用电池的时候使用电池处理系统，利用系统供应的局部热量完成树突的自校正。Koratkar教授说。Koratkar教授和他的团队还证明了锂金属电池也能以同样的方式自我校正，但是他们发现钾金属电池要更少的热量来做到这一点。Koratkar教授表示，这一重要发现表明，金属钾电池比锂金属电池更加有效、更安全、更加有用。我希望看到一个从传统锂离子电池到金属电池的范式转变。Koratkar教授说:金属电池是制造电池最有用的方法，但目前还不是因为树突问题。我认为，用钾金属制造金属电池是很有前途的

钾离子也是锂离子电池的主要化学替代品。与类似的锂离子电池相比，具有某些优势：电池设计简单，材料和制造程序都更便宜。与锂相比，钾的主要优势在于其丰富且成本低。相比锂资源的相对有限性和世界储量分布严重不均衡而言，钾资源像钠资源一样，在地球上的储量要丰富得多。钾在地壳中的含量为，海水中的含量居第六位。钾盐矿床可划分为沉积型、盐湖型和地下卤水型3个类型。全球钾盐资源极为丰富，但分布很不均衡。迄今为止，全球已发现的世界级钾盐盆地和超大型钾盐矿床主要分布在北美、欧洲、南美和亚洲等地。PIB的工作原理与LIB系统类似，是一个“摇椅模型”，基于K离子插入阴极和阳极材料。PIB的电解液传导电极化学反应的离子，并使电子通过外部电路传输而产生电流。PIB电池基于电极上的几个可逆电化学反应运行。以可逆插层反应为例，含钾层状金属氧化物KMO2（其中M为Mn、Co或Ni）阴极和石墨阳极的充放电过程为：在放电过程中，K+离子首先从KMO2的层状结构中脱嵌，而层间氧的斥力增加，从而增强了层间距，并进一步导致石墨阳极从KMO2到K1-xMO2的多级相变，来自钾盐的K+离子在放电过程中插层到石墨层中以形成石墨插层化合物（GIC）。最大和最稳定的化学计量GIC是KC8，在充电过程中，形成固体电解质界面（SEI），为阳极提供保护，并确保多次循环后的容量稳定。