研究人員利用鉀空氣電池代替鋰空氣電池系統(tǒng)

俄亥俄州立大學(xué)研究人員近日演示了在超低電壓環(huán)境下鉀-空氣電池的充放電情況，并將研究論文發(fā)表于美國化學(xué)學(xué)會雜志（Journal of the American Chemical Society）上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中顯示：鉀空氣電池在以0.16毫安/平方厘米的電流密度下，其充電/放電過程中的電壓差小于50毫伏，這是目前已記載的記錄中最低的值。

鉀-空氣電池充放電反應(yīng)電壓差僅為50毫伏

鋰空氣電池作為能量儲存系統(tǒng)在現(xiàn)在和將來都將廣泛應(yīng)用，特別是在電動汽車方面，其發(fā)展和商業(yè)化技術(shù)仍然面臨著一些阻礙，包括是在放電和充電循環(huán)中的大電壓差，會降低能量傳遞效率。

鋰氧氣電池在放電過程中，會形成超氧陰離子，形成的二氧化鋰會歧化成二氧化二鋰以及氧氣；在充電過程中二氧化二鋰直接發(fā)生氧化。該不對稱反應(yīng)造成的結(jié)果就是充電反應(yīng)的過電壓值范圍在1-1.5伏之間，而放電過程中過電壓值為0.3伏，因此其能源效率僅在60%左右。

最近，研究人員還發(fā)現(xiàn)，在高充電電位（大于3.5伏）下電極與碳電極的不穩(wěn)定性或?qū)?dǎo)致電池可充性下降。研究人員已經(jīng)嘗試了多種電極催化劑來縮小充放電反應(yīng)中電壓差的值，然而是否能夠在電極上加入反應(yīng)催化劑還有待商榷，因?yàn)樘茧姌O遇到催化劑可能被阻塞。

因此，需要利用全新的化合物解決鋰氧氣電池的問題，與LiO2、NaO2相比，KO2具有更強(qiáng)的熱穩(wěn)定性以及商業(yè)化可行性。研究人員采用電化學(xué)測量方法驗(yàn)證氧化還原反應(yīng)中陽離子氧氣陽離子的性能。他們發(fā)現(xiàn)電解液中氧氣含量、氧化反應(yīng)電位差都減小，鉀原子的體積比鋰原子小得多，因此鉀-氧氣電池中的過電位差要比鋰氧氣電池中更小，從而提升了電池的能源傳遞效率。

研究人員手動組裝了一塊鉀-氧氣電池，組件包括鉀金屬箔,玻璃纖維分離器和一個多孔碳電極，采用1,2-二甲氧基乙烷或二甘醇二甲醚作為電解液。作為實(shí)驗(yàn)對比對象，研究者同樣組裝了一塊鋰-氧氣電池。

在利用循環(huán)伏安法（以等腰三角形的脈沖電壓加在工作電極上，得到的電流電壓曲線包括兩個分支，如果前半部分電位向陰極方向掃描，電活性物質(zhì)在電極上還原，產(chǎn)生還原波，那么后半部分電位向陽極方向掃描時，還原產(chǎn)物又會重新在電極上氧化，產(chǎn)生氧化波。因此一次三角波掃描，完成一個還原和氧化過程的循環(huán)，故該法稱為循環(huán)伏安法，其電流 —電壓曲線稱為循環(huán)伏安圖。如果電活性物質(zhì)可逆性差，則氧化波與還原波的高度就不同，對稱性也較差）對鋰氧氣電池與鉀氧氣電池的充放電過程進(jìn)行研究，結(jié)果表明，在碳電極和電解質(zhì)相對穩(wěn)定的情況下，氧化反應(yīng)可在特定電動勢范圍內(nèi)完成。

由于KO2的導(dǎo)電性較好（室溫環(huán)境下大于10S/cm2），因此放電過電壓也更小。

在充電過程中，鉀氧氣電池的電壓低至2.5伏-2.52伏，過電壓電荷密度明顯小于鋰氧氣電池，此外，其非常小的過電壓差能夠?qū)崿F(xiàn)90%放電后產(chǎn)物被氧化。而在鋰氧氣電池中，即使充電電壓高達(dá)4伏，也只有一半的反應(yīng)后產(chǎn)物能夠被氧化，其中醚類電解液還會變得不穩(wěn)定。鉀氧氣電池循環(huán)中過電位差為50毫伏，而鋰氧氣電池則達(dá)到1伏，經(jīng)換算，前者的能量轉(zhuǎn)換效率要比后者高出95%。

另外，研究者指出，鈉氧氣電池雖然與鉀氧氣電池有著類似的性能，但是它們之間有個很大區(qū)別，那就是前者僅僅具有動態(tài)穩(wěn)定性，而后者則具有動態(tài)穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性。