研究人員利用鉀空氣電池代替鋰空氣電池系統

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(huì )雜志（Journal of the American Chemical Society）上。實(shí)驗結果中顯示：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(guò)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電壓差僅為50毫伏

鋰空氣電池作為能量?jì)Υ嫦到y在現在和將來(lái)都將廣泛應用，特別是在電動(dòng)汽車(chē)方面，其發(fā)展和商業(yè)化技術(shù)仍然面臨著(zhù)一些阻礙，包括是在放電和充電循環(huán)中的大電壓差，會(huì )降低能量傳遞效率。

鋰氧氣電池在放電過(guò)程中，會(huì )形成超氧陰離子，形成的二氧化鋰會(huì )歧化成二氧化二鋰以及氧氣；在充電過(guò)程中二氧化二鋰直接發(fā)生氧化。該不對稱(chēng)反應造成的結果就是充電反應的過(guò)電壓值范圍在1-1.5伏之間，而放電過(guò)程中過(guò)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，在高充電電位（大于3.5伏）下電極與碳電極的不穩定性或將導致電池可充性下降。研究人員已經(jīng)嘗試了多種電極催化劑來(lái)縮小充放電反應中電壓差的值，然而是否能夠在電極上加入反應催化劑還有待商榷，因為碳電極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(wèn)題，與LiO2、NaO2相比，KO2具有更強的熱穩定性以及商業(yè)化可行性。研究人員采用電化學(xué)測量方法驗證氧化還原反應中陽(yáng)離子氧氣陽(yáng)離子的性能。他們發(fā)現電解液中氧氣含量、氧化反應電位差都減小，鉀原子的體積比鋰原子小得多，因此鉀-氧氣電池中的過(guò)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(dòng)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(gè)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(xiàn)包括兩個(gè)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(yáng)極方向掃描時(shí)，還原產(chǎn)物又會(huì )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(gè)還原和氧化過(guò)程的循環(huán)，故該法稱(chēng)為循環(huán)伏安法，其電流 —電壓曲線(xiàn)稱(chēng)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(chēng)性也較差）對鋰氧氣電池與鉀氧氣電池的充放電過(guò)程進(jìn)行研究，結果表明，在碳電極和電解質(zhì)相對穩定的情況下，氧化反應可在特定電動(dòng)勢范圍內完成。

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

在充電過(guò)程中，鉀氧氣電池的電壓低至2.5伏-2.52伏，過(guò)電壓電荷密度明顯小于鋰氧氣電池，此外，其非常小的過(guò)電壓差能夠實(shí)現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4伏，也只有一半的反應后產(chǎn)物能夠被氧化，其中醚類(lèi)電解液還會(huì )變得不穩定。鉀氧氣電池循環(huán)中過(guò)電位差為50毫伏，而鋰氧氣電池則達到1伏，經(jīng)換算，前者的能量轉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(zhù)類(lèi)似的性能，但是它們之間有個(gè)很大區別，那就是前者僅僅具有動(dòng)態(tài)穩定性，而后者則具有動(dòng)態(tài)穩定性及熱穩定性。