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)表于美國化學學會雜志（Journal of the American Chemical Society）上。實驗結果中顯示：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儲存系統(tǒng)在現(xiàn)在和將來都將廣泛應用，特別是在電動汽車方面，其發(fā)展和商業(yè)化技術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。該不對稱反應造成的結果就是充電反應的過電壓值范圍在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題，與LiO2、NaO2相比，KO2具有更強的熱穩(wěn)定性以及商業(yè)化可行性。研究人員采用電化學測量方法驗證氧化還原反應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行研究，結果表明，在碳電極和電解質(zhì)相對穩(wěn)定的情況下，氧化反應可在特定電動勢范圍內(nèi)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實現(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4伏，也只有一半的反應后產(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。