鋰電池發(fā)展遇“瓶頸” 鉀離子電池價值被低估？

　　為獲得最高的能量密度，位于元素周期表左上方的金屬鋰成為了當今二次電池的第一選擇，其極負的標準電極電位(-3.04V)意味著其與正極組成全電池后，電池具有高的電壓輸出;而鋰金屬是最輕的金屬，這又意味著具有較高的克比容量。能量=比容量×電壓，因此鋰相關電池技術(shù)能量密度在現(xiàn)行電池中幾乎是最高的。此外，鋰離子電池還擁有體積小的優(yōu)點。因此其在90年代的產(chǎn)業(yè)化后迅速推進了智能手機、相機、筆記本電腦和電動汽車等諸多領域的革命性發(fā)展。

　　然而，鋰電池發(fā)展到現(xiàn)在似乎遇到了一個“瓶頸期”，能量密度提升緩慢，成本下降并不迅速，而且在快充、適應溫度范圍、更大規(guī)模部署應用(電動汽車、儲能)以及資源豐度方面都已經(jīng)遇到了挑戰(zhàn)。因此人們一直在尋找一種新的二次電池技術(shù)彌補鋰電的不足，鈉以及電荷數(shù)大的鎂、鋅、鋁金屬子都是目前重要的研究方向。

　　然而，高價態(tài)鎂、鋅、鋁離子二次電池研究具有很高的難度，其高價態(tài)和比鋰還小的半徑使其與陰離子緊密吸附從而在晶體結(jié)構(gòu)中很難自由的嵌入和脫出，且其在電解液中強烈的溶劑化效應使其在嵌入離子通道過程中也很難去溶劑化，因此其發(fā)展非常緩慢。鈉元素儲量幾乎是鋰儲量的1000倍、性質(zhì)與鋰接近使其研發(fā)可以借鑒鋰離子電池的工藝和材料體系，在所有電池體系中最被寄予厚望，國內(nèi)外在工程中試開發(fā)方面已經(jīng)取得了一些進展，被很多人認為尤其在固定儲能領域可能提供有力的解決方案(能量密度略低于鋰電)。

　　鈉、鉀離子相對于鋰離子豐度更高

　　然而在鈉離子電池受到學術(shù)界廣泛關注的同時，堿金屬兄弟之一——鉀元素受到的關注卻要少的多。雖然同為第一主族元素性質(zhì)相似且鈉鉀具有相似的儲量，但在鈉鉀之間，前者似乎更有希望——畢竟鈉離子與鋰離子半徑上更為接近(鉀離子半徑和質(zhì)量都更大)，很多材料體系更有希望直接參考鋰離子電池的研發(fā)成果，如果低成本的鈉離子電池能夠產(chǎn)業(yè)化，那么具有相近儲量，但是在材料結(jié)構(gòu)相同的前提下能量密度會更低的鉀離子電池就變的幾乎沒有必要(但是實際上這個前提并不一定成立，后面會解釋)。但近期對于鈉離子和鉀離子電池的試驗結(jié)果顯示，鉀離子的這一劣勢有可能被其一些獨特優(yōu)勢得以彌補。

　　(1)氧化還原電位。同為第一主族元素，三者的電極電位并不符合我們一般的常識推斷，不是從上至下越來越負(即容易失去電子)。鋰-3.04V;鈉-2.71V;鉀-2.93V。因為電池的電壓等于正負極的電勢差，因此由負極電位不那么“負”的鈉材料構(gòu)成的鈉離子電池往往電壓偏低，而鋰和鉀的電位更相似，因此鉀離子電池有望與鋰離子電池一樣，在高電壓這一方面確立優(yōu)勢。