從一次充電行駛數百英里的電動汽車到像電動汽車一樣強大的鏈鋸，每年都有新產品投放市場，充分利用電池技術的最新進展。

但是，這種增長導致人們擔憂，全球鋰電的供應，即許多新型可充電電池核心的金屬，最終可能會被耗盡。

現在佐治亞理工學院的研究人員發現了新的證據，表明基于鈉和鉀的電池有望成為鋰基電池的潛在替代品。

“對于鈉離子和鉀離子電池來說，最大的障礙之一就是他們傾向于更快地衰變和退化，并且比替代品的能量更少，”喬治W.伍德拉夫機械工程學院助理教授馬修麥克道爾說道，材料科學與工程學院。

“但我們發現并非總是如此，”他補充道。

該研究于6月19日發表在Joule雜志上，由美國國家科學基金會和美國能源部資助，研究小組研究了三種不同的離子-鋰，鈉和鉀如何與鐵顆粒反應硫化物，也叫黃鐵礦和傻瓜黃金。

隨著電池充電和放電，離子不斷與組成電池電極的顆粒發生反應并穿透顆粒。該反應過程引起電極顆粒的大的體積變化，常常將它們分解成小塊。由于鈉和鉀離子比鋰大，因此傳統上認為它們在與顆粒反應時引起更顯著的降解。

在他們的實驗中，在電子顯微鏡內直接觀察到發生在電池內部的反應，硫化鐵顆粒扮演電池電極的角色。研究人員發現，與鈉和鉀反應時硫化鐵比鋰更穩定，表明這種基于鈉或鉀的電池壽命可能比預期長得多。

不同離子之間反應的差異是明顯的。當暴露于鋰時，在電子顯微鏡下硫化鐵顆粒幾乎爆炸。相反，當暴露于鈉和鉀時，硫化鐵像氣球一樣膨脹。

喬治亞理工學院的研究生MattheeBoebinger說：“我們看到了一個非常強大的反應，沒有出現裂縫-這表明這種材料和其他材料可以用于這些新型電池，并且隨著時間的推移具有更高的穩定性。

該研究還對電化學反應過程中發生的大的體積變化始終是粒子破裂的前兆這一觀點產生懷疑，這會導致電極失效導致電池退化。

研究人員認為，不同離子如何與硫化鐵發生反應的一個可能原因是，鋰更可能將其反應沿著顆粒尖銳的立方體狀邊緣集中，而與鈉和鉀的反應更為分散沿著硫化鐵顆粒的全部表面。結果，當與鈉和鉀反應時，硫化鐵顆粒形成了具有圓形邊緣的更加橢圓形的形狀。

雖然還有更多的工作要做，但新的研究成果可以幫助科學家設計使用這些新型材料的電池系統。

“鋰電池現在仍然是最吸引人的，因為它們的能量密度最高-你可以在這個空間中充滿能量，”McDowell說。“鈉電池和鉀電池在這一點上沒有更多的密度，但它們是基于地球上比鋰鋰電池豐富1000倍的元素。因此，他們未來可能會便宜得多，這對于大規模儲能-為家庭或未來的電網提供備用電源非常重要。“