PNAS：金属钾电池中枝晶的原位自修复

北2北

2020-03-04

金属钾负极的使用能够大幅提高储能器件的能量密度并降低生产成本。然而，金属钾表面不可避免地会有枝晶生长，这严重制约了其实际应用。有鉴于此，伦斯勒理工学院的Nikhil Koratkar等发现金属钾电池中的钾枝晶能够发生原位自修复。

本文要点

1) 研究人员发现钾金属电池中的钾枝晶与金属锂枝晶类似能够对电流诱导的热效应做出响应。这种自放热驱动的枝晶修复效应或者说平滑效应在钾枝晶中表现得比金属锂电池中的锂枝晶更加明显。研究人员在实验中通过控制电流密度或者说充放电倍率来控制电池内部的焦耳热。由于钾枝晶的自修复更容易发生因此引发自修复的电流密度要比锂枝晶低一个数量级（1.5mA/cm²与15mA/cm²）。如此小的电流密度说明再循环中只需要温度的轻微升高就可以实现枝晶自修复，因而能够避免高温下电解液的失效和隔膜的收缩。因此，这种热量驱动的自修复不仅高效可靠而且安全性能更好。

2) 为了揭示该自修复的内在机制，研究人员利用密度泛函理论计算了通过跃迁和交换扩散这两种不同的表面离子传输机制的活化能。结果表明金属钾表面的原子扩散能垒（0.1eV）要比金属锂表面低（0.15eV）。因此根据阿伦尼乌斯公式可以计算出在50℃下钾枝晶顶端的原子扩散的速率常数大约是同等温度条件下锂枝晶的5倍。这就解释了为什么钾枝晶的自修复行为相比锂枝晶更容易发生。

3) 研究人员进一步将金属钾负极与P2型K_0.6CoO₂正极匹配为全电池对这种自修复效应的应用潜力进行了评估。研究人员特意对全电池在经过低电流密度（0.5mA/cm²）循环后和电流突增（2mA/cm²）循环后的负极表面形貌进行了检测。在低电流密度下工作的钾负极表面十分粗糙并可见有明显的枝晶状物质；而电流突增后由于焦耳热诱导的表面扩散自修复效应使得金属钾表面十分光滑平整。

Parteek Hundekar et al, In situ healing of dendrites in a potassium metal battery, PNAS, 2020

DOI: 10.1073/pnas.1915470117

https://www.pnas.org/content/early/2020/02/26/1915470117.short?rss=1