科学家对钾-空气电池的充放电研究取得新突破

近日，俄亥俄州立大学研究人员演示了在超低电压环境下钾-空气电池的充放电情况，并将研究论文发表于美国化学学会杂志(Journal of the American Chemical Society)上。实验结果中显示：钾空气电池在以0.16毫安/平方厘米的电流密度下，其充电/放电过程中的电压差小于50毫伏，这是目前已记载的记录中最低的值。

钾-空气电池充放电反应电压差仅为50毫伏

锂空气电池作为能量储存系统在现在和将来都将广泛应用，特别是在电动汽车方面，其发展和商业化技术仍然面临着一些阻碍，包括是在放电和充电循环中的大电压差，会降低能量传递效率。

锂氧气电池在放电过程中，会形成超氧阴离子，形成的二氧化锂会歧化成二氧化二锂以及氧气;在充电过程中二氧化二锂直接发生氧化。该不对称反应造成的结果就是充电反应的过电压值范围在1-1.5伏之间，而放电过程中过电压值为0.3伏，因此其能源效率仅在60%左右。

最近，研究人员还发现，在高充电电位(大于3.5伏)下电极与碳电极的不稳定性或将导致电池可充性下降。研究人员已经尝试了多种电极催化剂来缩小充放电反应中电压差的值，然而是否能够在电极上加入反应催化剂还有待商榷，因为碳电极遇到催化剂可能被阻塞。

因此，需要利用全新的化合物解决锂氧气电池的问题，与LiO2、NaO2相比，KO2具有更强的热稳定性以及商业化可行性。研究人员采用电化学测量方法验证氧化还原反应中阳离子氧气阳离子的性能。他们发现电解液中氧气含量、氧化反应电位差都减小，钾原子的体积比锂原子小得多，因此钾-氧气电池中的过电位差要比锂氧气电池中更小，从而提升了电池的能源传递效率。

研究人员手动组装了一块钾-氧气电池，组件包括钾金属箔,玻璃纤维分离器和一个多孔碳电极，采用1,2-二甲氧基乙烷或二甘醇二甲醚作为电解液。作为实验对比对象，研究者同样组装了一块锂-氧气电池。

在利用循环伏安法(以等腰三角形的脉冲电压加在工作电极上，得到的电流电压曲线包括两个分支，如果前半部分电位向阴极方向扫描，电活性物质在电极上还原，产生还原波，那么后半部分电位向阳极方向扫描时，还原产物又会重新在电极上氧化，产生氧化波。因此一次三角波扫描，完成一个还原和氧化过程的循环，故该法称为循环伏安法，其电流 —电压曲线称为循环伏安图。如果电活性物质可逆性差，则氧化波与还原波的高度就不同，对称性也较差)对锂氧气电池与钾氧气电池的充放电过程进行研究，结果表明，在碳电极和电解质相对稳定的情况下，氧化反应可在特定电动势范围内完成。

由于KO2的导电性较好(室温环境下大于10S/cm2)，因此放电过电压也更小。

在充电过程中，钾氧气电池的电压低至2.5伏-2.52伏，过电压电荷密度明显小于锂氧气电池，此外，其非常小的过电压差能够实现90%放电后产物被氧化。而在锂氧气电池中，即使充电电压高达4伏，也只有一半的反应后产物能够被氧化，其中醚类电解液还会变得不稳定。钾氧气电池循环中过电位差为50毫伏，而锂氧气电池则达到1伏，经换算，前者的能量转换效率要比后者高出95%。

另外，研究者指出，钠氧气电池虽然与钾氧气电池有着类似的性能，但是它们之间有个很大区别，那就是前者仅仅具有动态稳定性，而后者则具有动态稳定性及热稳定性。