研究人员已经制造出了一种更高效、更可靠的钾氧电池，朝着为国家电网提供能源存储和为手机和笔记本电脑提供更持久电池的潜在解决方案迈出了一步。

在周五发表在该杂志上的一项研究中电池和超级电容，俄亥俄州立大学的研究人员围绕电池阴极的结构详细介绍了他们的发现，阴极存储金属-氧气或金属-空气电池中化学反应产生的能量。研究人员说，这一发现可以使太阳能和风能等可再生能源通过更便宜、更高效的能源存储成为电网更可行的选择。

该研究的合著者、俄亥俄州立大学机械和航空航天工程教授Vishnu-Baba Sundaresan说:“如果你想为电网选择全可再生能源，你需要经济的能源存储设备，可以存储多余的电力，并在没有电源准备好或工作时将电力输出。”“像这样的技术是关键，因为它便宜，不使用任何外来材料，而且可以在任何地方制造，并促进当地经济。”

可再生能源不排放二氧化碳，因此不会导致全球变暖，但它们只在阳光明媚或刮风时提供能源。为了使它们成为一个地区电网的可靠电力来源，需要有一种方法来储存从阳光和风能收集的多余能源。

世界各地的公司、科学家和政府都在研究储能解决方案，从锂离子电池(许多电动汽车的锂离子电池的更大版本)到用金属钒制成的大盒子大小的巨型电池。

钾氧电池自2013年发明以来，一直是一种潜在的储能替代品。由化学教授Yiying Wu领导的俄亥俄州立大学研究团队表明，这种电池比锂氧电池更高效，同时储存的能量是现有锂离子电池的两倍左右。但是钾氧电池还没有被广泛应用于能量储存，因为到目前为止，它们还没有足够的充电次数来达到成本效益。

当研究小组试图制造一种钾氧电池作为可行的储能解决方案时，他们不断遇到一个障碍:电池每次充电都会退化，续航时间永远不会超过5到10个充电周期——远远不足以使电池成为一种具有成本效益的储能解决方案。这种退化的发生是因为氧气进入了电池的阳极——允许电子为设备充电的地方，无论是手机还是电网。氧气导致阳极分解，使得电池本身无法再充电。

桑达瑞桑实验室的博士候选人保罗·吉尔摩(Paul Gilmore)开始在阴极中加入聚合物，看看他是否能够保护阳极免受氧气的侵害。他认为，如果他能找到一种方法做到这一点，就能让钾氧电池的寿命更长。事实证明他是对的:研究小组意识到聚合物的膨胀对其性能起着至关重要的作用。吉尔摩说，关键在于找到一种方法，在不让氧气渗入阳极的情况下，将氧气带入电池——这是电池工作所必需的。

这种设计有点像人的肺:空气通过纤维碳层进入电池，然后遇到多孔性稍弱的第二层，最后在几乎没有多孔性的第三层结束。第三层由导电聚合物组成，允许钾离子穿过阴极，但限制分子氧到达阳极。这种设计意味着电池至少可以充电125次，使钾氧电池的寿命比以前低成本电解质电池的寿命延长了12倍以上。

这一发现表明这是可能的，但该团队的测试还没有证明电池可以达到电网存储所需的规模，Sundaresan说。然而，它确实显示出了潜力。

吉尔摩说，钾氧电池也有可能在其他应用中发挥作用。

他说:“氧电池具有更高的能量密度，这意味着它们可以提高电动汽车的续航里程和便携式电子产品的电池寿命，尽管在钾氧电池应用于这些应用之前还必须克服其他挑战。”

这一发现为锂离子电池和其他依赖钴的电池提供了一种替代品，钴是一种被称为“电池中的血钻石”的材料。这种材料的开采非常麻烦，以至于包括特斯拉在内的大公司都宣布了从电池中完全去除这种材料的计划。

“用于大规模应用的电池不使用钴是非常重要的，”Sundaresan说。

同样重要的是，电池的制造成本很低。锂氧电池是一种可能的能量存储解决方案，被广泛认为是最可行的选择之一，但价格昂贵，许多电池依赖于稀缺资源，包括钴。为许多电动汽车提供动力的锂离子电池在材料层面上的成本约为每千瓦时100美元。

研究人员估计，这种钾氧电池的成本约为每千瓦时44美元。

“说到电池，一种尺寸不可能适用于所有情况，”桑达瑞桑说。“对于钾氧电池和锂氧电池来说，将它们用作电网备用电源的成本太高了。但现在我们已经证明了我们可以制造出如此便宜和稳定的电池，然后它就可以与其他技术竞争电网备用电源。

“如果你有一个便宜的小电池，那么你可以讨论扩大规模。如果你有一个1000美元的小电池，那么扩大规模是不可能的。这为扩大规模打开了大门。”

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