カリウム金属電池 (PMB) は、カリウムが豊富に含まれており、同様の化学的特性を備えているため、リチウムイオン電池に代わる費用対効果の高い代替品として注目を集めています。しかし、制御されていないデンドライトの成長や界面の不安定性などの問題は、PMB の性能と安全性を損ない、アノード界面を安定させてデンドライトの形成を防ぐための新しいソリューションを必要とする大きな課題となっています。

ノースイースタン大学の研究者とその共同研究者出版されたジャーナルに掲載された彼らの発見電子サイエンス。彼らの研究「反応性プリウェッティング化学を使用したデンドライトフリーの金属カリウムアノードの実現」では、表面上に KF/Zn リッチのハイブリッド界面層を構築する新しいアプローチが紹介されています。カリウム金属。

この界面はイオンと電子の輸送ダイナミクスを強化し、その結果、アノード電気化学的性能が向上し、2,000 時間のサイクルを超える安定性が向上しました。

研究チームは、電池の安定性と効率を高める反応性プリウェッティング技術を使用して、カリウム金属アノード上に KF/Zn ハイブリッド界面層を開発しました。フッ化カリウム (KF) は、デンドライトの成長を抑制する堅牢な電子トンネル障壁として機能し、亜鉛 (Zn) ナノ結晶はデンドライトの成長を抑制します。電気伝導率そしてイオン輸送。この二層界面はアノードを安定させ、長期的なバッテリー性能に不可欠なシームレスなイオンと電子の流れを促進します。

この研究では、KF/Zn@K アノードを備えたバッテリーが、最小限の電圧変動で 2,000 時間以上の安定したサイクルを維持し、デンドライトのない状態を維持することが実証されました。このアノードを使用した完全なバッテリーセルは、5 C で 3,000 サイクル以上にわたって 61.6 mAh/g という高い可逆容量も示し、大規模エネルギー貯蔵用のより安全で高性能のカリウム金属バッテリーに向けた重要な一歩となりました。

主任研究員のウェンビン・ルオ博士は、「私たちの研究は、カリウム金属電池におけるデンドライトの成長という根深い問題に対して、直接的かつ効果的な解決策を提供します」と述べた。「イオンと電子の輸送のバランスをとるハイブリッド界面層を設計することにより、バッテリーの性能が向上するだけでなく、安全性も大幅に向上し、PMBが広範なエネルギー貯蔵用途でより実行可能になります。」

デンドライトフリーのカリウム金属アノードの出現は、より安全で信頼性の高い PMB の新たな機会をもたらし、これは大規模なエネルギー貯蔵システムにとって極めて重要となる可能性があります。このブレークスルーは重大な安全上の課題に対処し、安全性を向上させるためのスケーラブルなアプローチを提供します。エネルギー密度将来のバッテリーの寿命を延長し、再生可能エネルギー貯蔵技術の分野に革命を起こす可能性があります。

詳細情報:Lu-Kang Zhao 他、反応性プリウェッティング化学を使用したデンドライトのない金属カリウムアノードの実現、電子サイエンス（2023年）。DOI: 10.1016/j.esci.2023.100201

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