Från mobiltelefoner, till solenergi, till elbilar, mänskligheten blir alltmer beroende av batterier. Som efterfrågan på säker, effektiv, och kraftfull energilagring fortsätter att öka, så även kravet på lovande alternativ till laddningsbara litiumjonbatterier, som har varit den dominerande tekniken i detta utrymme.

I forskning publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences , forskare från Rensselaer Polytechnic Institute visar hur de kan övervinna en ihållande utmaning som kallas dendriter för att skapa ett metallbatteri som presterar nästan lika bra som ett litiumjonbatteri, men förlitar sig på kalium - ett mycket rikligare och billigare grundämne.

Batterier innehåller två elektroder - en katod i ena änden och en anod i den andra. Om du skulle titta inuti ett litiumjonbatteri skulle du vanligtvis hitta en katod gjord av litiumkoboltoxid och en anod gjord av grafit. Under laddning och urladdning, litiumjoner flödar fram och tillbaka mellan dessa två elektroder.

I denna inställning, om forskare helt enkelt skulle ersätta litiumkoboltoxid med kaliumkoboltoxid, prestandan skulle sjunka. Kalium är ett större och tyngre grundämne och, därför, mindre energität. Istället, Rensselaer-teamet försökte öka kaliums prestanda genom att även ersätta grafitanoden med kaliummetall.

"När det gäller prestanda, detta kan konkurrera med ett traditionellt litiumjonbatteri, sa Nikhil Koratkar, en begåvad professor i mekanik, flyg, och kärnteknik vid Rensselaer och huvudförfattaren på detta papper.

Även om metallbatterier har visat mycket lovande, de har också traditionellt plågats av ansamling av metallavlagringar, kallas dendriter, på anoden. Dendriter bildas på grund av ojämn avsättning av kaliummetall när batteriet genomgår upprepade cykler av laddning och urladdning. Över tid, Koratkar förklarade, konglomeraten av kaliummetall blir långa och nästan grenliknande.

Om de blir för långa, de kommer så småningom att tränga igenom den isolerande membranseparatorn som är avsedd att hålla elektroderna från att vidröra varandra och kortsluta batteriet. Värme skapas när ett batteri kortsluts och har potential att tända den organiska elektrolyten i enheten i brand.

I det här pappret, Koratkar och hans team – som inkluderade Prateek Hundekar, doktorand vid Rensselaer, och forskare från University of Maryland, inklusive Chunsheng Wang, en professor i kemi- och biomolekylär teknik – förklara hur deras lösning på det problemet banar väg för praktisk konsumentanvändning. Genom att driva batteriet med en relativt hög laddnings- och urladdningshastighet, de kan höja temperaturen inuti batteriet på ett välkontrollerat sätt och uppmuntra dendriterna att självläka från anoden.

Koratkar jämför självläkningsprocessen med vad som händer med en snöhög efter att en storm har tagit slut. Vinden och solen hjälper till att flytta flingorna från snöhögen, krymper dess storlek och så småningom plattar den ut.

På ett liknande sätt, medan temperaturökningen i batteriet inte smälter kaliummetallen, det hjälper till att aktivera ytdiffusion så att kaliumatomerna rör sig i sidled från "högen" de har skapat, slätar effektivt ut dendriten.

"Med detta tillvägagångssätt, tanken är att på natten eller när du inte använder batteriet, du skulle ha ett batterihanteringssystem som skulle applicera denna lokala värme som skulle få dendriterna att självläka, sa Koratkar.

Koratkar och hans team har tidigare visat en liknande metod för självläkning med litiummetallbatterier, men de fann att kaliummetallbatteriet krävde mycket mindre värme för att slutföra självläkningsprocessen. Det lovande fyndet, Koratkar sa, betyder att ett kaliummetallbatteri kan vara mer effektivt, säker, och praktiskt.

"Jag vill se ett paradigmskifte till metallbatterier, ", sa Koratkar. "Metallbatterier är det mest effektiva sättet att konstruera ett batteri; dock, på grund av detta dendritproblem har de inte varit genomförbara. Med kalium, Jag är mer hoppfull."