煤炭钾离子电池：两个“失败者”如何联手挑战锂电池？

从这个很长的名称中，你可能已经听出了它的独特之处。首先它是一种钾离子电池材料，不是你熟悉的锂离子电池、钠离子电池。而且，合成它的原材料居然是古老的能源——煤炭。

这些年，新能源汽车和各类电子设备快速发展，电池成了绝对的热门科技。固态锂离子电池、钠电池、氢燃料电池等技术，对它们的研究，很大程度上依赖于材料技术的突破。事实上，这是一种两个“失败者”凑在一起，产生了“负负得正”效果的新材料。

钾离子的“困境”

我先带你看看第一个“失败者”，钾。

你可能还记得元素周期表上第一列，有七种元素，氢、锂、钠、钾、铷、铯、钫，这里面除了氢以外，剩下那些都被称为碱金属。你应该记得，能排在同一列的化学元素，是因为它们具有很多相似性。所以，你会看到，这七种元素中，氢、锂、钠都可以被用来加工电池，而且，锂离子电池和钠离子电池的很多技术都是相通的。那这样说来，这一列里的其他元素是不是都能被用来制造电池呢？技术上，确实是没有问题的，需要考虑的就是成本和性能问题。简单来说，就是性价比。

那我们今天要说的这个钾元素，为什么说是有可能的呢？因为在地球表面，钾的含量很高，排在一百多种元素的第七位。而且，钾是一种重要的肥料，人类对它的开采已经非常成熟。也就是说，完全不用担心原料不够的问题。

那为什么一开始做电池，不用钾，用了钠和锂呢？这是因为钾的原子量要大得多，尤其是跟锂离子比起来。什么意思？就是同样重量的电池，锂离子电池能够储存的电量，要远远多于钾离子电池，要多出五倍以上。学术上叫能量密度。那你想啊，钾离子电池的能量密度很低，肯定不会被用在新能源汽车或者手机上。

只能被燃烧的煤炭

好，咱们再来看第二个“失败者”，煤。

你可能知道，中国是一个富煤贫油的国家，这种畸形的资源禀赋，很长时间来几乎是一个无解的难题。我们的电力曾经极端依赖于火力发电，同时还要从国外进口大量的石油，引发了严重的空气污染问题和能源安全问题。面对这种局面，中国科学家和工程师们，通过大约20年的努力，中国的新能源产业迎来全面发展。你可能经常会听到光伏、风能、水电方面的一些大型工程，得到也有很多相关课程。煤炭在能源结构中的占比正在不断缩小，用石油炼制成汽油、柴油等燃油的比例也在减小。但是，这又带来了新的问题。一方面，旧有的煤炭工业转型困难，很多煤炭工人都面临失业的风险。另一方面，类似于光伏这样的产业，对新材料的需求量大，这些新材料的源头通常都是石油。所以，单就能源领域来说，中国对海外石油的依赖不降反增。

但是，这并不是一件容易的事，学界和工业界反对的声音非常多。为什么反对？最直接的原因，就是烧同样重量的煤炭，产生的热量比烧石油和天然气要高。煤炭就是天生的燃料，没有什么比它更合适的了。更主要的原因，是因为真的很难。就跟石油对比来看吧。石油的主要成分是碳氢化合物，也就是碳元素和氢元素结合在一起的很多物质。就算你不直接燃烧它，也可以用它来生产塑料中要用的乙烯、丙烯。要知道，乙烯、丙烯甚至可以用来衡量一个国家的工业发展水平。那煤炭呢？主要成分就是碳，化学元素非常单一。所以，用煤炭作为新材料的生产原料，是一个先天不足的产业。

新思路

我们该看看这两个“失败者”是怎么走到一起的了。团队的工作就是利用了煤炭中有特殊结构的无定形碳作为原料，设计出钾离子电池所用的电极材料。

作为钾离子电池的负极材料，需要有一种结构，能够把钾离子稳固地装在里面。等到放电的时候，这些钾离子就会在电池的内部，从负极向正极方向移动，整个电路就因此有了电流。这一“灵感”，其实是从2019年诺贝尔化学奖来的。当时，这一奖项是颁发给了锂离子电池的研究成果。在三位获奖人中，日本科学家吉野彰的主要贡献，就是他第一个把石墨用在了电池的负极上。直到现在，石墨都是锂离子电池最主要的负极材料。石墨是碳元素的一种形式，它的基本结构，就是由六个碳原子形成正六边形，而且这种结构会无限延伸。非常巧的是，这个正六边形结构，刚好可以装得下锂离子。这样一来，锂离子电池的负极上，就可以容纳下很多锂离子。你可以把锂离子电池的负极材料比作是一个巨大的“仓库”，每一个石墨的基本结构都是一个“货架”，刚好可以容纳得下锂离子。但是，钾离子要比锂离子大得多，同样的“货架”，钾离子根本装不进去。这个“仓库”，钾离子电池用不了。

在无定形碳中，其实也存在着正六边形的小单元，但是，这些小单元并不会无限延伸，而是很快就中断了。这样一来，无定形碳的结构上就会出现更大一些的缺口，说不定就能够容纳得下钾离子。但是，天然存在的这种无定形碳，里面的这些微孔结构，或大或小，并不是很均匀。研究人员的思路很有意思，找了一种能够充当模板的物质，让它和无定形碳先紧密地结合，等到把这种模板用水洗掉后，无定形碳内部的微孔就能保持差不多的体积。你可能想不到，研究人员在经过了多次尝试后确定的模版材料是什么。就是我们平常吃的食盐。这种设计方案在实验结果上得到了很好的反馈。

如果做成电池，能量密度很低。现在有了这种电池的负极材料，如果它能容纳的钾离子越多，就意味着电池的电量会越大。研究人员在用这种材料进行测试时发现，这样做出来的电池，它的电量超过了200 mAh/g，用锂电池常用的单位换算，相当于500 Wh/kg。你可能感受不出来这个数据意味着什么，这么说吧，这甚至已经超过了目前在电动汽车上商用的所有锂离子电池。一个是能量密度低的“失败者”钾离子，一个是只能被用作燃料、没法被当成材料的“失败者”煤炭，被研究人员组合在一起，用全新的结构，在新的场景下，实现了“负负得正”的效果。以煤炭为原料制成的钾离子电池材料在成本上，很有优势。无论是钾，还是煤炭、食盐，都是非常普通的物质，即使在一开始工业化的时候，性能不会太好，但是因为成本优势，用在一些低端领域还是很有可能的。

最重要的是，通过这样的尝试，证明了煤炭作为原材料的价值，它可以被用来制造各式各样的新材料。在这个基础上，会有更多人认可这一路径的技术可行性。这个价值，比实际的产品价值还要高。煤炭会在一定程度上替代石油，提高了煤炭的附加值，也可能会让石油的依赖问题得到缓解，还能助力新能源产业更顺利地发展，极大了优化了能源产业结构。