Калий-ионный аккумулятор
Калий -ионная батарея или K-ионная батарея (сокращенно KIB ) — это тип батареи , аналог литий-ионных батарей , в котором для переноса заряда вместо ионов лития используются ионы калия. Он был изобретен ирано-американским химиком Али Эфтехари (президентом Американского общества нанотехнологий) в 2004 году. [1]
Прототип
[ редактировать ]В прототипе устройства использовался калиевый анод и соединение берлинской лазури . в качестве катода материала [1] из-за его высокой электрохимической стабильности. [2] Прототип успешно использовался более 500 циклов. Недавний обзор показал, что несколько практичных материалов успешно используются в качестве анода и катода для новых поколений калий-ионных батарей. [3] Например, было показано, что обычный анодный материал графит можно использовать в качестве анода в калий-ионной батарее. [4]
Материалы
[ редактировать ]После изобретения калий-ионной батареи с прототипом устройства исследователи все больше внимания уделяют повышению удельной емкости и циклических характеристик за счет применения новых материалов для электродов и электролита. Общую картину материала, используемого для изготовления калий-ионных аккумуляторов, можно найти следующим образом:
Аноды
[ редактировать ]Как и в случае с литий-ионной батареей, графит также может обеспечивать интеркаляцию калия в электрохимическом процессе. [5] В то время как графитовые аноды с различной кинетикой страдают от низкого сохранения емкости во время циклической работы в калий-ионных батареях. Таким образом, для достижения стабильной работы необходим подход к проектированию конструкции графитового анода. Помимо графита в качестве анодного материала для калий-ионных аккумуляторов используются и другие типы углеродсодержащих материалов, такие как расширенный графит, углеродные нанотрубки, углеродные нановолокна, а также углеродные материалы, легированные азотом или фосфором. [6] Также были изучены конверсионные аноды, которые могут образовывать соединения с ионами калия с повышенной аккумулирующей способностью и обратимостью, для использования в калий-ионных батареях. Чтобы смягчить изменение объема конверсионного анода, всегда применяется матрица углеродного материала, такая как МоС 2 @rGO , Сб 2 С 3 -СНГ , SnS 2 -rGO и так далее. [7] [8] Классические легирующие аноды, такие как Si, Sb и Sn, которые могут образовывать сплав с ионами лития в процессе циклирования, также применимы для калий-ионных аккумуляторов. Среди них Sb является наиболее перспективным кандидатом из-за своей низкой стоимости и теоретической емкости до 660 мАч г. −1 . [9] Другие органические соединения также разрабатываются для достижения высокой механической прочности, а также поддержания достойных характеристик. [10]
Катоды
[ редактировать ]Помимо оригинального катода берлинской лазури и его аналогов, исследования катодной части калий-ионных аккумуляторов сосредоточены на разработке наноструктуры и твердотельных ионов. Ряд оксидов переходных металлов калия, таких как К 0,3 MnO 2 , K 0,55 CoO 2 продемонстрирован как катодный материал со слоистой структурой. [11] Полианионные соединения с индуктивными дефектами могут обеспечить самое высокое рабочее напряжение среди других типов катодов для калий-ионных аккумуляторов. Во время процесса электрохимического циклирования его кристаллическая структура будет искажаться, создавая больше дефектов при введении иона калия. Речем и др. впервые продемонстрировали, что фторсульфаты обладают обратимым механизмом интеркаляции с K, Na и Li, а затем появились и другие полианионные соединения, такие как К 3 В 2 (ПО 4 ) 3 , КВПО 4 F были изучены, но все еще ограничивались сложным процессом синтеза. [12] [13] Стоит отметить ортодоксальный подход к использованию органических соединений в качестве катода для калий-ионных батарей, таких как PTCDA, красный пигмент, который может связываться с 11 ионами калия в одной молекуле. [14]
Электролиты
[ редактировать ]Из-за более высокой химической активности, чем у лития, электролиты для калий-ионных аккумуляторов требуют более тщательной разработки для решения проблем безопасности. Коммерческий этиленкарбонат (EC) и диэтилкарбонат (DEC) или другой традиционный жидкий электролит на основе эфира/эфира показали плохие характеристики при циклическом использовании и быструю деградацию емкости из-за кислотности калия по Льюису, а также его легковоспламеняемость, препятствующая дальнейшему применению. Ионный жидкий электролит предлагает новый способ расширения электрохимического окна калий-ионной батареи с большим отрицательным окислительно-восстановительным напряжением и особенно стабилен с графитовым анодом. [15] В последнее время твердый полимерный электролит для полностью твердотельных калий-ионных аккумуляторов привлек большое внимание благодаря своей гибкости и повышенной безопасности. Feng и др. предложили твердый полимерный электролит поли(пропиленкарбонат)-KFSI с каркасом из нецеллюлозы. тканая мембрана с повышенной ионной проводимостью 1,36 10 −5 см см −1 . [16] Исследования электролита для калий-ионных аккумуляторов направлены на достижение кинетики быстрой диффузии ионов, стабильного образования SEI, а также повышения безопасности.
Преимущества
[ редактировать ]Наряду с ионами натрия , ионы калия являются основным кандидатом на химическую замену литий-ионных батарей. [17] Калий-ионные батареи имеют определенные преимущества перед аналогичными литий-ионными (например, литий-ионными батареями): конструкция элемента проста, а материал и технология изготовления дешевле. Ключевым преимуществом является обилие и низкая стоимость калия по сравнению с литием, что делает калиевые батареи многообещающим кандидатом для крупномасштабных батарей, таких как бытовые накопители энергии и электромобили. [18] Еще одним преимуществом калий-ионной батареи перед литий-ионной является потенциально более быстрая зарядка. [19]
прототипе В использовался Электролит KBF 4 , хотя можно использовать почти все распространенные соли электролитов. Кроме того, недавно сообщалось, что ионные жидкости являются стабильными электролитами с широким электрохимическим окном. [20] [21] Коэффициент химической диффузии К + в клетке выше, чем у Что + в литиевых батареях из-за меньшего стоксова радиуса сольватированных К + . Поскольку электрохимический потенциал К + идентичен таковому у Что + , потенциал ячейки аналогичен потенциалу литий-ионного. Калиевые батареи могут работать с широким спектром катодных материалов, что позволяет снизить стоимость перезарядки. Одним из заметных преимуществ является наличие графита калия , который используется в качестве анодного материала в некоторых литий-ионных батареях. Его стабильная структура гарантирует обратимую интеркаляцию/деинтеркаляцию ионов калия при заряде/разряде.
Приложения
[ редактировать ]В 2005 году была создана калиевая батарея, в которой используется расплавленный электролит. КПФ 6 был запатентован. [22] [23] В 2007 году китайская компания Starsway Electronics выпустила на рынок первый портативный медиаплеер с питанием от калиевых батарей как устройство с высоким энергопотреблением. [24]
Калиевые батареи были предложены для крупномасштабного хранения энергии, учитывая их исключительную цикличность, но нынешние прототипы выдерживают только сотню циклов зарядки. [25] [26] [27]
По состоянию на 2019 год широкому использованию технологии K-ионных аккумуляторов препятствуют пять основных проблем: низкая диффузия ионов калия через твердый электрод, а также распад калия после повторных циклов из-за изменения объема, побочных реакций, роста дендриты и плохая теплоотдача . По оценкам исследователей, на решение всех этих проблем может уйти до 20 лет. [28] [29]
Биологическая калиевая батарея
[ редактировать ]Интересной и уникальной особенностью калий-ионной батареи по сравнению с другими типами батарей является то, что жизнь на Земле основана на биологических калий-ионных батареях. К + является основным носителем заряда в растениях. Тираж К + ионы способствуют накоплению энергии в растениях за счет формирования децентрализованных калиевых батарей. [30] Это не только знаковая особенность калий-ионных аккумуляторов, но и показывает, насколько важно понимать роль К + носителей заряда, чтобы понять механизм жизни растений.
Другие калиевые батареи
[ редактировать ]Исследователи продемонстрировали калийно-воздушную батарею ( КО 2 ) с низким перенапряжением. Его потенциальная разница заряда/разряда около 50 мВ является самым низким зарегистрированным значением среди металло-воздушных батарей . Это обеспечивает энергоэффективность в обоих направлениях >95%. Для сравнения, литий-воздушные батареи ( Li-O 2 ) имеют гораздо более высокое перенапряжение, составляющее 1–1,5 В, что приводит к КПД туда и обратно 60%. [31]
См. также
[ редактировать ]- Список типов батарей
- Литий-воздушная батарея
- Тонкопленочный литий-ионный аккумулятор
- Щелочной металл-ионный аккумулятор
- Литий-ионный аккумулятор
- Натрий-ионный аккумулятор
- Калий-ионный аккумулятор
- Кальций-ионный аккумулятор
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Эфтехари, А (2004). «Калиевый вторичный элемент на основе катода берлинской лазури». Журнал источников энергии . 126 (1): 221–228. Бибкод : 2004JPS...126..221E . дои : 10.1016/j.jpowsour.2003.08.007 .
- ^ Итайя, К; Атака, Т; Тошима, С. (1982). «Спектроэлектрохимия и метод электрохимического получения модифицированных электродов берлинской лазури». Журнал Американского химического общества . 104 (18): 4767. doi : 10.1021/ja00382a006 .
- ^ Эфтехари, А; Цзянь, З; Джи, X (2017). «Калиевые вторичные батареи». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 9 (5): 4404–4419. дои : 10.1021/acsami.6b07989 . ПМИД 27714999 .
- ^ Ло, Вт; Ван, Дж; Оздемир, Б (2015). «Калий-ионные аккумуляторы с графитовыми материалами». Нано-буквы . 15 (11): 7671–7. Бибкод : 2015NanoL..15.7671L . дои : 10.1021/acs.nanolett.5b03667 . ПМИД 26509225 .
- ^ Цзян, Зеланг; Ло, Вэй; Цзи, Сюлей (16 сентября 2015 г.). «Углеродные электроды для K-ионных батарей». Журнал Американского химического общества . 137 (36): 11566–11569. дои : 10.1021/jacs.5b06809 . ISSN 0002-7863 . ПМИД 26333059 .
- ^ Хван, Чан Ён; Мён, Сын Тэк; Сунь, Ян-Кук (2018). «Последние достижения в области калийных аккумуляторных батарей». Передовые функциональные материалы . 28 (43): 1802938. doi : 10.1002/adfm.201802938 . ISSN 1616-3028 . S2CID 106292273 .
- ^ Эфтекхари, Али; Цзян, Зеланг; Цзи, Сюлей (08 февраля 2017 г.). «Калиевые вторичные батареи». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 9 (5): 4404–4419. дои : 10.1021/acsami.6b07989 . ISSN 1944-8244 . ПМИД 27714999 .
- ^ Тянь, Юань; Ань, Юнлин; Фэн, Цзинькуй (13 марта 2019 г.). «Гибкая и отдельно стоящая композитная бумага из кремния и MXene для высокопроизводительных литий-ионных батарей». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 11 (10): 10004–10011. дои : 10.1021/acsami.8b21893 . ISSN 1944-8244 . ПМИД 30775905 . S2CID 73473174 .
- ^ Ань, Юнлин; Тянь, Юань; Ци, Лицзе; Сюн, Шэнлинь; Фэн, Дзинкуй; Цянь, Итай (26 декабря 2018 г.). «Нанопористая сурьма микронного размера с регулируемой пористостью для высокопроизводительных калий-ионных батарей». АСУ Нано . 12 (12): 12932–12940. дои : 10.1021/acsnano.8b08740 . ISSN 1936-0851 . ПМИД 30481455 . S2CID 53747530 .
- ^ Чен, Сюдун; Чжан, Ханг; Ци, Чэнган; Сунь, Вэйвэй; Ван, Юн (26 марта 2019 г.). «Малослойные ковалентные органические каркасы на основе эфира бороновой кислоты/композиты из углеродных нанотрубок для высокопроизводительных K-органических батарей». АСУ Нано . 13 (3): 3600–3607. дои : 10.1021/acsnano.9b00165 . ISSN 1936-0851 . ПМИД 30807104 . S2CID 73488846 .
- ^ Прамудита, Джеймс С.; Сехрават, Дивья; Гунетиллеке, Дамиан; Шарма, Нирадж (2017). «Первоначальный обзор состояния электродных материалов для калий-ионных батарей». Передовые энергетические материалы . 7 (24): 1602911. doi : 10.1002/aenm.201602911 . ISSN 1614-6840 .
- ^ Рехам, Надир; Русе, Гвеналь; Суграти, Мулай Т.; Шотар, Жан-Ноэль; Фрайре, Кристина; Марияппан, Сатья; Мелот, Брент К.; Жюмас, Жан-Клод; Тараскон, Жан-Мари (27 ноября 2012 г.). «Получение и характеристика стабильного каркаса на основе FeSO4F для вводимых щелочно-ионных электродов» . Химия материалов . 24 (22): 4363–4370. дои : 10.1021/cm302428w . ISSN 0897-4756 .
- ^ Федотов, С (2016). «AVPO4F (A = Li, K): катодный материал на 4 В для аккумуляторов большой мощности» . Химия материалов . 28 (2): 411–415. doi : 10.1021/acs.chemmater.5b04065 . hdl : 10067/1315830151162165141 .
- ^ Чен, Янь, Вэй; Картер, Чжоу, Лихуэй; Дай, Фу, Кун; Ли, Ван, Цзяю; Хань, Бао, Яньпин; «Органический электрод для неводных калий-ионных батарей» . : 205–211 . : 10.1016 / . j.nanoen.2015.10.015 18 doi
- ^ Белтроп, К.; Бойкер, С.; Хекманн, А.; Зима, М.; Плаке, Т. (2017). «Альтернативное электрохимическое хранение энергии: калиевые двойные графитовые батареи». Энергетика и экология . 10 (10): 2090–2094. дои : 10.1039/C7EE01535F . ISSN 1754-5692 .
- ^ Фэй, Хуэйфан; Лю, Инин; Ань, Юнлин; Сюй, Сяоянь; Цзэн, Гуйфан; Тянь, Юань; Ци, Лицзе; Си, Баоцзюань; Сюн, Шэнлинь; Фэн, Цзинькуй (30 сентября 2018 г.). «Стабильный твердотельный калиевый аккумулятор, работающий при комнатной температуре, с композитным полимерным электролитом и устойчивым органическим катодом». Журнал источников энергии . 399 : 294–298. Бибкод : 2018JPS...399..294F . дои : 10.1016/j.jpowsour.2018.07.124 . ISSN 0378-7753 . S2CID 105472842 .
- ^ «Новая концепция батареи: калий вместо лития» . 8 октября 2015 г.
- ^ «Водные калий-ионные аккумуляторы большой емкости для крупномасштабного хранения энергии» . 2 декабря 2016 г.
- ^ «Ионы калия заряжают литиевые батареи быстрее» . 20 января 2017 г.
- ^ Ямамото, Такаюки; Мацумото, Кадзухико; Хагивара, Рика; Нохира, Тосиюки (7 августа 2017 г.). «Физико-химические и электрохимические свойства ионных жидкостей K[N(SO2F)2]–[N-метил-N-пропилпирролидиний][N(SO2F)2] для калий-ионных аккумуляторов». Журнал физической химии C. 121 (34): 18450–18458. дои : 10.1021/acs.jpcc.7b06523 . HDL : 2433/261771 .
- ^ Мазесе, Тит; Ёси, Кадзуки; Ямагути, Ёичи; Окумура, Тойоки; Хуан, Чжэнь-Донг; Като, Минами; Кубота, Кейго; Фурутани, Джунья; Орикаса, Юки; Сено, Хироши; Сакаэбе, Хикари; Сикано, Масахиро (20 сентября 2018 г.). «Калий-ионные аккумуляторные батареи с сотовыми слоями теллуратов в качестве катодов высокого напряжения и быстрых калий-ионных проводников» . Природные коммуникации . 9 (1): 3823. Бибкод : 2018NatCo...9.3823M . дои : 10.1038/s41467-018-06343-6 . ПМК 6147795 . ПМИД 30237549 .
- ^ США 20090263717 Рамасубраманиан, М; Спотниц, РМ
- ^ США 2005017219 Ли, В.; Кохома, К; Арманд, М; Перрон, Дж.
- ^ Мелансон, Д. (24 октября 2007 г.). «Китайская компания Starsway рекламирует PMP с питанием от калиевых батарей» . Engadget . Проверено 16 сентября 2011 г.
- ^ «Новая аккумуляторная технология может обеспечить крупномасштабное хранение энергии в сети» . 25 ноября 2011 г.
- ^ «40 000 циклов зарядки аккумуляторного электрода выглядят многообещающе для хранения энергии в сети» . 22 ноября 2011 г.
- ^ «Полная перезагрузка страницы» . IEEE Spectrum: Новости технологий, техники и науки . Проверено 28 июля 2020 г.
- ^ Йирка, Боб; Физика.орг. «Исследователи описывают современное состояние технологии калий-ионных аккумуляторов» . физ.орг . Проверено 19 июня 2022 г.
- ^ Чжан, Вэньчао; Лю, Яцзе; Го, Цзайпин (3 мая 2019 г.). «Подход к созданию высокопроизводительных калий-ионных батарей с помощью передовых стратегий проектирования и проектирования» . Достижения науки . 5 (5): eaav7412. Бибкод : 2019SciA....5.7412Z . дои : 10.1126/sciadv.aav7412 . ISSN 2375-2548 . ПМК 6510555 . ПМИД 31093528 .
- ^ Гайданович, Павел (2010). «Градиенты калия (К+) служат мобильным источником энергии в сосудистых тканях растений» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (2): 864–869. Бибкод : 2011PNAS..108..864G . дои : 10.1073/pnas.1009777108 . ПМК 3021027 . ПМИД 21187374 .
- ^ Рен, Сяоди; Ву, Иин (2013). «Калийно-кислородная батарея с низким перенапряжением на основе супероксида калия». Журнал Американского химического общества . 135 (8): 2923–2926. дои : 10.1021/ja312059q . ПМИД 23402300 .
