Калий-ионный аккумулятор или К-ионный аккумулятор (сокращенно КИБ ) представляет собой тип батареи и аналог литий-ионные батареи , используя ионы калия для переноса заряда вместо ионов лития. Его изобрел иранско-американский химик Али Эфтехари (президент Американского нано-общества) в 2004 году [1].
Опытный образец
В прототипе устройства в качестве катодного материала использовался калиевый анод и соединение берлинской синей [1] из- за его высокой электрохимической стабильности. [2] Прототип успешно отработал более 500 циклов. Недавний обзор показал, что в настоящее время несколько прагматичных материалов успешно используются в качестве анода и катода для новых поколений ионно-калиевых батарей. [3] Например, было показано, что обычный анодный материал графит может использоваться в качестве анода в калий-ионной батарее. [4]
Материалы
После изобретения калий-ионной батареи с помощью прототипа устройства исследователи все больше сосредотачивались на повышении удельной емкости и производительности при циклических нагрузках с применением новых материалов для электрода и электролита. Общая картина материала, из которого изготовлен калий-ионный аккумулятор, выглядит следующим образом:
Аноды: как и в случае литий-ионных аккумуляторов, графит также может способствовать интеркалированию калия в электрохимическом процессе. [5] В то время как графитовые аноды с разной кинетикой страдают от сохранения низкой емкости во время цикла в калий-ионных батареях. Таким образом, подход к проектированию структуры графитового анода необходим для достижения стабильной работы. Помимо графита, в качестве анодного материала для калий-ионной батареи использовались другие типы углеродистых материалов, такие как расширенный графит, углеродные нанотрубки, углеродные нановолокна, а также углеродные материалы, легированные азотом или фосфором. [6] Конверсионные аноды, которые могут образовывать соединение с ионом калия с увеличенной накопительной емкостью и обратимостью, также были изучены для использования в калий-ионных батареях. Чтобы компенсировать изменение объема конверсионного анода, всегда применяется матрица из углеродного материала, такая как MoS 2 @rGO, Sb 2 S 3 -SNG, SnS 2 -rGO и так далее. [7] [8] Классические легирующие аноды, такие как Si, Sb и Sn, которые могут образовывать сплав с ионами лития во время цикла, также применимы для калий-ионных аккумуляторов. Среди них Sb является наиболее перспективным кандидатом из-за невысокой 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: Помимо оригинального катода из берлинской голубой и его аналогов, исследования катодной части ионно-калиевой батареи сосредоточены на разработке наноструктур и твердой ионики. Ряд оксидов переходного металла калия, таких как K 0,3 MnO 2 , K 0,55 CoO 2 , был продемонстрирован в качестве катодного материала со слоистой структурой. [11] Полианионные соединения с индуктивными дефектами могут обеспечить самое высокое рабочее напряжение среди других типов катодов для калий-ионных батарей. Во время процесса электрохимического цикла его кристаллическая структура будет искажена, чтобы создать больше индуцированных дефектов при введении иона калия. Recham и др. Впервые продемонстрировали, что фторсульфаты обладают обратимым механизмом интеркаляции с K, Na и Li, с тех пор другие полианионные соединения, такие как K 3 V 2 (PO 4 ) 3 , KVPO 4 F, были изучены, но все еще ограничены комплексом процесс синтеза. [12] [13] Стоит отметить ортодоксальный подход к использованию органического соединения в качестве катода для калий-ионной батареи, такого как PTCDA, красный пигмент, который может связываться с 11 ионами калия в пределах одной молекулы. [14]
Электролиты: из-за более высокой химической активности, чем у лития, электролиты для калий-ионных аккумуляторов требуют более тонкой инженерии для решения проблем безопасности. Коммерческий этиленкарбонат (EC) и диэтилкарбонат (DEC) или другой традиционный жидкий электролит на основе простого эфира / сложного эфира показали плохие характеристики цикличности и быструю деградацию емкости из-за кислотности калия по Льюису, а его легковоспламеняемость помешала дальнейшему применению. Ионный жидкий электролит предлагает новый способ расширить электрохимическое окно калий-ионного аккумулятора с большим отрицательным окислительно-восстановительным напряжением, и он особенно стабилен с графитовым анодом. [15] Недавно твердый полимерный электролит для полностью твердотельных калий-ионных аккумуляторов привлек большое внимание из-за его гибкости и повышенной безопасности. Фенг и др. Предложили твердый полимерный электролит из полипропиленкарбоната-KFSI с каркасом из целлюлозная нетканая мембрана с повышенной ионной проводимостью 1,3610 −5 См см −1 . [16] Исследования электролита для калий-ионных аккумуляторов сосредоточены на достижении кинетики быстрой диффузии ионов, стабильного образования SEI, а также повышенной безопасности.
Преимущества
Наряду с ионом натрия калий-ион является основным кандидатом на замену литий-ионным батареям. [17] Ион калия имеет определенные преимущества перед аналогичными литий-ионными (например, литий-ионными батареями): конструкция элемента проста, а материалы и процедуры изготовления дешевле. Ключевым преимуществом является обилие и низкая стоимость калия по сравнению с литием, что делает калиевые батареи многообещающим кандидатом для крупномасштабных аккумуляторов, таких как бытовые накопители энергии и электромобили. [18] Еще одно преимущество калий-ионных аккумуляторов перед литий-ионными - это возможность более быстрой зарядки. [19]
В прототипе использовался KBF
4электролит, хотя можно использовать почти все обычные соли электролита. Кроме того, недавно сообщалось, что ионные жидкости являются стабильными электролитами с широким электрохимическим окном. [20] [21] Коэффициент химической диффузии K+
в клетке выше, чем у Li+
в литиевых батареях из-за меньшего радиуса Стокса сольватированного K+
. Поскольку электрохимический потенциал K+
идентичен Ли+
, потенциал ячейки аналогичен литий-ионному. Калиевые батареи могут принимать широкий спектр катодных материалов, которые могут обеспечить меньшую 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
В 2005 году калийная батарея, использующая расплавленный электролит KPF.
6был запатентован. [22] [23] В 2007 году китайская компания Starsway Electronics продала первый портативный медиаплеер с калиевым аккумулятором как высокоэнергетическое устройство. [24]
Калиевые батареи были предложены для крупномасштабного накопления энергии из-за их исключительной циклируемости, но существующие прототипы выдерживают только сотню циклов зарядки. [25] [26] [27]
Биологическая калиевая батарея
Интересной и уникальной особенностью калий-ионных аккумуляторов по сравнению с другими типами аккумуляторов является то, что жизнь на планете так или иначе основана на биологических калий-ионных аккумуляторах. К + является основным носителем заряда в растениях. Циркуляция ионов K + способствует накоплению энергии в растениях за счет образования децентрализованных калиевых батарей. [28] Это не только знаковая особенность калий-ионных аккумуляторов, но также показывает, насколько важно понимать роль носителей заряда K + для понимания механизма жизни растений.
Другие калиевые батареи
Исследователи продемонстрировали калиево-воздушную батарею (K-O2) с низким перенапряжением. Его потенциальный зазор заряда / разряда около 50 мВ - это самое низкое значение для металл-воздушных батарей, о котором сообщалось . Это обеспечивает КПД> 95% в оба конца. Для сравнения, литий-воздушные батареи (Li-O2) имеют гораздо более высокое перенапряжение, составляющее 1–1,5 В, что приводит к 60% -ной эффективности в оба конца. [29]
Смотрите также
- Список типов батарей
- Литий-воздушная батарея
- Тонкопленочный литий-ионный аккумулятор
- Щелочно-металло-ионный аккумулятор
- Литий-ионный аккумулятор
- Натриево-ионный аккумулятор
- Калий-ионный аккумулятор
Рекомендации
- ^ а б Эфтехари, А (2004). «Калиевый вторичный элемент на основе катода берлинской голубой». Журнал источников энергии . 126 (1): 221–228. Bibcode : 2004JPS ... 126..221E . DOI : 10.1016 / j.jpowsour.2003.08.007 .
- ^ Итая, К; Атака, Т; Тосима, S (1982). «Спектроэлектрохимия и метод электрохимической подготовки электродов, модифицированных берлинской лазурью». Журнал Американского химического общества . 104 (18): 4767. DOI : 10.1021 / ja00382a006 .
- ^ Эфтехари, А; Цзянь, Z; Цзи, X (2017). «Калиевые вторичные батареи». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 9 (5): 4404–4419. DOI : 10.1021 / acsami.6b07989 . PMID 27714999 .
- ^ Луо, Вт; Ван, Дж; Оздемир, Б (2015). «Калийно-ионные батареи с графитовыми материалами». Нано-буквы . 15 (11): 7671–7. DOI : 10.1021 / acs.nanolett.5b03667 . PMID 26509225 .
- ^ Цзянь, Зеланг; Ло, Вэй; Цзи, Сюлей (2015-09-16). «Угольные электроды для K-ионных аккумуляторов». Журнал Американского химического общества . 137 (36): 11566–11569. DOI : 10.1021 / jacs.5b06809 . ISSN 0002-7863 . PMID 26333059 .
- ^ Хван, Чан-Ён; Мён, Сын-Тхэк; Сунь, Ян-Кук (2018). «Последние достижения в области перезаряжаемых калиевых батарей». Современные функциональные материалы . 28 (43): 1802938. DOI : 10.1002 / adfm.201802938 . ISSN 1616-3028 .
- ^ Эфтехари, Али; Цзянь, Зеланг; Цзи, Сюлей (2017-02-08). «Калиевые вторичные батареи». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 9 (5): 4404–4419. DOI : 10.1021 / acsami.6b07989 . ISSN 1944-8244 . PMID 27714999 .
- ^ Тиан, Юань; Ань, Юнлин; Фэн, Цзинькуй (13 марта 2019). «Гибкая и отдельно стоящая композитная бумага кремний / MXene для высокоэффективных литий-ионных батарей». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 11 (10): 10004–10011. DOI : 10.1021 / acsami.8b21893 . ISSN 1944-8244 . PMID 30775905 .
- ^ Ань, Юнлин; Тиан, Юань; Ci, Lijie; Сюн, Шэнлинь; Фэн, цзинкуй; Цянь, Итай (26.12.2018). «Микронные нанопористые сурьмы с регулируемой пористостью для высокоэффективных калий-ионных батарей». САУ Нано . 12 (12): 12932–12940. DOI : 10.1021 / acsnano.8b08740 . ISSN 1936-0851 . PMID 30481455 .
- ^ Чен, Сюдун; Чжан, Ханг; Ки, Ченган; Солнце, Вэйвэй; Ван Юн (26.03.2019). «Ковалентные органические каркасы на основе многослойного боронового эфира / композиты из углеродных нанотрубок для высокоэффективных K-органических батарей». САУ Нано . 13 (3): 3600–3607. DOI : 10.1021 / acsnano.9b00165 . ISSN 1936-0851 . PMID 30807104 .
- ^ Прамудита, Джеймс С.; Сехрават, Дивья; Гунетиллеке, Дамиан; Шарма, Нирадж (2017). «Первоначальный обзор состояния электродных материалов для калий-ионных батарей» . Современные энергетические материалы . 7 (24): 1602911. DOI : 10.1002 / aenm.201602911 . ISSN 1614-6840 .
- ^ Речам, Надир; Русе, Гвенаэль; Sougrati, Moulay T .; Шотар, Жан-Ноэль; Фрейрет, Кристина; Мариаппан, Сатья; Melot, Brent C .; Джума, Жан-Клод; Тараскон, Жан-Мари (27 ноября 2012 г.). «Подготовка и характеристика стабильной основы на основе FeSO4F для электродов введения щелочных ионов» . Химия материалов . 24 (22): 4363–4370. DOI : 10.1021 / cm302428w . ISSN 0897-4756 .
- ^ Федотов, С (2016). «AVPO4F (A = Li, K): катодный материал на 4 В для аккумуляторных батарей большой мощности» . Химия материалов . 28 (2): 411–415. DOI : 10.1021 / acs.chemmater.5b04065 .
- ^ Чен, Яньань; Ло, Вэй; Картер, Маркус; Чжоу, Лихуэй; Дай, Цзяци; Фу, Кун; Лейси, Стивен; Ли, Тиан; Ван, Цзяюй; Хан, Сяоган; Бао, Яньпин (01.11.2015). «Органический электрод для неводных калий-ионных аккумуляторов». Нано Энергия . 18 : 205–211. DOI : 10.1016 / j.nanoen.2015.10.015 . ISSN 2211-2855 .
- ^ Beltrop, K .; Beuker, S .; Heckmann, A .; Зима, М .; Плаке, Т. (2017). «Альтернативные электрохимические накопители энергии: двойные графитовые батареи на основе калия». Энергетика и экология . 10 (10): 2090–2094. DOI : 10.1039 / C7EE01535F . ISSN 1754-5692 .
- ^ Фэй, Хуйфан; Лю, Инин; Ань, Юнлин; Сюй, Сяоянь; Цзэн, Гуйфан; Тиан, Юань; Ci, Lijie; Си, Баоцзюань; Сюн, Шэнлинь; Фэн, Цзинькуй (30.09.2018). «Стабильный полностью твердотельный калиевый аккумулятор, работающий при комнатной температуре с композитным полимерным электролитом и экологически безопасным органическим катодом». Журнал источников энергии . 399 : 294–298. DOI : 10.1016 / j.jpowsour.2018.07.124 . ISSN 0378-7753 .
- ^ «Новая концепция батарей: калий вместо лития» . 8 октября 2015 г.
- ^ «Водные ионно-калийные батареи большой емкости для крупномасштабного накопления энергии» . 2 декабря 2016.
- ^ «Ионы калия заряжают литиевые батареи быстрее» . 20 января 2017.
- ^ Ямамото, Такаюки; Мацумото, Кадзухико; Хагивара, Рика; Нохира, Тосиюки (7 августа 2017 г.). «Физико-химические и электрохимические свойства K [N (SO2F) 2] - [N-метил-N-пропилпирролидиния] [N (SO2F) 2] ионных жидкостей для калий-ионных батарей». Журнал физической химии C . 121 (34): 18450–18458. DOI : 10.1021 / acs.jpcc.7b06523 . hdl : 2433/261771 .
- ^ «Перезаряжаемые ионно-калийные батареи с сотовыми теллуратами в качестве катодов высокого напряжения и быстрых ионно-калиевых проводников» . 20 сентября 2018.
- ^ США 20090263717Рамасубраманиан, М; Спотниц, РМ
- ^ США 2005017219Ли, Вт; Кохома, К; Арман, М; Перрон, G
- ^ Мелансон, Д. (24 октября 2007 г.). «Китайская компания Starsway рекламирует PMP на калиевых батареях» . Engadget . Проверено 16 сентября 2011 .
- ^ «Новая аккумуляторная технология может обеспечить масштабное хранение энергии в сети» . 25 ноября 2011 г.
- ^ «40 000 циклов зарядки аккумуляторного электрода выглядят многообещающими для хранения в сети» . 22 ноября 2011 г.
- ^ «Полная перезагрузка страницы» . IEEE Spectrum: Новости технологий, инженерии и науки . Проверено 28 июля 2020 .
- ^ Гайданович, Павел (2010). «Градиенты калия (K +) служат мобильным источником энергии в тканях сосудов растений» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (2): 864–869. Bibcode : 2011PNAS..108..864G . DOI : 10.1073 / pnas.1009777108 . PMC 3021027 . PMID 21187374 .
- ^ Рен, Сяоди; У, Иин (2013). «Калийно-кислородная батарея с низким перенапряжением на основе супероксида калия». Журнал Американского химического общества . 135 (8): 2923–2926. DOI : 10.1021 / ja312059q . PMID 23402300 .
Внешние ссылки
- Новая аккумуляторная технология может обеспечить масштабное накопление энергии для сети