Войти
A ионно-калиевый аккумулятор или К-ионный аккумулятор (сокращенно KIB ) представляет собой тип батареи и аналог литий-ионных батарей, в котором для переноса заряда используются ионы калия вместо ионов лития. Он был изобретен иранским / американским химиком Али Эфтехари (президентом Американского нано-общества) в 2004 году.
В прототипе устройства использовался калиевый анод и соединение берлинской голубой в качестве материала катода за его высокую электрохимическую стабильность. Опытный образец успешно отработал более 500 циклов. Недавний обзор показал, что в настоящее время несколько практичных материалов успешно используются в качестве анода и катода для новых поколений ионно-калиевых батарей. Например, обычный анодный материал графит показал, что его можно использовать в качестве анода в калий-ионной батарее.
После изобретения калий-ионной батареи с прототипом устройства, Исследователи все больше сосредотачиваются на повышении удельной емкости и циклических характеристик с применением новых материалов для электродов и электролитов. Общая картина материала, используемого для калий-ионной батареи, может быть представлена следующим образом:
Аноды: Как и в случае литий-ионной батареи, графит может также обеспечивать интеркаляцию калия в электрохимическом процессе. 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. Конверсионные аноды, которые могут образовывать соединение с ионом калия с повышенной емкостью и обратимостью, также были изучены для использования в калий-ионных аккумуляторах. Для буферизации изменения объема конверсионного анода всегда применяется матрица из углеродного материала, например MoS 2 @rGO, Sb 2S3-SNG, SnS 2 -rGO и так далее. 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 благодаря невысокой стоимости и теоретической емкости до 660 мАч г. Другие органические соединения также разрабатываются для достижения высокой механической прочности, а также поддержания достойных характеристик.
Катоды: Помимо оригинального катода из берлинского синего цвета и его аналогов, исследования катодной части ионно-калиевой батареи сосредоточены на разработке наноструктур. и твердая ионика. Ряд оксидов переходного металла калия, таких как K 0,3 MnO 2, K 0,55 CoO 2, был продемонстрирован в качестве катодного материала с слоистая структура. 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. Сначала продемонстрировали, что фторсульфаты обладают обратимым механизмом интеркаляции с K, Na и Li, с тех пор были изучены другие полианионные соединения, такие как K 3V2(PO 4)3, KVPO 4 F, Хотя все еще ограничивается сложным процессом синтеза. 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.
Электролиты: Из-за более высокой химической активности, чем у лития, электролиты для калий-ионных аккумуляторов требуют более деликатной инженерии для решения проблем безопасности. Коммерческий этиленкарбонат (EC) и диэтилкарбонат (DEC) или другой традиционный жидкий электролит на основе простого эфира / сложного эфира показал плохие циклические характеристики и быстрое ухудшение емкости из-за кислотности калия по Льюису, а также его легковоспламеняемость, препятствующая его дальнейшему применению. Ионный жидкий электролит предлагает новый способ расширения электрохимического окна калия um-ионная батарея с большим отрицательным окислительно-восстановительным напряжением и особенно стабильна с графитовым анодом. Недавно 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 из полипропиленкарбоната-KFSI с каркасом из целлюлозы, не содержащей целлюлозы. тканая мембрана с повышенной ионной проводимостью 1,36 
Наряду с ионами натрия, ион-калий является основным кандидатом на замену литий-ионным батареям. Ион калия имеет определенные преимущества по сравнению с аналогичными литий-ионными (например, литий-ионными аккумуляторами): 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. Еще одним преимуществом калий-ионной батареи перед литий-ионной батареей является возможность более быстрой зарядки.
В прототипе использовался электролит KBF. 4. можно использовать почти все обычные соли электролитов. Кроме того, недавно сообщалось, что ионные жидкости являются стабильными электролитами с широким электрохимическим окном. Коэффициент химической диффузии K. в элементе выше, чем у Li. в литиевых батареях, из-за меньшего радиуса Стокса сольватированного K.. Поскольку электрохимический потенциал K. идентичен таковому у Li., 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 материала анода в некоторых литий-ионных батареях. Его стабильная структура гарантирует обратимую интеркаляцию / деинтеркаляцию ионов калия при заряде / разряде.
В 2005 году была запатентована калиевая батарея, в которой используется расплавленный электролит KPF. 6. В 2007 году китайская компания Starsway Electronics представила первый портативный медиаплеер с калиевым аккумулятором как высокоэнергетическое устройство.
Калиевые батареи были предложены для крупномасштабного накопления энергии, учитывая их исключительные возможности. цикличность, но существующие прототипы выдерживают только сотню циклов зарядки.
Интересной и уникальной особенностью калий-ионных батарей по сравнению с другими типами батарей является то, что срок службы Планета так или иначе основана на биологических калий-ионных батареях. K является основным носителем заряда в растениях. Циркуляция ионов K способствует накоплению энергии в растениях за счет образования децентрализованных калиевых батарей. Это не только знаковая особенность калий-ионных аккумуляторов, но также указывает на то, насколько важно понимать роль носителей заряда K для понимания механизма жизни растений.
Исследователи продемонстрировали калиево-воздушную батарею (K-O2) с низким перенапряжением. Его потенциальный зазор заряда / разряда около 50 мВ - это самое низкое значение для металло-воздушных батарей. 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 дает 60% КПД в оба конца.
