칼륨 이온 전지

**칼륨 이온 전지**(Potassium-ion battery) 또는 **K-이온 전지**(K-ion battery, 줄여서 **KIB**)는 리튬 이온 전지와 유사한 전지의 일종으로, 리튬 이온 대신 칼륨 이온을 전하 전달에 사용한다. 이란/미국 화학자 알리 에프테하리(미국 나노 학회 회장)가 2004년에 발명했다. 3
# 역사
시제품 장치는 칼륨 애노드와 프러시안 블루 화합물을 캐소드 재료로 사용했는데,bibcode=2004JPS...126..221E 이는 높은 전기화학적 안정성 때문이다.bibcode=1982JAChS.104.4767I 이 시제품은 500회 이상 성공적으로 사용되었다. 최근 연구에 따르면 현재 여러 실용적인 재료들이 차세대 칼륨 이온 전지의 애노드와 캐소드로 성공적으로 사용되고 있다.bibcode=2017AAMI....9.4404E 예를 들어, 기존의 애노드 재료인 흑연은 칼륨 이온 전지의 애노드로 사용될 수 있음이 입증되었다.bibcode=2015NanoL..15.7671L 2024년, Group1은 캐소드용 크리스토나이트를 개발했다.
# 재료
칼륨 이온 전지가 시제품 장치와 함께 발명된 후, 연구자들은 전극(애노드 및 캐소드) 및 전해질에 새로운 재료를 적용하여 비용량 및 사이클링 성능을 향상시키는 데 점점 더 집중하고 있다. 칼륨 이온 전지에 사용되는 재료에 대한 일반적인 그림은 다음과 같다.
## 캐소드
원래의 프러시안 블루 캐소드와 그 유사체 외에도, 칼륨 이온 전지의 캐소드 부분에 대한 연구는 공학에 중점을 둔다. 크리스토나이트는 칼륨 프러시안 화이트(KPW) 재료 계열에 속하는 4V 캐소드 재료이다. 또 다른 나노구조 및 고체 이온 전도체가 나타났다. K0.3MnO2, K0.55CoO2와 같은 일련의 칼륨 전이 금속 산화물이 층상 구조를 가진 캐소드 재료로 입증되었다.bibcode=2017AdEnM...702911P 유도 결함을 가진 다이음이온 화합물은 칼륨 이온 전지용 캐소드 중 가장 높은 작동 전압을 제공할 수 있다. 전기화학 사이클링 과정에서 칼륨 이온이 삽입되면 결정 구조가 왜곡되어 더 많은 유도 결함이 생성된다. 레샴 외 연구진은 플루오르황산염이 K, Na, Li와 가역적 삽입 메커니즘을 가짐을 처음으로 입증했으며, 그 이후 K3V2(PO4)3, KVPO4F와 같은 다른 다이음이온 화합물들이 연구되었지만 여전히 복잡한 합성 과정에 국한되었다.url-access=subscriptionhdl-access=free 주목할 만한 점은 PTCDA와 같은 유기 화합물을 칼륨 이온 전지의 캐소드로 사용하는 정통적인 접근 방식인데, PTCDA는 단일 분자 내에 11개의 칼륨 이온과 결합할 수 있는 붉은색 안료이다.issn=2211-2855 사이클링 과정에서 리튬 이온과 합금을 형성할 수 있는 Si, Sb, Sn과 같은 고전적인 합금 애노드도 칼륨 이온 전지에 적용 가능하다. 그중 Sb는 낮은 비용과 최대 660 mAh g−1의 이론 용량으로 인해 가장 유망한 후보이다.issn=1936-0851 다른 유기 화합물들도 강한 기계적 강도를 달성하고 괜찮은 성능을 유지하기 위해 개발되고 있다.issn=1936-0851
## 애노드
리튬 이온 전지의 경우와 마찬가지로, 흑연도 전기화학 공정 내에서 칼륨의 삽입을 수용할 수 있다.issn=0002-7863 그러나 다른 운동학적 특성으로 인해 흑연 애노드는 칼륨 이온 전지 내에서 사이클링 중 낮은 용량 유지율로 고통받는다. 따라서 안정적인 성능을 달성하기 위해 흑연 애노드의 구조 공학적 접근 방식이 필요하다. 흑연 외의 다른 탄소 재료(확장 흑연, 탄소 나노튜브, 탄소 나노섬유 및 질소 또는 인 도핑된 탄소 재료 등)도 칼륨 이온 전지의 애노드 재료로 사용되었다.issn=1616-3028 칼륨 이온 전지에 적합하도록 저장 용량과 가역성을 향상시키기 위해 칼륨 이온과 화합물을 형성할 수 있는 전환 애노드도 연구되었다. 전환 애노드의 부피 변화를 완충하기 위해 항상 MoS2@rGO, Sb2S3\\-SNG, SnS2\\-rGO 등과 같은 탄소 재료 매트릭스가 적용된다.issn=1944-8244
## 전해질
리튬보다 화학 활동성이 높기 때문에 칼륨 이온 전지용 전해질은 안전 문제를 해결하기 위해 더욱 섬세한 공학 기술을 필요로 한다. 상업용 에틸렌 카보네이트(EC) 및 디에틸 카보네이트(DEC) 또는 기타 전통적인 에테르/에스터 액체 전해질은 칼륨의 루이스 산성으로 인해 사이클링 성능이 좋지 않고 빠른 용량 저하를 보였으며, 높은 인화성 특징은 추가적인 적용을 막았다. 이온성 액체 전해질은 훨씬 더 음의 산화 환원 전압으로 칼륨 이온 전지의 전기화학적 창을 확장하는 새로운 방법을 제공하며, 특히 흑연 애노드와 안정적이다.issn=1754-5692 최근에는 유연성과 향상된 안전성으로 인해 전고체 칼륨 이온 전지용 고체 고분자 전해질이 많은 주목을 받고 있으며, 펭(Feng) 등은 셀룰로스 부직포 멤브레인 골격을 가진 폴리프로필렌 카보네이트-KFSI 고체 고분자 전해질을 제안하여 1.36\times10−5 S cm−1의 이온 전도도를 높였다.issn=0378-7753 칼륨 이온 전지용 전해질 연구는 빠른 이온 확산 동역학, 안정적인 SEI 형성 및 향상된 안전성 달성에 중점을 둔다.
# 장점
소듐 이온 전지와 함께 칼륨 이온은 리튬 이온 전지를 대체할 주요 화학 물질 후보이다.url=http://www.sunwindenergy.com/review/new-battery-concept-potassium-instead-lithium 칼륨 이온은 유사한 리튬 이온(예: 리튬 이온 전지)에 비해 몇 가지 장점이 있다. 셀 설계가 간단하고 재료 및 제조 절차가 모두 저렴하다. 핵심적인 장점은 리튬에 비해 칼륨의 풍부함과 저렴한 비용으로, 칼륨 전지는 가정용 에너지 저장 및 전기 자동차와 같은 대규모 전지용으로 유망한 후보가 된다.url=https://www.advancedsciencenews.com/high-capacity-aqueous-potassium-ion-batteries-for-large-scale-energy-storage/ 리튬 이온 전지에 비해 칼륨 이온 전지의 또 다른 장점은 잠재적으로 더 빠른 충전 속도이다.url=http://www.upsbatterycenter.com/blog/potassium-ions-charge-li-batteries-faster/ 프로토타입은 link=칼륨 테트라플루오로붕산염 전해질을 사용했지만, 거의 모든 일반적인 전해질 염을 사용할 수 있다. 또한, 이온성 액체는 넓은 전기화학적 창을 가진 안정적인 전해질로 최근 보고되었다.hdl-access=freebibcode=2018NatCo...9.3823M 전지 내 K+의 화학적 확산 계수는 용매화된 K+의 더 작은 스토크스 반지름으로 인해 리튬 전지의 Li+보다 높다. K+의 전기화학적 전위가 Li+의 전기화학적 전위와 동일하기 때문에 전지 전위는 리튬 이온 전지와 유사하다. 칼륨 전지는 재충전 가능성을 제공하는 저렴한 캐소드 재료를 광범위하게 수용할 수 있다. 한 가지 주목할 만한 장점은 일부 리튬 이온 전지에서 애노드 재료로 사용되는 칼륨 흑연의 가용성이다. 그 안정적인 구조는 충전/방전 시 칼륨 이온의 가역적인 삽입/탈삽입을 보장한다.
# 응용
2005년, 용융 전해질 link=칼륨 헥사플루오로인산염을 사용하는 칼륨 전지가 특허를 받았다.Ramasubramanian, M; Spotnitz, RMLi, W; Kohoma, K; Armand, M; Perron, G 2007년에는 중국 기업 스타즈웨이 일렉트로닉스(Starsway Electronics)가 고에너지 장치로 칼륨 전지 구동 포터블 미디어 플레이어를 출시했다.accessdate=2011-09-16 칼륨 전지는 뛰어난 사이클링 안정성을 고려할 때 대규모 에너지 저장에 제안되었지만, 현재의 시제품은 수백 번의 충전 사이클만 견딜 수 있다.url=https://spectrum.ieee.org/new-battery-technology-could-provide-largescale-energy-storage-for-the-gridurl=https://phys.org/news/2011-11-battery-electrodes-grid-storage.htmllanguage=en 2019년 K-이온 전지 기술의 광범위한 사용을 막는 다섯 가지 주요 문제는 다음과 같다. 고체 전극을 통한 칼륨 이온의 낮은 확산 속도, 반복적인 사이클 후 부피 변화로 인한 칼륨의 분해, 부반응, 덴드라이트 성장 및 열악한 열 방출이다. 연구원들은 이러한 모든 문제를 해결하는 데 최대 20년이 걸릴 수 있다고 추정한다.language=enbibcode=2019SciA....5.7412Z
# 생물학적 칼륨 전지
다른 유형의 전지와 비교할 때 칼륨 이온 전지의 흥미롭고 독특한 특징은 지구상의 생명체가 생물학적 칼륨 이온 전지를 기반으로 한다는 것이다. K+는 식물에서 핵심적인 전하 운반체이다. K+ 이온의 순환은 분산된 칼륨 전지를 형성하여 식물에서 에너지 저장을 용이하게 한다.doi-access=free 이것은 칼륨 이온 전지의 상징적인 특징일 뿐만 아니라 식물의 생활 메커니즘을 이해하는 데 K+ 전하 운반체의 역할이 얼마나 중요한지를 나타낸다.
# 다른 칼륨 전지
연구원들은 낮은 과전압을 가진 칼륨-공기 전지(K\\-O2)를 시연했다. 충방전 전압 차이는 약 50 mV로, 금속-공기 전지에서 보고된 가장 낮은 값이다. 이는 95% 이상의 왕복 에너지 효율을 제공한다. 이에 비해 리튬공기전지(Li\\-O2)는 1~1.5 V의 훨씬 더 높은 과전압을 가지며, 이는 60%의 왕복 효율을 초래한다.bibcode= 2013JAChS.135.2923R