칼륨 이온 전지

칼륨 이온 전지() 또는 K-이온 전지(, 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.

 역사 
시제품 장치는 칼륨 애노드와 프러시안 블루 화합물을 캐소드 재료로 사용했는데, 이는 높은 전기화학적 안정성 때문이다. 이 시제품은 500회 이상 성공적으로 사용되었다. 최근 연구에 따르면 현재 여러 실용적인 재료들이 차세대 칼륨 이온 전지의 애노드와 캐소드로 성공적으로 사용되고 있다. 예를 들어, 기존의 애노드 재료인 흑연은 칼륨 이온 전지의 애노드로 사용될 수 있음이 입증되었다.

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. , 와 같은 일련의 칼륨 전이 금속 산화물이 층상 구조를 가진 캐소드 재료로 입증되었다. 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 , 와 같은 다른 다이음이온 화합물들이 연구되었지만 여전히 복잡한 합성 과정에 국한되었다. 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. 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. 다른 유기 화합물들도 강한 기계적 강도를 달성하고 괜찮은 성능을 유지하기 위해 개발되고 있다.

 애노드 
리튬 이온 전지의 경우와 마찬가지로, 흑연도 전기화학 공정 내에서 칼륨의 삽입을 수용할 수 있다. 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. 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 , ,  등과 같은 탄소 재료 매트릭스가 적용된다.

 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. 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 1.3610−5 S cm−1의 이온 전도도를 높였다. 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. 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. 리튬 이온 전지에 비해 칼륨 이온 전지의 또 다른 장점은 잠재적으로 더 빠른 충전 속도이다.

프로토타입은  전해질을 사용했지만, 거의 모든 일반적인 전해질 염을 사용할 수 있다. 또한, 이온성 액체는 넓은 전기화학적 창을 가진 안정적인 전해질로 최근 보고되었다. 전지 내 의 화학적 확산 계수는 용매화된 의 더 작은 스토크스 반지름으로 인해 리튬 전지의 보다 높다. 의 전기화학적 전위가 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 을 사용하는 칼륨 전지가 특허를 받았다. 2007년에는 중국 기업 스타즈웨이 일렉트로닉스(Starsway Electronics)가 고에너지 장치로 칼륨 전지 구동 포터블 미디어 플레이어를 출시했다.

칼륨 전지는 뛰어난 사이클링 안정성을 고려할 때 대규모 에너지 저장에 제안되었지만, 현재의 시제품은 수백 번의 충전 사이클만 견딜 수 있다.

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.

 생물학적 칼륨 전지 
다른 유형의 전지와 비교할 때 칼륨 이온 전지의 흥미롭고 독특한 특징은 지구상의 생명체가 생물학적 칼륨 이온 전지를 기반으로 한다는 것이다. 는 식물에서 핵심적인 전하 운반체이다.  이온의 순환은 분산된 칼륨 전지를 형성하여 식물에서 에너지 저장을 용이하게 한다. 이것은 칼륨 이온 전지의 상징적인 특징일 뿐만 아니라 식물의 생활 메커니즘을 이해하는 데  전하 운반체의 역할이 얼마나 중요한지를 나타낸다.

 다른 칼륨 전지 
연구원들은 낮은 과전압을 가진 칼륨-공기 전지()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()는 1~1.5 V의 훨씬 더 높은 과전압을 가지며, 이는 60%의 왕복 효율을 초래한다.

 같이 보기 
 배터리 종류 목록
 리튬공기전지
 박막 리튬 이온 배터리
알칼리 금속 이온 전지
 리튬 이온 전지
 소듐 이온 전지
칼륨 이온 전지
 칼슘 전지

 각주 

 외부 링크 
 New Battery Technology Could Provide Large-Scale Energy Storage for the Grid

분류:칼륨