Potasyum-iyon pil

Potasyum-iyon pil, şarj aktarımı için potasyum iyonları kullanan bir pil türüdür ve lityum-iyon pillere analogdur. 2004 yılında İranlı/Amerikalı kimyager Ali Eftekhari (Amerikan Nano Derneği Başkanı) tarafından icat edildi.
Prototip
Prototip üretim, bir potasyum anot ve elektrokimyasal olarak yüksek kararlı bir katot malzemesi olan Prusya mavisi bileşiği kullanmıştır. Prototip, 500'den fazla döngüde başarıyla kullanıldı. Son zamanlarda yapılan bir inceleme, şu anda birkaç pragmatik malzemenin yeni nesil potasyum-iyon piller için anot ve katot olarak başarıyla kullanıldığını gösterdi. Örneğin, geleneksel anot malzemesi olan grafitin bir potasyum-iyon pilinde anot olarak kullanılabileceği gösterilmiştir.
Malzemeler
Potasyum-iyon pilin icadından sonra araştırmacılar, elektrot ve elektrolite yeni malzemelerin uygulanmasıyla özgül kapasite ve döngü performansını artırmaya odaklandı. Potasyum-iyon pil için kullanılan malzemenin genel resmi şudur:
Anotlar
Lityum-iyon pilde olduğu gibi grafit elektrokimyasal sürece potasyumun eklenmesini olanaklı kılabilir. Ancak grafit anotlar düşük kapasite tutma sorunu yaşar. Bu nedenle, performans için grafit anodun yapı mühendisliği yaklaşımına ihtiyaç vardır. Grafitin yanı sıra, potasyum-iyon pil için anot malzemesi olarak grafitin yanı sıra genişletilmiş grafit, karbon nanotüpler, karbon nano lifler ve ayrıca nitrojen veya fosfor katkılı karbon malzemeler gibi başka karbonlu malzeme türleri de kullanılmıştır. Arttırılmış depolama kapasitesi ve tersine çevrilebilirlik ile potasyum iyonu ile bileşik oluşturabilen dönüştürme anotlarının da potasyum-iyon bataryaya uyması için çalışılmıştır. Dönüşüm anotunun hacim değişikliğini tamponlamak için, her zaman aşağıdaki gibi bir karbon malzeme matrisi uygulanır:, , vb. Döngü işlemi sırasında lityum iyon ile alaşım oluşturabilen Si, Sb ve Sn gibi klasik alaşım anotları da potasyum-iyon pil için geçerlidir. Bunların arasında Sb, düşük maliyeti ve 660' mAh g−1 a kadar teorik kapasitesi nedeniyle en umut verici adaydır. Diğer organik bileşikler de, iyi bir performansın sürdürülmesinin yanı sıra güçlü mekanik mukavemet elde etmek için geliştirilmektedir.
Katotlar
Orijinal Prusya mavisi katod ve analoglarının yanı sıra, potasyum iyon pilinin katot kısmı üzerine yapılan araştırmalar, nanoyapı ve katı iyonik mühendisliğine odaklanmaktadır. Katmanlı bir yapıya sahip, gibi bir dizi potasyum oksit geçiş metali katot malzemesi olarak gösterilmiştir. Endüktif kusurlara sahip polianyonik bileşikler, potasyum-iyon piller için diğer katot türleri arasında en yüksek çalışma voltajını sağlayabilir. Elektrokimyasal döngü sırasında, kristal yapısı, potasyum iyonunun eklenmesi üzerine daha fazla indüklenen kusurlar yaratacak şekilde bozulacaktır. Recham ve arkadaşları ilk önce florosülfatların K, Na ve Li ile tersine çevrilebilir bir interkalasyon mekanizmasına sahip olduğunu gösterdi, o zamandan beri diğer polianyonik bileşikler, örneğin, karmaşık sentez işlemiyle sınırlı olmakla birlikte incelenmiştir. Kayda değer bir yaklaşım tek molekül içinde 11 potasyum iyonu bağlayabilen, kırmızı organik bir pigment olan PTCDA nın kullanımıdır.
Elektrolitler
Potasyumun lityumdan daha yüksek kimyasal aktivitesi nedeniyle güvenlik endişelerini gidermek için elektrolitler daha hassas mühendislik gerektirir. Ticari etilen karbonat (EC) ve dietil karbonat (DEC) veya diğer geleneksel eter/ester sıvı elektrolitler potasyumun Lewis asitliği nedeniyle zayıf döngü performansı ve hızlı kapasite düşüşü gösterdi; ayrıca yüksek derecede yanıcı özelliği uygulama için fazladan bir engeldir. İyonik sıvı elektrolit, çok negatif redoks voltajı ile potasyum iyon pilinin elektrokimyasal penceresini genişletmek için yeni bir yol sunar ve özellikle grafit anot ile kararlıdır. Son zamanlarda, tamamen katı hal potasyum-iyon pil için katı polimer elektrolit, esnekliği ve gelişmiş güvenliği nedeniyle çok dikkat çekti; Feng ve diğerleri, 1,36 10−5 S cm−1 artırılmış iyonik iletkenliğe sahip, selüloz dokumasız membran çerçeve çalışmasına sahip bir poli (propilen karbonat)-KFSI katı polimer elektrolit önermiştir. Potasyum-iyon pil için elektrolit araştırması, hızlı iyon difüzyon kinetiği, kararlı SEI oluşumu ve ayrıca gelişmiş güvenlik elde etmeye odaklanıyor.
Avantajlar
Sodyum iyonu ile birlikte potasyum iyonu, lityum iyon piller için en önemli kimyasal ikame adayıdır. Potasyum iyonun lityum iyona göre bazı avantajları vardır: hücre tasarımı basittir ve hem malzeme hem de üretim prosedürleri daha ucuzdur. En önemli avantajı, enerji depolama için potasyum bolluğu ve düşük maliyetidir. Potasyum iyon pilin lityum iyon pillere göre bir diğer avantajı da potansiyel olarak daha hızlı şarj olmasıdır.
Prototip bir elektrolit kullanmış olmasına rağmen ancak hemen tüm yaygın elektrolit tuzları kullanılabilir. Ek olarak, son zamanlarda iyonik sıvıların da geniş bir elektrokimyasal pencereye sahip kararlı elektrolitler olduğu rapor edilmiştir. Hücredeki K+'nın kimyasal difüzyon katsayısı, solvatlanmış K+'nın Stokes yarıçapının daha küçük olması nedeniyle lityum pillerdeki Li+'nınkinden daha yüksektir. K Elektrokimyasal potansiyeli ile eşittir, hücre potansiyeli lityum iyonununkine benzer. Potasyum piller, daha düşük maliyetle şarj edilebilirlik sunabilen çok çeşitli katot malzemelerini kabul edebilir. Göze çarpan bir avantaj, bazı lityum-iyon pillerde anot malzemesi olarak kullanılan potasyum grafitin bulunmasıdır. Stabil yapısı, şarj/deşarj altında potasyum iyonlarının tersine çevrilebilir interkalasyonunu/deinterkalasyonunu garanti eder.