Una batería de iones de potasio o una batería de iones K (abreviada como KIB ) es un tipo de batería y análoga a las baterías de iones de litio , que utiliza iones de potasio para la transferencia de carga en lugar de iones de litio. Fue inventado por el químico iraní / estadounidense Ali Eftekhari (presidente de la American Nano Society) en 2004. [1]
Prototipo
El dispositivo prototipo utilizó un ánodo de potasio y un compuesto de azul de Prusia como material del cátodo [1] por su alta estabilidad electroquímica. [2] El prototipo se utilizó con éxito durante más de 500 ciclos. Una revisión reciente mostró actualmente que varios materiales pragmáticos se han utilizado con éxito como ánodo y cátodo para las nuevas generaciones de baterías de iones de potasio. [3] Por ejemplo, se ha demostrado que el grafito de material de ánodo convencional se puede utilizar como ánodo en una batería de iones de potasio. [4]
Materiales
Después de la invención de la batería de iones de potasio con el dispositivo prototipo, los investigadores se han centrado cada vez más en mejorar la capacidad específica y el rendimiento cíclico con la aplicación de nuevos materiales a los electrodos y electrolitos. Se puede encontrar una imagen general del material utilizado para la batería de iones de potasio de la siguiente manera:
Ánodos: al igual que en el caso de la batería de iones de litio, el grafito también podría acomodar la intercalación de potasio dentro del proceso electroquímico. [5] Mientras que con diferentes cinéticas, los ánodos de grafito sufren de baja retención de capacidad durante el ciclo dentro de las baterías de iones de potasio. Por lo tanto, se necesita el enfoque de la ingeniería estructural del ánodo de grafito para lograr un rendimiento estable. Se han empleado otros tipos de materiales carbonosos además del grafito como material de ánodo para baterías de iones de potasio, como grafito expandido, nanotubos de carbono, nanofibras de carbono y también materiales de carbono dopados con nitrógeno o fósforo. [6] Los ánodos de conversión que pueden formar compuestos con iones de potasio con capacidad de almacenamiento aumentada y reversibilidad también se han estudiado para adaptarse a la batería de iones de potasio. Para amortiguar el cambio de volumen del ánodo de conversión, siempre se aplica una matriz de material de carbono como MoS 2 @rGO, Sb 2 S 3 -SNG, SnS 2 -rGO y así sucesivamente. [7] [8] Los ánodos de aleación clásicos como Si, Sb y Sn que pueden formar una aleación con iones de litio durante el proceso de ciclo también son aplicables para baterías de iones de potasio. Entre ellos, Sb es el candidato más prometedor debido a su bajo costo y la capacidad teórica de hasta 660 mAh g −1 . [9] También se están desarrollando otros compuestos orgánicos para lograr una fuerte resistencia mecánica y mantener un rendimiento decente. [10]
Cátodos: además del cátodo azul de Prusia original y sus análogos, las investigaciones sobre la parte del cátodo de la batería de iones de potasio se centran en la ingeniería de nanoestructuras e iónicos sólidos. Se ha demostrado que una serie de óxido de metal de transición de potasio, como K 0,3 MnO 2 , K 0,55 CoO 2 , es un material de cátodo con una estructura en capas. [11] Los compuestos polianiónicos con defectos inductivos podrían proporcionar el voltaje de trabajo más alto entre otros tipos de cátodos para baterías de iones de potasio. Durante el proceso de ciclo electroquímico, su estructura cristalina se distorsionará para crear más defectos inducidos por la inserción del ión potasio. Recham et al demostraron por primera vez que los fluorosulfatos tienen un mecanismo de intercalación reversible con K, Na y Li, desde entonces, se han estudiado otros compuestos polianiónicos como K 3 V 2 (PO 4 ) 3 , KVPO 4 F, aunque todavía se limitan al complejo proceso de síntesis. [12] [13] Vale la pena señalar un enfoque ortodoxo de usar un compuesto orgánico como cátodo para la batería de iones de potasio, como PTCDA, un pigmento rojo que puede unirse con el ión de potasio 11 en una sola molécula. [14]
Electrolitos: debido a la actividad química más alta que el litio, los electrolitos para baterías de iones de potasio requieren una ingeniería más delicada para abordar los problemas de seguridad. El carbonato de etileno (EC) y el carbonato de dietilo (DEC) comerciales u otros electrolitos líquidos tradicionales de éter / éster mostraron un rendimiento cíclico deficiente y una rápida degradación de la capacidad debido a la acidez de Lewis del potasio; además, su característica altamente inflamable ha impedido una aplicación posterior. El electrolito líquido iónico ofrece una nueva forma de expandir la ventana electroquímica de la batería de iones de potasio con mucho voltaje redox negativo y es especialmente estable con ánodo de grafito. [15] Recientemente, el electrolito de polímero sólido para baterías de iones de potasio de estado sólido ha atraído mucha atención debido a su flexibilidad y seguridad mejorada, Feng et al propusieron un electrolito de polímero sólido de poli (carbonato de propileno) -KFSI con el marco de membrana no tejida de celulosa, con conductividad iónica potenciada de 1,3610 −5 S cm −1 . [16] La investigación sobre electrolitos para baterías de iones de potasio se centra en lograr una cinética de difusión de iones rápida, una formación estable de SEI y una mayor seguridad.
Ventajas
Junto con el ion sodio , el ion potasio es el principal candidato de reemplazo químico para las baterías de iones de litio. [17] El ion de potasio tiene ciertas ventajas sobre el ion de litio similar (por ejemplo, baterías de ion de litio): el diseño de la celda es simple y tanto el material como los procedimientos de fabricación son más baratos. La ventaja clave es la abundancia y el bajo costo del potasio en comparación con el litio, lo que hace que las baterías de potasio sean un candidato prometedor para baterías a gran escala, como el almacenamiento de energía doméstico y los vehículos eléctricos. [18] Otra ventaja de la batería de iones de potasio sobre la batería de iones de litio es la posibilidad de cargarse más rápido. [19]
El prototipo empleó un KBF
4electrolito, aunque se pueden usar casi todas las sales de electrolitos comunes. Además, también se ha informado recientemente que los líquidos iónicos son electrolitos estables con una amplia ventana electroquímica. [20] [21] El coeficiente de difusión química de K+
en la celda es mayor que la de Li+
en baterías de litio, debido a un radio de Stokes más pequeño de K solvatado+
. Dado que el potencial electroquímico de K+
es idéntica a la de Li+
, el potencial de la celda es similar al de iones de litio. Las baterías de potasio pueden aceptar una amplia gama de materiales de cátodo que pueden ofrecer recargabilidad a un costo más bajo. Una ventaja notable es la disponibilidad de grafito de potasio , que se utiliza como material de ánodo en algunas baterías de iones de litio. Su estructura estable garantiza una intercalación / desintercalación reversible de iones de potasio bajo carga / descarga.
Aplicaciones
En 2005, una batería de potasio que usa electrolito fundido de KPF
6fue patentado. [22] [23] En 2007, la empresa china Starsway Electronics comercializó el primer reproductor multimedia portátil a pilas de potasio como dispositivo de alta energía. [24]
Se han propuesto baterías de potasio para el almacenamiento de energía a gran escala dada su excepcional capacidad de ciclo, pero los prototipos actuales solo resisten cien ciclos de carga. [25] [26] [27]
Batería biológica de potasio
La característica interesante y única de la batería de iones de potasio en comparación con otros tipos de baterías es que la vida en el planeta se basa de alguna manera en baterías biológicas de iones de potasio. K + es el portador de carga clave en las plantas. La circulación de iones K + facilita el almacenamiento de energía en las plantas al formar baterías de potasio descentralizadas. [28] Esta no es solo una característica icónica de las baterías de iones de potasio, sino que también indica la importancia de comprender el papel de los portadores de carga de K + para comprender el mecanismo de vida de las plantas.
Otras baterías de potasio
Los investigadores demostraron una batería de potasio-aire (K-O2) con bajo sobrepotencial. Su brecha de potencial de carga / descarga de aproximadamente 50 mV es el valor más bajo reportado en baterías de metal-aire . Esto proporciona una eficiencia energética de ida y vuelta de> 95%. En comparación, las baterías de litio-aire (Li-O2) tienen un sobrepotencial mucho más alto de 1–1,5 V, lo que da como resultado una eficiencia de ida y vuelta del 60%. [29]
Ver también
- Lista de tipos de baterías
- Batería de litio-aire
- Batería de iones de litio de película fina
- Batería de iones de metal alcalino
- Batería de iones de litio
- Batería de iones de sodio
- Batería de iones de potasio
Referencias
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enlaces externos
- La nueva tecnología de baterías podría proporcionar almacenamiento de energía a gran escala para la red