İçeriğe atla

Potasyum-iyon pil

Vikipedi, özgür ansiklopedi

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.[1]

Prototip

[değiştir | kaynağı değiştir]

Prototip üretim, bir potasyum anot ve elektrokimyasal olarak yüksek kararlı bir katot malzemesi[1] olan Prusya mavisi bileşiği kullanmıştır.[2] 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.[3] Örneğin, geleneksel anot malzemesi olan grafitin bir potasyum-iyon pilinde anot olarak kullanılabileceği gösterilmiştir.[4]

Malzemeler

[değiştir | kaynağı değiştir]

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

[değiştir | kaynağı değiştir]

Lityum-iyon pilde olduğu gibi grafit elektrokimyasal sürece potasyumun eklenmesini olanaklı kılabilir.[5] 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.[6] 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:MoS
2@rGO, Sb
2S
3-SNG, SnS
2-rGO vb.[7][8] 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.[9] Diğer organik bileşikler de, iyi bir performansın sürdürülmesinin yanı sıra güçlü mekanik mukavemet elde etmek için geliştirilmektedir.[10]

Katotlar

[değiştir | kaynağı değiştir]

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 K
0.3MnO
2, K
0.55CoO
2 gibi bir dizi potasyum oksit geçiş metali katot malzemesi olarak gösterilmiştir.[11] 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 K
3V
2(PO
4)
3, KVPO
4F karmaşık sentez işlemiyle sınırlı olmakla birlikte incelenmiştir.[12][13] Kayda değer bir yaklaşım tek molekül içinde 11 potasyum iyonu bağlayabilen, kırmızı organik bir pigment olan PTCDA nın kullanımıdır.[14]

Elektrolitler

[değiştir | kaynağı değiştir]

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.[15] 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.[16] Potasyum-iyon pil için elektrolit araştırması, hızlı iyon difüzyon kinetiği, kararlı SEI oluşumu ve ayrıca gelişmiş güvenlik elde etmeye odaklanıyor.

Avantajlar

[değiştir | kaynağı değiştir]

Sodyum iyonu ile birlikte potasyum iyonu, lityum iyon piller için en önemli kimyasal ikame adayıdır.[17] 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.[18] Potasyum iyon pilin lityum iyon pillere göre bir diğer avantajı da potansiyel olarak daha hızlı şarj olmasıdır.[19]

Prototip bir KBF
4 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.[20][21] Hücredeki  K+'nın kimyasal difüzyon katsayısı, solvatlanmış  K+'nın Stokes yarıçapının daha küçük olması nedeniyle lityum pillerdeki Li+'nınkinden daha yüksektir. K Elektrokimyasal potansiyeli Li+
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.

Ayrıca bakınız

[değiştir | kaynağı değiştir]

Kaynakça

[değiştir | kaynağı değiştir]
  1. ^ a b Eftekhari (2004). "Potassium secondary cell based on Prussian blue cathode". Journal of Power Sources. 126 (1): 221-228. doi:10.1016/j.jpowsour.2003.08.007. 
  2. ^ Itaya (1982). "Spectroelectrochemistry and electrochemical preparation method of Prussian Blue modified electrodes". Journal of the American Chemical Society. 104 (18): 4767. doi:10.1021/ja00382a006. 
  3. ^ Eftekhari (2017). "Potassium Secondary Batteries". ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (5): 4404-4419. doi:10.1021/acsami.6b07989. PMID 27714999. 
  4. ^ Luo (2015). "Potassium Ion Batteries with Graphitic Materials". Nano Letters. 15 (11): 7671-7. doi:10.1021/acs.nanolett.5b03667. PMID 26509225. 
  5. ^ Jian (16 Eylül 2015). "Carbon Electrodes for K-Ion Batteries". Journal of the American Chemical Society. 137 (36): 11566-11569. doi:10.1021/jacs.5b06809. ISSN 0002-7863. PMID 26333059. 
  6. ^ Hwang (2018). "Recent Progress in Rechargeable Potassium Batteries". Advanced Functional Materials (İngilizce). 28 (43): 1802938. doi:10.1002/adfm.201802938. ISSN 1616-3028. 
  7. ^ Eftekhari (8 Şubat 2017). "Potassium Secondary Batteries". ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (5): 4404-4419. doi:10.1021/acsami.6b07989. ISSN 1944-8244. PMID 27714999. 
  8. ^ Tian (13 Mart 2019). "Flexible and Freestanding Silicon/MXene Composite Papers for High-Performance Lithium-Ion Batteries". ACS Applied Materials & Interfaces. 11 (10): 10004-10011. doi:10.1021/acsami.8b21893. ISSN 1944-8244. PMID 30775905. 
  9. ^ An (26 Aralık 2018). "Micron-Sized Nanoporous Antimony with Tunable Porosity for High-Performance Potassium-Ion Batteries". ACS Nano. 12 (12): 12932-12940. doi:10.1021/acsnano.8b08740. ISSN 1936-0851. PMID 30481455. 
  10. ^ Chen (26 Mart 2019). "Few-Layered Boronic Ester Based Covalent Organic Frameworks/Carbon Nanotube Composites for High-Performance K-Organic Batteries". ACS Nano. 13 (3): 3600-3607. doi:10.1021/acsnano.9b00165. ISSN 1936-0851. PMID 30807104. 
  11. ^ Pramudita (2017). "An Initial Review of the Status of Electrode Materials for Potassium-Ion Batteries". Advanced Energy Materials (İngilizce). 7 (24): 1602911. doi:10.1002/aenm.201602911. ISSN 1614-6840. 
  12. ^ Recham (27 Kasım 2012). "Preparation and Characterization of a Stable FeSO4F-Based Framework for Alkali Ion Insertion Electrodes". Chemistry of Materials. 24 (22): 4363-4370. doi:10.1021/cm302428w. ISSN 0897-4756. 
  13. ^ "AVPO4F (A = Li, K): A 4 V Cathode Material for High-Power Rechargeable Batteries". Chemistry of Materials. 28 (2): 411-415. 2016. doi:10.1021/acs.chemmater.5b04065.  Birden fazla yazar-name-list parameters kullanıldı (yardım); Yazar |ad1= eksik |soyadı1= (yardım)
  14. ^ Chen (1 Kasım 2015). "Organic electrode for non-aqueous potassium-ion batteries". Nano Energy. 18: 205-211. doi:10.1016/j.nanoen.2015.10.015. ISSN 2211-2855. 
  15. ^ Beltrop (2017). "Alternative electrochemical energy storage: potassium-based dual-graphite batteries". Energy & Environmental Science (İngilizce). 10 (10): 2090-2094. doi:10.1039/C7EE01535F. ISSN 1754-5692. 
  16. ^ Fei (30 Eylül 2018). "Stable all-solid-state potassium battery operating at room temperature with a composite polymer electrolyte and a sustainable organic cathode". Journal of Power Sources. 399: 294-298. doi:10.1016/j.jpowsour.2018.07.124. ISSN 0378-7753. 
  17. ^ "New battery concept: potassium instead of lithium". 8 Ekim 2015. 11 Ekim 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. 
  18. ^ "High-Capacity Aqueous Potassium-Ion Batteries for Large-Scale Energy Storage". 2 Aralık 2016. 11 Mayıs 2017 tarihinde kaynağından arşivlendi. 
  19. ^ "Potassium Ions Charge Li Batteries Faster". 20 Ocak 2017. 26 Ocak 2017 tarihinde kaynağından arşivlendi. 
  20. ^ Yamamoto (7 Ağustos 2017). "Physicochemical and Electrochemical Properties of K[N(SO2F)2]–[N-Methyl-N-propylpyrrolidinium][N(SO2F)2] Ionic Liquids for Potassium-Ion Batteries". The Journal of Physical Chemistry C. 121 (34): 18450-18458. doi:10.1021/acs.jpcc.7b06523. 
  21. ^ Masese (20 Eylül 2018). "Rechargeable potassium-ion batteries with honeycomb-layered tellurates as high voltage cathodes and fast potassium-ion conductors". Nature Communications. 9 (1): 3823. doi:10.1038/s41467-018-06343-6. PMC 6147795 $2. PMID 30237549. 
"https://tr.wikipedia.org/w/index.php?title=Potasyum-iyon_pil&oldid=34409035" sayfasından alınmıştır