İçeriğe atla

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.[1]

Prototip

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

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.[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

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

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

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

Kaynakça

  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. 

İlgili Araştırma Makaleleri

Katodik koruma, bir tür metal koruma metodu.

<span class="mw-page-title-main">Lityum</span> sembolü Li atom numarası 3 olan kimyasal element

Lityum, sembolü Li atom numarası 3 olan kimyasal elementtir. Periyodik tabloda 1. grupta alkali metal olarak bulunur ve yoğunluğu en düşük olan metaldir. Lityum, yüksek reaktifliğinden dolayı doğada saf hâlde bulunmaz. Yumuşak ve gümüşümsü beyaz metaldir. Havada bulunan oksijenle reaksiyona giren lityum, lityum oksit (Li2O) oluşturur. Bu oksitlenme reaksiyonunu engellemek için yağ içinde saklanır. Hava ve su tarafından hızlı bir şekilde oksitlenip kararır ve lekelenir. Lityum metali doldurulabilir pillerde (örnek olarak cep telefonu ve kamera pili) ve ağırlığa yüksek direniş göstermesi sebebiyle alaşım olarak hava taşıtlarında kullanılır. Li+ iyonunun nörolojik etkilerinden dolayı, lityumlu bileşikler farmakolojik olarak sakinleştiricilerde kullanılır.

<span class="mw-page-title-main">Lityum iyon pil</span> şarj edilebilir pil türü

Bir lityum-iyon veya Li-iyon pil, enerji depolamak için lityum iyonlarının tersine çevrilebilir indirgemesini kullanan şarj edilebilir pil türüdür. Geleneksel lityum iyon pilinin anodu genelde karbon'dan yapılan grafit'tir. Katot genellikle metal oksit'tir. Elektrolit genelde bir organik çözücü içindeki lityum tuz'udur.

Elektrokimya, kimya biliminin bir alt dalı olup elektronik bir iletken ile iyonik bir iletken (elektrolit) arayüzeyinde gerçekleşen reaksiyonları inceler. Elektrokimyada amaç kimyasal enerji ve elektrik enerjisi arasındaki değişimi incelemektir.

Alüminyum-hava pilleri, havadaki oksijenin alüminyum ile reaksiyonundan elektrik üretir. Tüm piller arasında en yüksek enerji yoğunluklarından birine sahiptirler, ancak yüksek anot maliyeti ve geleneksel elektrolitler kullanılırken çıkan yan ürün sorunları nedeniyle yaygın olarak kullanılmazlar. Bu durum, kullanımlarını esas olarak askeri uygulamalarla sınırlamıştır. Bununla birlikte, alüminyum pillere sahip bir elektrikli araç, bir lityum iyon pilin menzilinin sekiz katına kadar potansiyele sahiptir.

<span class="mw-page-title-main">Süper kapasitör</span> Elektronik

Bir süper kapasitör (SC), bazen ultracapacitor, olarak bilinir ve yüksek kapasiteli bir elektrokimyakapasitorü ile kapasitans değerleri 10.000’de = 1.2 volt köprü boşluğu arasında elektrolitik kapasitörler ve piller ile şarj edilebilir. Onlar genellikle birim hacim başına 10 ila 100 kat daha fazla enerji veya elektrolitik kapasitörler daha kütle mağaza, kabul ve şarj çok daha hızlı pil vermekle kalmaz ve çok daha fazla şarj ve şarj edilebilir pillere göre daha fazla yükleme ve boşaltma yapabilir. Ancak belirli şartlar altında geleneksel pillere göre 10 kat daha büyüktür.

<span class="mw-page-title-main">Lityum polimer pil</span> Polimer elektrolit kullanılan Lityum-iyon pil

Lityum polimer pil veya daha doğrusu lityum-iyon polimer pil, sıvı elektrolit yerine jel polimer elektrolit kullanan, lityum-iyon teknolojisine sahip şarj edilebilir bir pildir. Bu piller, diğer lityum pil türlerinden daha yüksek özgül enerji sağlar ve mobil cihazlar, radyo kontrollü uçaklar ve bazı elektrikli araçlar gibi ağırlığın kritik bir özellik olduğu uygulamalarda kullanılır.

<span class="mw-page-title-main">Cıva pil</span>

Cıva pil şarj edilemeyen bir elektrokimyasal pil, birincil bir pildir. Cıva pilleri, alkalin bir elektrolit içinde merkürik oksit ile çinko elektrotları arasında bir reaksiyon kullanır. Deşarj sırasındaki voltaj 1.35 Volt'ta pratik olarak sabit kalır ve kapasitesi benzer şekilde boyutlandırılmış çinko karbon pilinden daha fazladır. Cıva pilleri saatler, işitme cihazları, kameralar ve hesap makineleri için düğme pilleri biçiminde ve diğer uygulamalar için daha büyük formlarda kullanıldı.

<span class="mw-page-title-main">Kuru pil</span> Kuru Pil

Kuru pil taşınabilir elektrikli cihazlar için yaygın olarak kullanılan bir pil türüdür. 1886'da Alman bilim insanı Carl Gassner tarafından geliştirildi.

<span class="mw-page-title-main">Akira Yoshino</span>

Akira Yoshino, Nobel Kimya Ödüllü Japon kimyagerdir. Asahi Kasei şirketinin bir çalışanı ve Nagoya'daki Meijo Üniversitesi'nde profesördür. Dünyada ilk defa olarak cep telefonları ve dizüstü bilgisayarlarda kullanılacak olan güvenli, üretilebilir lityum iyon pili icat etti. Yoshino, 2019 yılında M. Stanley Whittingham ve John B.Goodenough ile Nobel Kimya Ödülü'ne layık görüldü.

Katı hal pili, lityum iyon veya lityum polimer pillerde bulunan sıvı veya polimer jel elektrolitler yerine katı elektrolit kullanan bir pil teknolojisidir.

Sodyum iyon pil, elektirik yükü taşıyıcıları olarak sodyum iyonlarını kullanan şarj edilebilir pildir. Çalışma prensibi ve hücre yapısı, lityum iyon pil (LIB) türleri ile benzerdir, ancak lityum yerine sodyum kullanılır. SIB'ler, eşitsiz coğrafi dağılım, yüksek çevresel etki ve lityumlu piller için gereken ancak sodyum-iyon pil türü için zorunlu olmayan lityum, kobalt, bakır ve nikel gibi birçok malzemenin yüksek maliyeti nedeniyle 2010'lar ve 2020'lerde ilgi gördü. Sodyum-iyon pillerin en büyük avantajı, sodyumun doğal bolluğudur. SIB'lerin benimsenmesine yönelik zorluklar, düşük enerji yoğunluğu ve yetersiz şarj-deşarj döngülerini içerir.

Lityum demir fosfat (LiFePO4 veya LFP pil (lityum ferrofosfat) pil; Katot olarak lityum demir fosfat (LiFePO4) ve anot olarak metalik arkalıklı bir grafit karbon kullanan bir lityum iyon pildir. Düşük maliyet, yüksek güvenlik, düşük toksisite, uzun döngü ömürleri ve diğer faktörler nedeniyle, LFP pilleri araç kullanımında, şebeke ölçeğinde yedek güç sistemlerinde yer bulmaktadır. LFP piller kobalt içermez. Eylül 2022 itibarıyla EV'ler için LFP tipi pilin pazar payı %31'e ulaştı ve bunun %68'i yalnızca Tesla ve Çinli EV üreticisi BYD üretiminden geldi. Çinli üreticiler şu anda LFP pil tipi üretiminde neredeyse tekele sahiptir. 2022'de patent sürelerinin dolmaya başlaması ve daha ucuz pillere olan talebin artmasıyla LFP tipi üretimin 2028'de lityum nikel manganez kobalt oksit (NMC) tipi pilleri geçecek şekilde artması bekleniyor.

Lityum nikel manganez kobalt oksitler (Li-NMC, LNMC veya NMC ), lityum, nikel, manganez ve kobaltın karışık metal oksitleridir. LiNixMnyCozO2 genel formülüne sahiptirler. En önemli temsilcileri, x + y + z'den oluşan geçiş metali sitesinde az miktarda 1'e yakın lityum bulunan bir bileşime sahiptir. Ticari NMC numunelerinde, bileşim tipik olarak < %5 fazladan lityum içerir. Bu gruptaki malzemeler yapısal olarak lityum kobalt(III) oksit (LiCoO2) ile yakından ilişkili katmanlı bir yapıya sahiptir ancak stokiyometride ideal bir Mn(IV), Co(III) ve Ni(II) 1:1:1 yük dağılımına sahiptir.

Alüminyum-iyon piller, alüminyum iyonlarının yük taşıyıcı olarak görev yaptığışarj edilebilir bir pil sınıfıdır. Alüminyum, iyon başına üç elektron değiştirebilir. Bu, bir Al3+ eklenmesinin üç Li+ iyonuna eşdeğer olduğu anlamına gelir. Bu nedenle, Al3+ (0,54 Å ) ve Li+ (0,76 Å) iyon yarıçapları benzer olduğundan, önemli ölçüde daha yüksek sayıda elektron ve Al3+ iyonları katotlar tarafından çok az hasarla kabul edilebilir. Al, Li'nin 50 katı (23,5 megavat-saat m-3) enerji yoğunluğuna sahiptir ve bu kömürden bile yüksektir.

Polimer bazlı pil, dökme metaller yerine organik malzemeler kullanır. Metal bazlı piller, sınırlı kaynaklar, olumsuz çevresel etki ve yaklaşan ilerleme sınırı nedeniyle zorluklar yaşamaktadır. Redoks aktif polimerler, sentezlenebilmeleri, kapasiteleri, esneklikleri, hafiflikleri, düşük maliyetleri ve düşük toksisiteleri nedeniyle cazip seçeneklerdir.

Lityum-sülfür pil bir tür şarj edilebilir pildir. Yüksek özgül enerjisi ile dikkat çekmektedir. Lityumun düşük atom ağırlığı ve kükürdün orta derecede atom ağırlığı, Li-S pillerin nispeten hafif olduğu anlamına gelir. Ağustos 2008'de Zephyr 6 tarafından en uzun ve en yüksek irtifa insansız güneş enerjisiyle çalışan uçak uçuşunda kullanıldılar.

Nanotop piller, karbon ve lityum demir fosfat gibi çeşitli malzemelerden oluşabilen nano boyutlu toplardan yapılmış katot veya anotlu deneysel bir pil türüdür. Nanoteknoloji kullanan piller, artırılmış yüzey alanları nedeniyle hızlı şarj ve deşarj gibi yüksek performansa izin pillerdir.

<span class="mw-page-title-main">Vanadyum redoks pili</span>

Vanadyum akış pili (VFB) veya vanadyum redoks akışlı pil (VRFB) olarak da bilinen bir tür şarj edilebilir akışlı pildir. Yük taşıyıcı olarak vanadyum iyonlarını kullanır. Pil, tek bir elektroaktif element içeren bir pil yapmak için vanadyumun dört farklı oksidasyon durumunda bir çözelti içinde var olma yeteneğini kullanır. Göreceli büyüklükleri de dahil olmak üzere çeşitli nedenlerle, vanadyum piller tipik olarak şebeke enerji depolaması için kullanılır, yani enerji santrallerine/elektrik şebekelerine takılır.

<span class="mw-page-title-main">Akış pili</span> Akış Bataryası

Akış pili veya redoks akış pili, bir zarın iki tarafında sistemden pompalanan sıvılarda çözünmüş iki kimyasal bileşen tarafından kimyasal enerjinin sağlandığı bir tür elektrokimyasal hücredir. Hücre içindeki iyon transferi, her iki sıvı da kendi ilgili alanlarında dolaşırken zar üzerinden gerçekleşir. Hücre voltajı kimyasal olarak Nernst denklemi ile belirlenir ve pratik uygulamalarda 1,0 ila 2,43 volt arasında değişir. Enerji kapasitesi elektrolit hacminin, güç elektrotların yüzey alanının bir fonksiyonudur.


Bu sayfa, bu Vikipedi makalesine dayanmaktadır.
Metin, CC BY-SA 4.0 lisansı altında mevcuttur; ek koşullar uygulanabilir.
Görseller, videolar ve sesler kendi lisansları altında mevcuttur.