Una batería de iones de potasio o batería de iones de K (abreviada como KIB ) es un tipo de batería 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 Nano Society estadounidense) en 2004. [1]
El dispositivo prototipo utilizó un ánodo de potasio y un compuesto de azul de Prusia como material catódico [1] por su alta estabilidad electroquímica. [2] El prototipo se utilizó con éxito durante más de 500 ciclos. Una revisión reciente mostró que actualmente se han utilizado con éxito varios materiales pragmáticos como ánodo y cátodo para las nuevas generaciones de baterías de iones de potasio. [3] Por ejemplo, se ha demostrado que el material anódico convencional, el grafito , puede utilizarse como ánodo en una batería de iones de potasio. [4]
En 2024, el Grupo 1 creó Kristonite para el cátodo.
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 (ánodo y cátodo) y al electrolito .
A continuación se puede encontrar una imagen general del material utilizado para la batería de iones de potasio:
Además del cátodo azul de Prusia original y sus análogos, las investigaciones sobre el cátodo de la batería de iones de potasio se centran en la ingeniería.
La kristonita es un material catódico de 4 V, de la clase de los materiales de potasio blanco de Prusia (KPW).
Aparecieron otra nanoestructura e iones sólidos . Se ha demostrado que una serie de óxidos de metales de transición de potasio, como K 0,3 MnO 2 y K 0,55 CoO 2 , son materiales catódicos con una estructura en capas. [5] 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 tras la inserción del ion 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 limitados al complejo. proceso de síntesis. [6] [7] Vale la pena señalar un enfoque ortodoxo de utilizar compuestos orgánicos como cátodos para baterías de iones de potasio, como el PTCDA, un pigmento rojo que puede unirse con 11 iones de potasio dentro de una sola molécula. [8] 10011|doi=10.1021/acsami.8b21893|pmid=30775905|s2cid=73473174 |issn=1944-8244}}</ref> Ánodos de aleación clásicos como Si, Sb y Sn que pueden formar una aleación con iones de litio durante El proceso de ciclado también es aplicable a la batería de iones de potasio. Entre ellos, Sb es el candidato más prometedor debido a su bajo costo y su 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]
Al igual que en el caso de la batería de iones de litio, el grafito también podría acomodar la intercalación de potasio en el proceso electroquímico. [11] 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 ingeniería estructural del ánodo de grafito para lograr un rendimiento estable. Además del grafito, se han empleado otros tipos de materiales carbonosos como material anódico para baterías de iones de potasio, como por ejemplo grafito expandido, nanotubos de carbono, nanofibras de carbono y también materiales de carbono dopados con nitrógeno o fósforo. [12] También se han estudiado ánodos de conversión que pueden formar compuestos con iones de potasio con mayor capacidad de almacenamiento y reversibilidad para adaptarse a baterías 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 , etc. [13]
Debido a la actividad química superior a la del 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 de éter/éster tradicionales 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 mayor aplicación. El electrolito líquido iónico ofrece una nueva forma de ampliar la ventana electroquímica de una batería de iones de potasio con mucho voltaje redox negativo y es especialmente estable con ánodo de grafito. [14] Recientemente, el electrolito de polímero sólido para baterías de iones de potasio de estado sólido ha atraído mucha atención debido a su flexibilidad y mayor seguridad. Feng et al propusieron un electrolito de polímero sólido de poli (carbonato de propileno) -KFSI con la estructura de Membrana no tejida de celulosa, con conductividad iónica potenciada de 1,36 · 10 −5 S cm −1 . [15] La investigación sobre electrolitos para baterías de iones de potasio se centra en lograr una cinética de difusión de iones rápida, una formación de SEI estable y una mayor seguridad.
Junto con el ion sodio , el ion potasio es el principal candidato químico para reemplazar las baterías de iones de litio. [16] El ion potasio tiene ciertas ventajas sobre el ion litio similar (por ejemplo, las baterías de ion 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 convierte a las baterías de potasio en un candidato prometedor para baterías a gran escala, como el almacenamiento de energía doméstico y los vehículos eléctricos. [17] Otra ventaja de una batería de iones de potasio sobre una batería de iones de litio es una carga potencialmente más rápida. [18]
El prototipo empleaba un electrolito KBF 4 , aunque se pueden utilizar casi todas las sales de electrolitos habituales. Además, recientemente también se ha informado que los líquidos iónicos son electrolitos estables con una amplia ventana electroquímica. [19] [20] El coeficiente de difusión química del K + en la celda es mayor que el del Li + en las baterías de litio, debido a un radio de Stokes más pequeño del K + solvatado . Dado que el potencial electroquímico del K + es idéntico al del Li + , el potencial de la celda es similar al del ion litio. Las baterías de potasio pueden aceptar una amplia gama de materiales catódicos que pueden ofrecer una capacidad de recarga a menor costo. Una ventaja notable es la disponibilidad de grafito de potasio , que se utiliza como material anódico en algunas baterías de iones de litio. Su estructura estable garantiza una intercalación/desintercalación reversible de iones potasio bajo carga/descarga.
En 2005, se patentó una batería de potasio que utiliza electrolito fundido de KPF 6 . [21] [22] En 2007, la empresa china Starsway Electronics comercializó el primer reproductor multimedia portátil alimentado por batería de potasio como un dispositivo de alta energía. [23]
Se han propuesto baterías de potasio para el almacenamiento de energía a gran escala dada su excepcional ciclabilidad, pero los prototipos actuales sólo resisten cien ciclos de carga. [24] [25] [26]
A partir de 2019, cinco problemas principales impiden el uso generalizado de la tecnología de baterías de iones K: baja difusión de iones de potasio a través de un electrodo sólido, así como la descomposición del potasio después de ciclos repetidos debido a cambios de volumen, reacciones secundarias, crecimiento de dendritas y mala disipación del calor . Los investigadores estiman que podrían llevar hasta 20 años resolver todos estos problemas. [27] [28]
La característica interesante y única de la batería de iones de potasio en comparación con otros tipos de baterías es que la vida en la Tierra se basa 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 mediante la formación de baterías de potasio descentralizadas. [29] Esta no es solo una característica icónica de las baterías de iones de potasio, sino que también indica lo importante que es comprender el papel de los portadores de carga de K + para comprender el mecanismo de vida de las plantas.
Los investigadores demostraron una batería de potasio-aire ( KO 2 ) con bajo sobrepotencial. Su brecha de potencial de carga/descarga de aproximadamente 50 mV es el valor más bajo informado en baterías de metal-aire . Esto proporciona una eficiencia energética de ida y vuelta de >95%. En comparación, las baterías de litio-aire ( Li-O 2 ) tienen un sobrepotencial mucho mayor, de 1 a 1,5 V, lo que da como resultado una eficiencia de ida y vuelta del 60%. [30]
