पोटेशियम-आयन बैटरी

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पोटेशियम-आयन बैटरी या K-आयन बैटरी (संक्षिप्त रूप में केआईबी) एक प्रकार की बैटरी (बिजली) है और लिथियम आयन बैटरी के अनुरूप है, जो लिथियम आयनों के बजाय चार्ज ट्रांसफर के लिए पोटेशियम आयनों का उपयोग करती है। इसका आविष्कार 2004 में ईरानी/अमेरिकी रसायनज्ञ अली इफ़्तेखारी (अमेरिकी नैनो सोसायटी के अध्यक्ष) द्वारा किया गया था।[1]

प्रोटोटाइप

प्रोटोटाइप उपकरण में उच्च विद्युत रासायनिक स्थिरता के लिए कैथोड सामग्री[1] के रूप में पोटैशियम एनोड और एक प्रशिया नीले यौगिक का उपयोग किया गया था।[2] प्रोटोटाइप का 500 से अधिक चक्रों के लिए सफलतापूर्वक उपयोग किया गया था। वर्तमान समीक्षा से पता चला है कि पोटेशियम-आयन बैटरियों की नई पीढ़ियों के लिए एनोड और कैथोड के रूप में कई व्यावहारिक सामग्रियों का सफलतापूर्वक उपयोग किया गया है।[3] उदाहरण के लिए, पारंपरिक एनोड सामग्री ग्रेफाइट को दिखाया गया है कि इसे पोटेशियम-आयन बैटरी में एनोड के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है।[4]


सामग्री

प्रोटोटाइप उपकरण के साथ पोटेशियम-आयन बैटरी के आविष्कार के बाद, शोधकर्ता इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट में नई सामग्रियों के अनुप्रयोग के साथ विशिष्ट क्षमता और साइक्लिंग प्रदर्शन को बढ़ाने पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं। पोटेशियम-आयन बैटरी के लिए प्रयुक्त सामग्री की सामान्य तस्वीर इस प्रकार पाई जा सकती है:

एनोड

लिथियम-आयन बैटरी के मामले के समान, ग्रेफाइट भी इलेक्ट्रोकेमिकल प्रक्रिया के भीतर पोटेशियम के अंतर्संबंध को समायोजित कर सकता है।[5] जबकि अलग-अलग गतिकी के साथ, ग्रेफाइट एनोड पोटेशियम-आयन बैटरी के भीतर साइकिल चलाने के दौरान कम क्षमता बनाए रखने से पीड़ित होते हैं। इस प्रकार, स्थिर प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए ग्रेफाइट एनोड की संरचना इंजीनियरिंग के दृष्टिकोण की आवश्यकता है। ग्रेफाइट के अलावा अन्य प्रकार की कार्बनयुक्त सामग्रियों को पोटेशियम-आयन बैटरी के लिए एनोड सामग्री के रूप में नियोजित किया गया है, जैसे विस्तारित ग्रेफाइट, कार्बन नैनोट्यूब, कार्बन नैनोफाइबर और नाइट्रोजन या फॉस्फोरस-डोप्ड कार्बन सामग्री।[6] रूपांतरण एनोड जो बढ़ी हुई भंडारण क्षमता और उत्क्रमणीयता के साथ पोटेशियम आयन के साथ यौगिक बना सकते हैं, उनका भी पोटेशियम-आयन बैटरी के लिए उपयुक्त होने के लिए अध्ययन किया गया है। रूपांतरण एनोड के आयतन परिवर्तन को बफर करने के लिए, कार्बन सामग्री मैट्रिक्स हमेशा लागू किया जाता है MoS2@rGO, Sb2S3-SNG, SnS2-rGO और इसी तरह।[7][8] सी, एसबी और एसएन जैसे क्लासिक मिश्र धातु एनोड जो साइक्लिंग प्रक्रिया के दौरान लिथियम आयन के साथ मिश्र धातु बना सकते हैं, पोटेशियम-आयन बैटरी के लिए भी लागू होते हैं। उनमें से एसबी अपनी कम लागत और 660 एमएएच तक की सैद्धांतिक क्षमता के कारण सबसे आशाजनक उम्मीदवार है−1.[9] मजबूत यांत्रिक शक्ति प्राप्त करने के साथ-साथ अच्छे प्रदर्शन को बनाए रखने के लिए अन्य कार्बनिक यौगिकों का भी विकास किया जा रहा है।[10]


कैथोड

मूल प्रशिया ब्लू कैथोड और इसके एनालॉग्स के अलावा, पोटेशियम आयन बैटरी के कैथोड भाग पर शोध नैनोस्ट्रक्चर और ठोस आयनिक की इंजीनियरिंग पर केंद्रित है। जैसे पोटेशियम संक्रमण धातु ऑक्साइड की श्रृंखला K0.3MnO2, K0.55CoO2 को स्तरित संरचना के साथ कैथोड सामग्री के रूप में प्रदर्शित किया गया है।[11] आगमनात्मक दोष वाले पॉलीएनियोनिक यौगिक पोटेशियम-आयन बैटरियों के लिए अन्य प्रकार के कैथोड के बीच उच्चतम कार्यशील वोल्टेज प्रदान कर सकते हैं। इलेक्ट्रोकेमिकल साइक्लिंग प्रक्रिया के दौरान, पोटेशियम आयन के प्रवेश पर अधिक प्रेरित दोष पैदा करने के लिए इसकी क्रिस्टल संरचना विकृत हो जाएगी। रेचम एट अल ने सबसे पहले प्रदर्शित किया कि फ्लोरोसल्फेट्स में K, Na और Li के साथ प्रतिवर्ती अंतःक्षेपण तंत्र है, तब से, अन्य पॉलीएनियोनिक यौगिक जैसे K3V2(PO4)3, KVPO4F का अध्ययन किया गया है, जबकि यह अभी भी जटिल संश्लेषण प्रक्रिया तक ही सीमित है।[12][13] ध्यान देने योग्य बात यह है कि पोटेशियम-आयन बैटरी के लिए कैथोड के रूप में कार्बनिक यौगिक का उपयोग करने का रूढ़िवादी दृष्टिकोण है, जैसे कि पीटीसीडीए, लाल रंगद्रव्य जो एकल अणु के भीतर 11 पोटेशियम आयन के साथ बंध सकता है।[14]


इलेक्ट्रोलाइट्स

लिथियम से अधिक रासायनिक गतिविधि के कारण, पोटेशियम आयन बैटरी के लिए इलेक्ट्रोलाइट्स को सुरक्षा चिंताओं को दूर करने के लिए अधिक नाजुक इंजीनियरिंग की आवश्यकता होती है। वाणिज्यिक एथिलीन कार्बोनेट (ईसी) और डायथाइल कार्बोनेट (डीईसी) या अन्य पारंपरिक ईथर/एस्टर तरल इलेक्ट्रोलाइट ने पोटेशियम की लुईस अम्लता के कारण खराब साइक्लिंग प्रदर्शन और तेजी से क्षमता में गिरावट देखी है, साथ ही इसकी अत्यधिक ज्वलनशील विशेषता ने इसके आगे उपयोग को रोक दिया है। आयनिक तरल इलेक्ट्रोलाइट अधिक नकारात्मक रेडॉक्स वोल्टेज के साथ पोटेशियम आयन बैटरी की इलेक्ट्रोकेमिकल विंडो का विस्तार करने का नया तरीका प्रदान करता है और यह ग्रेफाइट एनोड के साथ विशेष रूप से स्थिर है।[15] हाल ही में, ऑल-सॉलिड-स्टेट पोटेशियम-आयन बैटरी के लिए सॉलिड पॉलीमर इलेक्ट्रोलाइट ने अपने लचीलेपन और बढ़ी हुई सुरक्षा के कारण बहुत अधिक ध्यान आकर्षित किया है, फेंग एट अल ने सेल्यूलोज नॉन-फ्रेम वर्क के साथ पॉली (प्रोपलीन कार्बोनेट) -KFSI सॉलिड पॉलीमर इलेक्ट्रोलाइट का प्रस्ताव रखा है। बुनी हुई झिल्ली, 1.36 की बढ़ी हुई आयनिक चालकता के साथ10−5एस सेमी−1.[16] पोटेशियम-आयन बैटरी के लिए इलेक्ट्रोलाइट पर अनुसंधान तेजी से आयन प्रसार कैनेटीक्स, स्थिर एसईआई गठन के साथ-साथ बढ़ी हुई सुरक्षा प्राप्त करने पर ध्यान केंद्रित कर रहा है।

लाभ

सोडियम-आयन बैटरी के साथ, पोटेशियम-आयन लिथियम-आयन बैटरी के लिए प्रमुख रसायन प्रतिस्थापन उम्मीदवार है।[17] पोटेशियम-आयन के समान लिथियम-आयन (उदाहरण के लिए, लिथियम-आयन बैटरी) पर कुछ फायदे हैं: सेल डिजाइन सरल है और सामग्री और निर्माण प्रक्रिया दोनों सस्ती हैं। मुख्य लाभ लिथियम की तुलना में पोटेशियम की प्रचुरता और कम लागत है, जो पोटेशियम बैटरी को घरेलू ऊर्जा भंडारण और इलेक्ट्रिक वाहनों जैसी बड़े पैमाने की बैटरी के लिए आशाजनक उम्मीदवार बनाता है।[18] लिथियम-आयन बैटरी की तुलना में पोटेशियम-आयन बैटरी का अन्य लाभ संभावित रूप से तेज़ चार्जिंग है।[19] प्रोटोटाइप ने ए को नियोजित किया KBF4 इलेक्ट्रोलाइट, हालांकि लगभग सभी सामान्य इलेक्ट्रोलाइट लवण का उपयोग किया जा सकता है। इसके अलावा, आयनिक तरल पदार्थों को भी हाल ही में विस्तृत इलेक्ट्रोकेमिकल विंडो के साथ स्थिर इलेक्ट्रोलाइट्स के रूप में रिपोर्ट किया गया है।[20][21] रासायनिक प्रसार गुणांक K+ सेल में की तुलना में अधिक है Li+ लिथियम बैटरियों में, सॉल्वेटेड के छोटे स्टोक्स त्रिज्या के कारण K+. की विद्युत रासायनिक क्षमता के बाद से K+ के समान है Li+, सेल क्षमता लिथियम-आयन के समान है। पोटेशियम बैटरियां कैथोड सामग्रियों की विस्तृत श्रृंखला को स्वीकार कर सकती हैं जो कम लागत पर रिचार्जेबिलिटी प्रदान कर सकती हैं। उल्लेखनीय लाभ पोटेशियम ग्रेफाइट की उपलब्धता है, जिसका उपयोग कुछ लिथियम-आयन बैटरियों में एनोड सामग्री के रूप में किया जाता है। इसकी स्थिर संरचना चार्ज/डिस्चार्ज के तहत पोटेशियम आयनों के प्रतिवर्ती इंटरकलेशन/डी-इंटरकलेशन की गारंटी देती है।

अनुप्रयोग

2005 में, पोटेशियम बैटरी जो पिघले हुए इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करती है KPF6 का पेटेंट कराया गया।[22][23] 2007 में, चीनी कंपनी स्टार्सवे इलेक्ट्रॉनिक्स ने उच्च-ऊर्जा उपकरण के रूप में पहले पोटेशियम बैटरी चालित पोर्टेबल मीडिया प्लेयर का विपणन किया।[24] इसकी असाधारण चक्रीयता को देखते हुए पोटेशियम बैटरियों को बड़े पैमाने पर ऊर्जा भंडारण के लिए प्रस्तावित किया गया है, लेकिन वर्तमान प्रोटोटाइप केवल सौ चार्जिंग चक्रों का सामना कर सकते हैं।[25][26][27] 2019 तक, पांच मुख्य मुद्दे K-आयन बैटरी तकनीक के व्यापक उपयोग को रोक रहे हैं: ठोस इलेक्ट्रोड के माध्यम से पोटेशियम आयनों का कम प्रसार, साथ ही मात्रा में परिवर्तन, साइड प्रतिक्रियाओं, वृद्धि के कारण बार-बार चक्र के बाद पोटेशियम का टूटना। डेंड्राइट (धातु) और खराब थर्मल प्रबंधन (इलेक्ट्रॉनिक्स)। शोधकर्ताओं का अनुमान है कि इन सभी समस्याओं का पता लगाने में 20 साल तक का समय लग सकता है।[28][29]


जैविक पोटेशियम बैटरी

अन्य प्रकार की बैटरियों की तुलना में पोटेशियम-आयन बैटरी की दिलचस्प और अनूठी विशेषता यह है कि पृथ्वी पर जीवन जैविक पोटेशियम-आयन बैटरी पर आधारित है। K+ पौधों में प्रमुख आवेश वाहक है। का प्रचलन K+ आयन विकेंद्रीकृत पोटेशियम बैटरी बनाकर पौधों में ऊर्जा भंडारण की सुविधा प्रदान करते हैं।[30] यह न केवल पोटेशियम-आयन बैटरियों की प्रतिष्ठित विशेषता है बल्कि यह भी दर्शाता है कि इसकी भूमिका को समझना कितना महत्वपूर्ण है K+पौधों के जीवित तंत्र को समझने के लिए आवेश वाहक।

अन्य पोटेशियम बैटरियां

शोधकर्ताओं ने पोटेशियम-एयर बैटरी का प्रदर्शन किया (K-O2) कम अतिसंभाव्यता के साथ। इसका लगभग 50 mV का चार्ज/डिस्चार्ज संभावित अंतर धातु-वायु इलेक्ट्रोकेमिकल सेल|धातु-वायु बैटरियों में सबसे कम सूचित मूल्य है। यह >95% की राउंड-ट्रिप ऊर्जा दक्षता प्रदान करता है। इसकी तुलना में, लिथियम-एयर बैटरी|लिथियम-एयर बैटरी (Li-O2) में 1-1.5 वी की बहुत अधिक क्षमता होती है, जिसके परिणामस्वरूप 60% राउंड-ट्रिप दक्षता होती है।[31]


यह भी देखें

संदर्भ

  1. ↑ 1.0 1.1 Eftekhari, A (2004). "प्रशिया ब्लू कैथोड पर आधारित पोटेशियम द्वितीयक कोशिका". Journal of Power Sources. 126 (1): 221–228. Bibcode:2004JPS...126..221E. doi:10.1016/j.jpowsour.2003.08.007.
  2. ↑ Itaya, K; Ataka, T; Toshima, S (1982). "प्रशिया ब्लू संशोधित इलेक्ट्रोड की स्पेक्ट्रोइलेक्ट्रोकैमिस्ट्री और इलेक्ट्रोकेमिकल तैयारी विधि". Journal of the American Chemical Society. 104 (18): 4767. doi:10.1021/ja00382a006.
  3. ↑ Eftekhari, A; Jian, Z; Ji, X (2017). "पोटेशियम माध्यमिक बैटरियां". ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (5): 4404–4419. doi:10.1021/acsami.6b07989. PMID 27714999.
  4. ↑ Luo, W; Wan, J; Ozdemir, B (2015). "ग्रेफाइटिक सामग्री के साथ पोटेशियम आयन बैटरियां". Nano Letters. 15 (11): 7671–7. Bibcode:2015NanoL..15.7671L. doi:10.1021/acs.nanolett.5b03667. PMID 26509225.
  5. ↑ Jian, Zelang; Luo, Wei; Ji, Xiulei (2015-09-16). "के-आयन बैटरियों के लिए कार्बन इलेक्ट्रोड". Journal of the American Chemical Society. 137 (36): 11566–11569. doi:10.1021/jacs.5b06809. ISSN 0002-7863. PMID 26333059.
  6. ↑ Hwang, Jang-Yeon; Myung, Seung-Taek; Sun, Yang-Kook (2018). "रिचार्जेबल पोटेशियम बैटरियों में हालिया प्रगति". Advanced Functional Materials (in English). 28 (43): 1802938. doi:10.1002/adfm.201802938. ISSN 1616-3028. S2CID 106292273.
  7. ↑ Eftekhari, Ali; Jian, Zelang; Ji, Xiulei (2017-02-08). "पोटेशियम माध्यमिक बैटरियां". ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (5): 4404–4419. doi:10.1021/acsami.6b07989. ISSN 1944-8244. PMID 27714999.
  8. ↑ Tian, Yuan; An, Yongling; Feng, Jinkui (2019-03-13). "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. S2CID 73473174.
  9. ↑ An, Yongling; Tian, Yuan; Ci, Lijie; Xiong, Shenglin; Feng, Jinkui; Qian, Yitai (2018-12-26). "उच्च-प्रदर्शन पोटेशियम-आयन बैटरियों के लिए ट्यून करने योग्य छिद्र के साथ माइक्रोन-आकार की नैनोपोरस एंटीमनी". ACS Nano. 12 (12): 12932–12940. doi:10.1021/acsnano.8b08740. ISSN 1936-0851. PMID 30481455. S2CID 53747530.
  10. ↑ Chen, Xiudong; Zhang, Hang; Ci, Chenggang; Sun, Weiwei; Wang, Yong (2019-03-26). "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. S2CID 73488846.
  11. ↑ Pramudita, James C.; Sehrawat, Divya; Goonetilleke, Damian; Sharma, Neeraj (2017). "पोटेशियम-आयन बैटरियों के लिए इलेक्ट्रोड सामग्री की स्थिति की प्रारंभिक समीक्षा". Advanced Energy Materials (in English). 7 (24): 1602911. doi:10.1002/aenm.201602911. ISSN 1614-6840.
  12. ↑ Recham, Nadir; Rousse, Gwenaëlle; Sougrati, Moulay T.; Chotard, Jean-Noël; Frayret, Christine; Mariyappan, Sathiya; Melot, Brent C.; Jumas, Jean-Claude; Tarascon, Jean-Marie (2012-11-27). "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. ↑ Fedotov, S (2016). "AVPO4F (A = Li, K): A 4 V Cathode Material for High-Power Rechargeable Batteries". Chemistry of Materials. 28 (2): 411–415. doi:10.1021/acs.chemmater.5b04065.
  14. ↑ Chen, Yanan; Luo, Wei; Carter, Marcus; Zhou, Lihui; Dai, Jiaqi; Fu, Kun; Lacey, Steven; Li, Tian; Wan, Jiayu; Han, Xiaogang; Bao, Yanping (2015-11-01). "गैर-जलीय पोटेशियम-आयन बैटरियों के लिए कार्बनिक इलेक्ट्रोड". Nano Energy. 18: 205–211. doi:10.1016/j.nanoen.2015.10.015. ISSN 2211-2855.
  15. ↑ Beltrop, K.; Beuker, S.; Heckmann, A.; Winter, M.; Placke, T. (2017). "Alternative electrochemical energy storage: potassium-based dual-graphite batteries". Energy & Environmental Science (in English). 10 (10): 2090–2094. doi:10.1039/C7EE01535F. ISSN 1754-5692.
  16. ↑ Fei, Huifang; Liu, Yining; An, Yongling; Xu, Xiaoyan; Zeng, Guifang; Tian, Yuan; Ci, Lijie; Xi, Baojuan; Xiong, Shenglin; Feng, Jinkui (2018-09-30). "समग्र पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट और एक टिकाऊ कार्बनिक कैथोड के साथ कमरे के तापमान पर चलने वाली स्थिर ऑल-सॉलिड-स्टेट पोटेशियम बैटरी". Journal of Power Sources. 399: 294–298. Bibcode:2018JPS...399..294F. doi:10.1016/j.jpowsour.2018.07.124. ISSN 0378-7753. S2CID 105472842.
  17. ↑ "New battery concept: potassium instead of lithium". 8 October 2015.
  18. ↑ "बड़े पैमाने पर ऊर्जा भंडारण के लिए उच्च क्षमता वाली जलीय पोटेशियम-आयन बैटरियां". 2 December 2016.
  19. ↑ "पोटेशियम आयन ली बैटरियों को तेजी से चार्ज करते हैं". 20 January 2017.
  20. ↑ Yamamoto, Takayuki; Matsumoto, Kazuhiko; Hagiwara, Rika; Nohira, Toshiyuki (7 August 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. hdl:2433/261771.
  21. ↑ Masese, Titus; Yoshii, Kazuki; Yamaguchi, Yoichi; Okumura, Toyoki; Huang, Zhen-Dong; Kato, Minami; Kubota, Keigo; Furutani, Junya; Orikasa, Yuki; Senoh, Hiroshi; Sakaebe, Hikari; Shikano, Masahiro (20 September 2018). "उच्च वोल्टेज कैथोड और तेज़ पोटेशियम-आयन कंडक्टर के रूप में मधुकोश-स्तरित टेल्यूरेट्स के साथ रिचार्जेबल पोटेशियम-आयन बैटरियां". Nature Communications. 9 (1): 3823. Bibcode:2018NatCo...9.3823M. doi:10.1038/s41467-018-06343-6. PMC 6147795. PMID 30237549.
  22. ↑ US 20090263717  Ramasubramanian, M; Spotnitz, RM
  23. ↑ US 2005017219  Li, W; Kohoma, K; Armand, M; Perron, G
  24. ↑ Melanson, D (24 October 2007). "चीन का स्टार्सवे पोटेशियम बैटरी चालित पीएमपी का प्रचार करता है". Engadget. Retrieved 2011-09-16.
  25. ↑ "नई बैटरी तकनीक ग्रिड के लिए बड़े पैमाने पर ऊर्जा भंडारण प्रदान कर सकती है". 25 November 2011.
  26. ↑ "Battery electrode's 40,000 charge cycles look promising for grid storage". 22 November 2011.
  27. ↑ "पूर्ण पृष्ठ पुनः लोड करें". IEEE Spectrum: Technology, Engineering, and Science News (in English). Retrieved 2020-07-28.
  28. ↑ Yirka, Bob; Phys.org. "शोधकर्ता पोटेशियम-आयन बैटरी प्रौद्योगिकी की वर्तमान स्थिति की रूपरेखा तैयार करते हैं". phys.org (in English). Retrieved 2022-06-19.
  29. ↑ Zhang, Wenchao; Liu, Yajie; Guo, Zaiping (2019-05-03). "उन्नत डिज़ाइन रणनीतियों और इंजीनियरिंग के माध्यम से उच्च प्रदर्शन वाली पोटेशियम-आयन बैटरियों तक पहुँचना". Science Advances (in English). 5 (5): eaav7412. Bibcode:2019SciA....5.7412Z. doi:10.1126/sciadv.aav7412. ISSN 2375-2548. PMC 6510555. PMID 31093528.
  30. ↑ Gajdanowicz, Pawel (2010). "पोटेशियम (K+) ग्रेडिएंट पौधों के संवहनी ऊतकों में एक गतिशील ऊर्जा स्रोत के रूप में कार्य करते हैं". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (2): 864–869. Bibcode:2011PNAS..108..864G. doi:10.1073/pnas.1009777108. PMC 3021027. PMID 21187374.
  31. ↑ Ren, Xiaodi; Wu, Yiying (2013). "A Low-Overpotential Potassium−Oxygen Battery Based on Potassium Superoxide". Journal of the American Chemical Society. 135 (8): 2923–2926. doi:10.1021/ja312059q. PMID 23402300.


बाहरी संबंध

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