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 पदार्थ[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 पदार्थों का सफलतापूर्वक उपयोग किया गया है।[3] उदाहरण के लिए, पारंपरिक एनोड पदार्थ ग्रेफाइट को दिखाया गया है कि इसे पोटेशियम-आयन बैटरी में एनोड के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है।[4]


पदार्थ

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

एनोड

लिथियम-आयन बैटरी के मामले के समान, ग्रेफाइट भी इलेक्ट्रोकेमिकल प्रक्रिया के अन्दर पोटेशियम के अंतर्संबंध को समायोजित कर सकता है।[5] जबकि अलग-अलग गतिकी के साथ, ग्रेफाइट एनोड पोटेशियम-आयन बैटरी के अन्दर चक्र चलाने के समय कम क्षमता बनाए रखने से उपचार होते हैं। इस प्रकार, स्थिर प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए ग्रेफाइट एनोड की संरचना इंजीनियरिंग के दृष्टिकोण की आवश्यकता है। ग्रेफाइट के अतिरिक्त अन्य प्रकार की कार्बनयुक्त पदार्थों को पोटेशियम-आयन बैटरी के लिए एनोड पदार्थ के रूप में नियोजित किया गया है, जैसे विस्तारित ग्रेफाइट, कार्बन नैनोट्यूब, कार्बन नैनोफाइबर और नाइट्रोजन या फॉस्फोरस-डोप्ड कार्बन पदार्थ।[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 हमेशा एक कार्बन पदार्थ मैट्रिक्स लागू किया जाता है जैसे MoS2@rGO, Sb2S3-SNG, SnS2-rGO इत्यादि।[7][8] Si, Sb और Sn जैसे पारंपरिक मिश्र धातु एनोड जो चक्र प्रक्रिया के समय लिथियम आयन के साथ मिश्र धातु बना सकते हैं, यही नियम पोटेशियम-आयन बैटरी के लिए भी लागू होते हैं। उनमें से Sb अपनी कम लागत और 660 mAh g−1 तक की सैद्धांतिक क्षमता के कारण सबसे आशाजनक उम्मीदवार है।[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 अतिरिक्त, 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 पदार्थ 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 समय, पोटेशियम आयन के प्रवेश पर अधिक प्रेरित दोष पैदा करने के लिए इसकी क्रिस्टल संरचना विकृत हो जाती है। 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 अन्दर 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 विधि प्रदान करता है और यह ग्रेफाइट एनोड के साथ विशेष रूप से स्थिर है।[15] वर्तमान 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 गैर-बुना झिल्ली के फ्रेम वर्क के साथ एक पॉली (प्रोपलीन कार्बोनेट) -केएफएसआई सॉलिड पॉलीमर इलेक्ट्रोलाइट का प्रस्ताव रखा है, जिसमें 1.36×\ गुना 10-5 S cm−1 की बढ़ी हुई आयनिक चालकता है।[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 पदार्थ 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 में KBF4 इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग किया गया है, हालांकि लगभग सभी सामान्य इलेक्ट्रोलाइट लवण का उपयोग किया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, आयनिक तरल पदार्थों को भी वर्तमान में एक विस्तृत इलेक्ट्रोकेमिकल विंडो के साथ स्थिर इलेक्ट्रोलाइट्स के रूप में रिपोर्ट किया गया है।[20][21] सॉल्वेटेड K+ के छोटे स्टोक्स त्रिज्या के कारण, सेल में K+ का रासायनिक प्रसार गुणांक लिथियम बैटरी में Li+ की तुलना में अधिक है। चूँकि K+ की विद्युत रासायनिक क्षमता Li+ के समान है, सेल क्षमता लिथियम-आयन के समान है। पोटेशियम बैटरियां कैथोड पदार्थों की एक विस्तृत श्रृंखला को स्वीकार कर सकती हैं जो कम लागत पर रिचार्जेबिलिटी प्रदान कर सकती हैं। एक उल्लेखनीय लाभ पोटेशियम ग्रेफाइट की उपलब्धता है, जिसका उपयोग कुछ लिथियम-आयन बैटरियों में एनोड पदार्थ के रूप में किया जाता है। इसकी स्थिर संरचना चार्ज/डिस्चार्ज के अनुसार पोटेशियम आयनों के प्रतिवर्ती इंटरकलेशन/डी-इंटरकलेशन की गारंटी देती है।

अनुप्रयोग

2005 में, KPF6 के पिघले हुए इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करने वाली एक पोटेशियम बैटरी का पेटेंट कराया गया था।[22][23] 2007 में, चीनी कंपनी स्टार्सवे इलेक्ट्रॉनिक्स ने उच्च-ऊर्जा डिवाइस के रूप में पहले पोटेशियम बैटरी चालित पोर्टेबल मीडिया प्लेयर का विपणन किया था।[24]

इसकी असाधारण चक्रीयता को देखते हुए पोटेशियम बैटरियों को बड़े पैमाने पर ऊर्जा भंडारण के लिए प्रस्तावित किया गया है, किन्तु वर्तमान प्रोटोटाइप केवल सौ चार्जिंग चक्रों का सामना कर सकते हैं।[25][26][27]

2019 तक, पांच मुख्य मुद्दे K-आयन बैटरी विधि के व्यापक उपयोग को रोक रहे हैं: ठोस इलेक्ट्रोड के माध्यम से पोटेशियम आयनों का कम प्रसार, और साथ ही मात्रा में परिवर्तन, साइड प्रतिक्रियाओं में परिवर्तन, डेंड्राइट (धातु) की वृद्धि और थर्मल प्रबंधन (इलेक्ट्रॉनिक्स) अपव्यय के कारण बार-बार चक्र के बाद पोटेशियम का टूटना। 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 रोचक और अद्धितीय विशेषता यह है कि पृथ्वी पर जीवन जैविक पोटेशियम-आयन बैटरी पर आधारित है। K+ पौधों में प्रमुख आवेश वाहक है। K+ आयनों का संचलन विकेन्द्रीकृत पोटेशियम बैटरी बनाकर पौधों में ऊर्जा भंडारण की सुविधा प्रदान करता है।[30] यह न केवल पोटेशियम-आयन बैटरियों की एक प्रतिष्ठित विशेषता है, बल्कि यह भी इंगित करता है कि पौधों के जीवित तंत्र को समझने के लिए K+ चार्ज वाहक की भूमिका को समझना कितना महत्वपूर्ण है।

अन्य पोटेशियम बैटरियां

शोधकर्ताओं ने कम क्षमता वाली पोटेशियम-एयर बैटरी (K-O2) का प्रदर्शन किया। इसका लगभग 50 mV का चार्ज/डिस्चार्ज संभावित अंतर 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 (Li-O2) में 1-1.5 V की बहुत अधिक क्षमता होती है, जिसके परिणामस्वरूप 60% राउंड-ट्रिप दक्षता होती है।[31]


यह भी देखें

संदर्भ

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  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.
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बाहरी संबंध

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