Ventajas y desventajas de la batería de iones de potasio frente a la de litio

A medida que aumenta la demanda de recursos de litio y disminuye la capacidad de suministro, en última instancia, las necesidades humanas no podrán satisfacerse en el futuro. Por lo tanto, existe una necesidad urgente de desarrollar nuevos dispositivos de almacenamiento de energía, como las baterías de iones de sodio (SIB), las baterías de iones de potasio (PIB), etc., se espera que pueda utilizarse como complemento de las LIB en aplicaciones de almacenamiento de energía a gran escala, minimizando así la preocupación por la escasez de recursos de litio. También discutimos la comparación de batería de litio frente a batería de sodio antes.

En este artículo, presentaré el principio de funcionamiento, las ventajas y los inconvenientes del batería de iones de potasio y comparar las similitudes y diferencias de las baterías de iones de litio para ver si la batería de iones de potasio puede sustituir a la batería de iones de litio.

Cómo funciona una pila de iones de potasio

A partir de la tabla periódica de los elementos, podemos saber que el litio y el potasio pertenecen al primer grupo principal, por lo que las propiedades de estos dos elementos son muy similares. La pila de iones de potasio es una pila "mecedora" con el mismo principio que la pila de iones de litio. Dado que la inserción y extracción de cationes en los materiales positivo y negativo es muy similar a una silla que se balancea hacia delante y hacia atrás, se asemeja a una "mecedora".

Ventajas y desventajas de la batería de iones de potasio

La ventaja de la batería de iones de potasio es que las materias primas caras como el litio, el cobalto y el cobre utilizadas en las baterías de iones de litio pueden sustituirse por materias primas baratas y abundantes como el potasio, el hierro y el aluminio. Además, el potasio tiene menos riesgo de incendio que el litio y también puede mejorar la seguridad.

La batería de iones de potasio es rica en materias primas, tiene las ventajas de una alta densidad energética, un rápido transporte de iones en el electrolito y un bajo coste, y se ha convertido en la primera opción para sustituir a las baterías de iones de litio. Además, en comparación con el litio, el potasio tiene menos riesgo de incendio y mejores prestaciones de seguridad.

Las baterías de iones de potasio basadas en los abundantes recursos de potasio han demostrado varias ventajas, como su bajo coste y su alto voltaje operativo, al tiempo que tienen un potencial significativo para el almacenamiento de energía a gran escala. Sin embargo, sus principales desventajas son la baja energía específica, la duración del ciclo, etc., que dificultan sus futuras aplicaciones.

Además, debido al mayor radio del ion potasio, la reactividad del metal potasio es mayor, lo que provoca una gran diferencia entre el diseño del material del electrodo y la fabricación de la batería completa de la batería de iones de potasio y otras baterías de iones de metales alcalinos. Sin embargo, sus perspectivas de aplicación en el futuro siguen siendo dignas de atención, especialmente en los campos de almacenamiento de energía a gran escala, que son menos sensibles a la calidad y el volumen de la batería, pero tienen requisitos de coste más elevados.

Comparación de la batería de iones de potasio y la batería de iones de litio

● Coste de la batería

Los iones de potasio son más abundantes que los de litio, y los recursos de potasio son muy ricos, por lo que puede decirse que son "inagotables" y su precio es muy bajo. Además, como el potasio no forma termodinámicamente intermetálicos Al-K, esto sugiere que la lámina de aluminio puede sustituir a la de cobre como colector negativo de corriente en este tipo de baterías, mientras que el aluminio es generalmente menos caro que el cobre, lo que también puede reducir los costes de las baterías. Si desea conocer información sobre la industria del papel de aluminio, puede consultar fabricantes de papel de aluminio para baterías.

Abundancia de elementos en la corteza terrestre

● Densidad energética de la batería

El menor potencial de electrodo estándar del potasio en términos de energía almacenada por unidad de volumen de pila significa que puede utilizarse un potencial de corte más bajo del electrodo negativo, además de la ausencia de deposición de potasio metálico.

Al igual que los elementos del primer grupo principal, los potenciales de electrodo del litio, el sodio y el potasio son -3,04 V, -2,71 V y -2,93 V respectivamente, y la tensión de la batería es igual a la diferencia de potencial entre los electrodos positivo y negativo.

Por lo tanto, los potenciales del litio y del potasio son más similares, y la batería de iones potenciales tiene el potencial de funcionar a voltajes más altos en un rango de voltaje más amplio, y el funcionamiento a voltajes más altos significa la posibilidad de una mayor densidad de energía de la batería.

Las ventanas de potencial disponibles para las baterías a base de litio, sodio y potasio suponen el uso de soluciones electrolíticas no acuosas de disolventes carbonatados.

● Densidad de potencia de la batería

En cuanto a la velocidad de producción de energía por unidad de peso de la pila, los iones de potasio tienen el radio de Stokes más pequeño en la solución electrolítica, es decir, los iones de potasio pueden difundirse rápidamente en la solución electrolítica para proporcionar una alta densidad de potencia.

En un estudio relacionado, los investigadores descubrieron que los iones de potasio con un radio atómico mayor pueden intercalarse en el grafeno y proporcionar una capacidad específica de unos 250mAh/g, en la que el potasio es muy similar al litio.

Además, el problema de los electrodos negativos de metal alcalino y dendritas, para los investigadores de la batería de iones de potasio también encontró que una idea innovadora se puede utilizar para resolver: Si se utiliza una aleación de sodio y potasio como electrodo negativo, es líquido a temperatura ambiente, y el electrodo negativo líquido no tiene ningún problema de formación de dendritas, y el metal depositado durante el proceso de carga se convertirá en líquido.

Además, la inmiscibilidad de la aleación de sodio y potasio y el electrolito orgánico hace que el electrodo negativo de metal líquido no necesite un electrolito sólido, de modo que la batería con la aleación como electrodo negativo puede funcionar a temperatura ambiente.

Debido a la "diferencia relativa" en el potencial sodio-potasio (el potencial potasio es más negativo, es relativamente más fácil perder electrones), el metal activo en la aleación sodio-potasio es el metal potasio, y el metal sodio no participa en la reacción de la pila. Sin embargo, el sodio desempeña el papel de licuar el metal potasio, y la aleación sodio-potasio tiene una capacidad específica de 579 mAh/g como ánodo de potasio.

Comparación de los radios iónicos de Shannon y de Stokes de los iones Li+, Na+ y K+ en agua y PC

¿Puede la batería de iones de potasio sustituir a la de iones de litio?

Las baterías de iones de litio siguen siendo los principales dispositivos de almacenamiento de energía. batería powerwall y las centrales eléctricas portátiles de litio, la demanda de baterías de iones de litio es cada vez mayor. La escasez y desigual distribución de los recursos de litio han limitado seriamente la aplicación amplia y sostenible de este tipo de baterías.

En los últimos años, las baterías de iones de sodio y las de iones de potasio han atraído gran atención debido a sus abundantes recursos metálicos. Aunque el precio del potasio metálico es relativamente alto en comparación con el del sodio, el precio del K2CO3 es similar al del Na2CO3 y mucho más barato que el del Li2CO3.

Además, el papel de aluminio puede utilizarse como colector de corriente en la batería de iones de potasio para sustituir al papel de cobre en la batería de iones de litio, lo que no sólo puede reducir significativamente el precio de la batería de iones de potasio, sino también reducir el peso del colector de corriente y resolver el problema de la sobredescarga.

Aunque el radio atómico del potasio (1,38 Å) es mayor que el del litio (0,68 Å) y el del sodio (0,97 Å), el radio de Stokes del ion potasio (3,6 Å) es menor que el del ion litio (4,8 Å) y el del ion sodio (4,6 Å) , lo que significa que el potasio tiene la mayor movilidad iónica y conductividad iónica en el electrolito.

Basándose en las ventajas anteriores, se espera que la batería de iones de potasio sustituya a la de iones de litio como dispositivo de almacenamiento de energía de alto rendimiento de próxima generación. Sin embargo, la batería de iones de potasio aún se enfrenta a algunos problemas que dificultan su comercialización. En primer lugar, el mayor K+ hace que la expansión de volumen de la batería de iones de potasio sea más grave que la de otras baterías de iones de metales alcalinos durante el proceso de carga/descarga, lo que provoca el colapso de la estructura cristalina del material del electrodo y la pulverización del mismo.

En segundo lugar, la baja velocidad de difusión masiva de los iones de potasio en el material del electrodo limita la mejora de su capacidad. Por último, el electrolito de la batería de iones de potasio sufre una fuerte descomposición y algunas reacciones secundarias debido al alto potencial redox K+/K. Por lo tanto, es crucial seguir explorando materiales de electrodos adecuados y desarrollar una tecnología de baterías de iones de potasio. Por lo tanto, es crucial seguir explorando materiales de electrodo adecuados y desarrollar la tecnología de las baterías de iones de potasio.