Avantages et inconvénients des piles à ions potassium par rapport aux piles au lithium

Comme la demande de ressources en lithium augmente et que la capacité d'approvisionnement diminue, les besoins humains ne pourront pas être satisfaits à l'avenir. Il est donc urgent de développer de nouveaux dispositifs de stockage de l'énergie, tels que les batteries sodium-ion (SIB), les batteries potassium-ion (PIB), etc. On espère qu'elles pourront être utilisées en complément des LIB dans les applications de stockage de l'énergie à grande échelle, minimisant ainsi les inquiétudes concernant les pénuries de ressources en lithium. Nous avons également discuté de la comparaison des Batterie au lithium ou au sodium avant.

Dans cet article, je présenterai le principe de fonctionnement, les avantages et les inconvénients de la batterie d'ions de potassium et comparer les similitudes et les différences des batteries lithium-ion pour voir si la batterie ion-potassium peut remplacer la batterie lithium-ion.

Comment fonctionne une batterie d'ions potassium

D'après le tableau périodique des éléments, nous savons que le lithium et le potassium appartiennent au premier groupe principal, de sorte que les propriétés de ces deux éléments sont très similaires. La batterie ionique au potassium est une batterie "à bascule" dont le principe est identique à celui de la batterie ionique au lithium. L'insertion et l'extraction des cations dans les matériaux positifs et négatifs étant très similaires à une chaise se balançant d'avant en arrière, elle est assimilée à une "chaise à bascule".

Avantages et inconvénients de la batterie à ions potassium

L'avantage de la batterie ionique au potassium est que les matières premières coûteuses telles que le lithium, le cobalt et le cuivre utilisées dans les batteries lithium-ion peuvent être remplacées par des matières premières peu coûteuses et abondantes telles que le potassium, le fer et l'aluminium. En outre, le potassium présente moins de risques d'incendie que le lithium et peut également améliorer la sécurité.

La batterie potassium-ion est riche en matières premières, présente les avantages d'une densité énergétique élevée, d'un transport rapide des ions dans l'électrolyte et d'un faible coût, et est devenue le premier choix pour remplacer les batteries lithium-ion. En outre, comparé au lithium, le potassium présente moins de risques d'incendie et améliore les performances en matière de sécurité.

Les batteries à ions potassium basées sur des ressources abondantes de potassium ont démontré plusieurs avantages, notamment un faible coût et une tension de fonctionnement élevée, tout en présentant un potentiel significatif pour le stockage de l'énergie à grande échelle. Toutefois, leurs principaux inconvénients sont leur faible énergie spécifique, leur durée de vie, etc., qui entravent leurs applications futures.

En outre, en raison du rayon plus grand de l'ion potassium, la réactivité du métal potassium est plus élevée, ce qui entraîne une grande différence entre la conception du matériau de l'électrode et la fabrication d'une batterie complète d'ions potassium et d'autres batteries d'ions de métaux alcalins. Cependant, ses perspectives d'application à l'avenir méritent toujours l'attention, en particulier dans les domaines du stockage de l'énergie à grande échelle qui sont moins sensibles à la qualité et au volume de la batterie, mais dont les exigences en matière de coût sont plus élevées.

Comparaison entre les batteries à ions de potassium et les batteries à ions de lithium

● Coût de la batterie

Les ions potassium sont plus abondants que les ions lithium, et les ressources en potassium sont très riches, on peut dire qu'elles sont "inépuisables" et que leur prix est très bas. En outre, comme le potassium ne forme pas d'intermétallique Al-K d'un point de vue thermodynamique, la feuille d'aluminium peut remplacer la feuille de cuivre en tant que collecteur de courant négatif dans ces batteries, tandis que l'aluminium est généralement moins cher que le cuivre, ce qui peut également réduire les coûts des batteries. Si vous souhaitez obtenir des informations sur l'industrie de la feuille d'aluminium, vous pouvez consulter les sites suivants fabricants de feuilles d'aluminium pour batteries.

Abondance des éléments dans la croûte terrestre

● Densité énergétique de la batterie

Le potentiel standard d'électrode plus faible du potassium en termes d'énergie stockée par unité de volume de la batterie signifie qu'un potentiel de coupure plus faible de l'électrode négative peut être utilisé, en plus de l'absence de dépôt de potassium métallique.

Comme pour les éléments du premier groupe principal, les potentiels d'électrode du lithium, du sodium et du potassium sont respectivement de -3,04 V, -2,71 V et -2,93 V, et la tension de la batterie est égale à la différence de potentiel entre les électrodes positives et négatives.

Par conséquent, les potentiels du lithium et du potassium sont plus proches, et la batterie à ions potentiels peut fonctionner à des tensions plus élevées sur une plage de tension plus large, et un fonctionnement à tension plus élevée signifie la possibilité d'une densité énergétique plus élevée de la batterie.

Les fenêtres de potentiel disponibles pour les piles à base de lithium, de sodium et de potassium supposent l'utilisation de solutions électrolytiques non aqueuses de solvants carbonatés.

● Densité de la batterie

En termes de vitesse de production d'énergie par unité de poids de la batterie, les ions potassium ont le plus petit rayon de Stokes dans la solution électrolytique, c'est-à-dire que les ions potassium peuvent se diffuser rapidement dans la solution électrolytique pour fournir une densité de puissance élevée.

Dans une étude connexe, les chercheurs ont constaté que les ions potassium ayant un rayon atomique plus grand peuvent s'intercaler dans le graphite et fournir une capacité spécifique d'environ 250mAh/g, dans laquelle le potassium est très similaire au lithium.

En outre, le problème des électrodes négatives en métal alcalin et des dendrites, pour les batteries à ions potassium, les chercheurs ont également trouvé une idée innovante qui peut être utilisée pour le résoudre : Si un alliage sodium-potassium est utilisé comme électrode négative, il est liquide à température ambiante, et l'électrode négative liquide n'a aucun problème de formation de dendrites, et le métal déposé pendant le processus de charge deviendra liquide.

De plus, l'immiscibilité de l'alliage sodium-potassium et de l'électrolyte organique fait que l'électrode négative en métal liquide ne nécessite pas d'électrolyte solide, de sorte que la batterie avec l'alliage comme électrode négative peut fonctionner à température ambiante.

En raison de la "différence relative" du potentiel sodium-potassium (le potentiel potassium est plus négatif, il est relativement plus facile de perdre des électrons), le métal actif dans l'alliage sodium-potassium est le métal potassium, et le métal sodium ne participe pas à la réaction de la batterie. Cependant, le sodium joue le rôle de liquéfacteur du métal potassium, et l'alliage sodium-potassium a une capacité spécifique de 579 mAh/g en tant qu'anode potassium.

Comparaison du rayon ionique de Shannon et du rayon de Stokes des ions Li+, Na+ et K+ dans l'eau et le PC

La batterie potassium-ion peut-elle remplacer la batterie lithium-ion ?

Les batteries lithium-ion sont toujours les dispositifs de stockage d'énergie les plus courants, comme les batteries lithium-ion. batterie powerwall et les centrales électriques portables au lithium, la demande de batteries lithium-ion augmente. La pénurie et la répartition inégale des ressources en lithium ont fortement limité l'application large et durable de ces batteries.

Ces dernières années, les batteries sodium-ion et les batteries potassium-ion ont fait l'objet d'une grande attention en raison de leurs abondantes ressources en métaux. Bien que le prix du potassium métal soit relativement élevé par rapport à celui du sodium, le prix du K2CO3 est similaire à celui du Na2CO3 tout en étant beaucoup moins cher que le Li2CO3.

En outre, la feuille d'aluminium peut être utilisée comme collecteur de courant dans la batterie à ions de potassium pour remplacer la feuille de cuivre dans la batterie à ions de lithium, ce qui permet non seulement de réduire considérablement le prix de la batterie à ions de potassium, mais aussi de réduire le poids du collecteur de courant et de résoudre le problème de la surdécharge.

Bien que le rayon atomique du potassium (1,38 Å) soit plus grand que celui du lithium (0,68 Å) et du sodium (0,97 Å), le rayon de Stokes de l'ion potassium (3,6 Å) est plus petit que celui de l'ion lithium (4,8 Å) et de l'ion sodium (4,6 Å), ce qui signifie que le potassium a la mobilité ionique et la conductivité ionique les plus élevées dans l'électrolyte.

Compte tenu des avantages susmentionnés, la batterie à ions potassium devrait remplacer la batterie lithium-ion en tant que dispositif de stockage d'énergie haute performance de la prochaine génération. Cependant, la batterie à ions potassium doit encore faire face à certains défis qui entravent sa commercialisation. Tout d'abord, le K+ plus important rend l'expansion du volume de la batterie à ions potassium plus sévère que celle des autres batteries à ions de métaux alcalins pendant le processus de charge/décharge, ce qui entraîne l'effondrement de la structure cristalline du matériau de l'électrode et la pulvérisation de l'électrode.

Deuxièmement, la faible vitesse de diffusion des ions potassium dans le matériau de l'électrode limite l'amélioration de sa capacité. Enfin, l'électrolyte de la batterie à ions potassium souffre d'une grave décomposition et de certaines réactions secondaires en raison du potentiel élevé de l'oxydoréduction K+/K. Il est donc essentiel de continuer à explorer les matériaux d'électrode appropriés et de développer la technologie des batteries à ions potassium. Il est donc essentiel de continuer à explorer les matériaux d'électrode appropriés et de développer la technologie des batteries à ions potassium.