पोटेशियम-आयन बैटरी

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।

प्रोटोटाइप
प्रोटोटाइप उपकरण में उच्च विद्युत रासायनिक स्थिरता के लिए कैथोड सामग्री के रूप में पोटैशियम एनोड और एक प्रशिया नीले यौगिक का उपयोग किया गया था। 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। 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।

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। 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। 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। 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. 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।

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। 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। 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।

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। 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 साथ$$\times$$10−5एस सेमी−1. 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। 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। लिथियम-आयन बैटरी की तुलना में पोटेशियम-आयन बैटरी का अन्य लाभ संभावित रूप से तेज़ चार्जिंग है। 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। 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। 2007 में, चीनी कंपनी स्टार्सवे इलेक्ट्रॉनिक्स ने उच्च-ऊर्जा उपकरण के रूप में पहले पोटेशियम बैटरी चालित पोर्टेबल मीडिया प्लेयर का विपणन किया। 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। 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।

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। 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।

यह भी देखें

 * बैटरी प्रकारों की सूची
 * लिथियम-एयर बैटरी
 * पतली फिल्म लिथियम-आयन बैटरी
 * क्षार धातु-आयन बैटरी
 * लिथियम आयन बैटरी
 * सोडियम-आयन बैटरी
 * पोटैशियम-आयन बैटरी
 * कैल्शियम बैटरी|कैल्शियम-आयन बैटरी

बाहरी संबंध

 * New Battery Technology Could Provide Large-Scale Energy Storage for the Grid