カリウムイオン電池

カリウムイオン電池またはKイオン電池（略称KIB ）は電池の一種であり、リチウムイオン電池に類似しており、電荷移動にリチウムイオンの代わりに カリウム イオンを使用します。

これは2004年にイラン系アメリカ人の化学者アリ・エフテカリ（アメリカナノ学会会長）によって発明されました。^[1]

プロトタイプデバイスでは、高い電気化学的安定性のためにカリウムアノードとプルシアンブルー化合物をカソード材料として使用しました^{[1] 。 [2]}プロトタイプは500サイクル以上使用されました。最近のレビューでは、現在、いくつかの実用的な材料が新世代のカリウムイオン電池のアノードとカソードとしてうまく使用されていることが示されました。^[3]たとえば、従来のアノード材料であるグラファイトは、カリウムイオン電池のアノードとして使用できることが示されています。^[4]

2024年、グループ1はカソード用のクリストナイトを作成しました。

プロトタイプデバイスを備えたカリウムイオン電池が発明されて以来、研究者は電極（アノードとカソード）と電解質に新しい材料を適用して、比容量とサイクル性能を向上させることにますます重点を置いています。

カリウムイオン電池に使用される材料の概略図は次のとおりです。

オリジナルのプルシアンブルーカソードとその類似品のほかに、カリウムイオン電池のカソード部分の研究はエンジニアリングに重点を置いています。

クリストナイトは、カリウムプルシアンホワイト(KPW) 材料のクラスに属する 4V カソード材料です。

別のナノ構造と固体イオン性物質が登場した。K _0.3 MnO ₂、K _0.55 CoO ₂などの一連のカリウム遷移金属酸化物は、層状構造を持つカソード材料として実証されている。^[5]誘導欠陥を持つポリアニオン化合物は、カリウムイオン電池用の他のタイプのカソードの中で最も高い動作電圧を提供できる。電気化学サイクリングプロセス中に、その結​​晶構造は歪み、カリウムイオンの挿入時にさらに誘導欠陥が発生する。Rechamらは、フルオロ硫酸塩がK、Na、Liとの可逆的なインターカレーションメカニズムを持つことを初めて実証し、それ以来、K ₃ V ₂ (PO ₄ ) ₃、KVPO ₄ Fなどの他のポリアニオン化合物が研究されてきたが、依然として複雑な合成プロセスに限定されている。^{[6] [7]}注目に値するのは、単一分子内で11個のカリウムイオンと結合できる赤色顔料であるPTCDAなどの有機化合物をカリウムイオン電池のカソードとして使用するオーソドックスなアプローチである。^[8]サイクル過程でリチウムイオンと合金を形成できるSi、Sb、Snなどの古典的な合金陽極もカリウムイオン電池に適用できます。その中でもSbは低コストで理論容量が最大660mAh g ⁻¹であるため、最も有望な候補です。^[9]他の有機化合物も、適切な性能を維持しながら強力な機械的強度を実現するために開発されています。^[10]

リチウムイオン電池の場合と同様に、グラファイトも電気化学プロセス内でカリウムの挿入に対応できます。^[11]一方、異なる速度論では、グラファイトアノードはカリウムイオン電池内でのサイクル中に容量保持率が低くなります。したがって、安定した性能を達成するには、グラファイトアノードの構造エンジニアリングのアプローチが必要です。グラファイト以外の種類の炭素質材料も、膨張グラファイト、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、窒素またはリンをドープした炭素材料など、カリウムイオン電池のアノード材料として使用されています。^{[12]カリウムイオンと化合物を形成でき、ストレージ容量と可逆性が向上した変換アノードも、カリウムイオン電池に適合するように研究されています。変換アノードの体積変化を緩衝するために、} MoS ₂ @rGO、Sb ₂ S ₃ -SNG、SnS ₂ -rGOなどの炭素材料マトリックスが常に適用されます。 ^[13]

リチウムよりも化学活性が高いため、カリウムイオン電池用の電解質には、安全上の懸念に対処するためのより繊細なエンジニアリングが必要です。市販のエチレンカーボネート（EC）やジエチルカーボネート（DEC）などの従来のエーテル/エステル液体電解質は、カリウムのルイス酸性のためにサイクル性能が悪く、容量が急速に低下し、また、その非常に可燃性の特性により、さらなる応用が妨げられていました。イオン液体電解質は、非常に負の酸化還元電圧でカリウムイオン電池の電気化学的ウィンドウを拡大する新しい方法を提供し、グラファイトアノードで特に安定しています。^[14]最近、全固体カリウムイオン電池用の固体ポリマー電解質は、その柔軟性と安全性の向上により大きな注目を集めており、Fengらは、セルロース不織布膜をフレームワークとし、イオン伝導率を1.36 10 ⁻⁵ S cm ⁻¹に高めたポリ（プロピレンカーボネート）-KFSI固体ポリマー電解質を提案しました。^[15]カリウムイオン電池用の電解質の研究では、高速イオン拡散速度、安定したSEI形成、および安全性の向上の実現に焦点が当てられています。 ${\displaystyle \times }$

ナトリウムイオンとともに、カリウムイオンはリチウムイオン電池の主要な代替化学物質候補です。^[16]カリウムイオンは、同様のリチウムイオン（例：リチウムイオン電池）に比べていくつかの利点があります。セルの設計が簡単で、材料と製造手順の両方が安価です。主な利点は、リチウムと比較してカリウムが豊富で低コストであるため、カリウム電池は家庭用エネルギー貯蔵や電気自動車などの大規模電池の有望な候補となっています。^{[17]カリウムイオン電池が}リチウムイオン電池よりも優れているもう1つの利点は、充電が高速になる可能性があることです。^[18]

プロトタイプではKBF ₄電解質を採用しましたが、ほとんどすべての一般的な電解質塩を使用できます。さらに、イオン液体も最近、広い電気化学ウィンドウを持つ安定した電解質として報告されています。^{[19] [20]}セル内のK ⁺の化学拡散係数は、溶媒和K ⁺のストークス半径が小さいため、リチウム電池のLi ⁺よりも高くなります。 K ⁺の電気化学ポテンシャルはLi ⁺と同じなので、セルの電位はリチウムイオンの電位に似ています。 カリウム電池は、より低コストで再充電可能な幅広いカソード材料を受け入れることができます。 1 つの顕著な利点は、一部のリチウムイオン電池でアノード材料として使用されているカリウムグラファイトが利用できることです。 その安定した構造により、充電/放電時のカリウムイオンの可逆的な挿入/脱挿入が保証されます。

2005年には、 KPF ₆の溶融電解質を使用するカリウム電池が特許を取得しました。^{[21] [22] 2007年には、中国の企業Starsway Electronicsが、高エネルギーデバイスとして初のカリウム電池駆動の}ポータブルメディアプレーヤーを販売しました。^[23]

カリウム電池は、その優れたサイクル性から大規模なエネルギー貯蔵用に提案されているが、現在のプロトタイプは100回の充電サイクルにしか耐えられない。^{[24] [25] [26]}

2019年現在、カリウムイオン電池技術の普及を妨げている主な問題は5つある。固体電極を通るカリウムイオンの拡散が低いこと、繰り返しサイクルを繰り返すと体積の変化、副反応、樹枝状結晶の成長、熱放散が悪いためにカリウムが分解することである。研究者らは、これらすべての問題を解決するには20年ほどかかると見積もっている。^{[27] [28]}

他のタイプの電池と比較してカリウムイオン電池の興味深くユニークな特徴は、地球上の生命が生物学的カリウムイオン電池に基づいていることです。K +^は植物の主要な電荷キャリアです。K ⁺イオンの循環は、分散型カリウム電池を形成することにより、植物でのエネルギー貯蔵を促進します。^{[29]これは}カリウムイオン電池の象徴的な特徴であるだけでなく、植物の生存メカニズムを理解するためにK ⁺電荷キャリア の役割を理解することがいかに重要であるかを示しています。

研究者らは、低過電圧のカリウム空気電池（KO2 ）_を実証した。その充放電電位ギャップは約50mVで、金属空気電池で報告されている値の中で最も低い。これにより、往復エネルギー効率は95%以上となる。比較すると、リチウム空気電池（Li-O2 _）は過電圧が1～1.5Vとはるかに高く、往復効率は60%となる。^[30]

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