Μια νέα προσέγγιση για μπαταρίες K-Ion υψηλής απόδοσης

Το International Energy Outlook 2016 (IEO 2016) που δημοσιεύτηκε από την Υπηρεσία Ενεργειακών Πληροφοριών των ΗΠΑ δείχνει ότι η παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας θα αυξηθεί κατά 48% μεταξύ 2012 και 2040. Και, με την αύξηση της υπερθέρμανσης του πλανήτη που προκαλείται από την υψηλή κατανάλωση ορυκτών καυσίμων, Η χρήση ανανεώσιμων και φιλικών προς το περιβάλλον πηγών ενέργειας έχει καταστεί ζωτικής σημασίας. Επομένως, προκειμένου να μετριαστεί η πίεση στον ενεργειακό μας εφοδιασμό, οι συσκευές αποθήκευσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ESD) έχουν μελετηθεί εκτενώς.

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου (LIBs) έχουν σημειώσει μεγάλη επιτυχία την τελευταία δεκαετία ως ένα από τα πιο προηγμένα ESD. Ωστόσο, οι περιορισμένοι πόροι λιθίου στον φλοιό της γης αυξάνουν σημαντικά το κόστος κατασκευής των LIB, το οποίο θα γίνεται όλο και πιο σοβαρό όσο περνάει ο χρόνος. Για να αντιμετωπιστεί αυτή η ανησυχία, διερευνώνται τα ESD που βασίζονται σε στοιχεία με άφθονη γη και χαμηλό δυναμικό οξειδοαναγωγής για να αντικαταστήσουν τα LIB. Σε σύγκριση με τη χαμηλή περιεκτικότητα σε λίθιο στον φλοιό της γης (0,0017 wt %), αυτή σε κάλιο (2,09 wt %) είναι πολύ μεγαλύτερη. Έτσι, οι μη υδατικές μπαταρίες ιόντων καλίου (PIB) αναμένεται να γίνουν μια από τις τεχνολογίες επόμενης γενιάς που θα αντικαταστήσουν τις μπαταρίες ιόντων λιθίου τελευταίας τεχνολογίας σε μια σειρά σταθερών εφαρμογών.

Τα υλικά ηλεκτροδίων υψηλής απόδοσης είναι επειγόντως επιθυμητά για προηγμένα PIB. Τρέχοντα PIB με άνοδος γραφίτη, τα οποία έχουν αρχική χωρητικότητα μόνο 230 mAh g-1 και μειώνονται γρήγορα στους επόμενους κύκλους λόγω της μεγάλης αλλαγής όγκου κατά την επαναλαμβανόμενη εισαγωγή/εξαγωγή του K+. Τα μεταλλικά χαλκογονίδια θα μπορούσαν να μετριάσουν αποτελεσματικά αυτήν την ανησυχία, λόγω του μέτριου δυναμικού οξειδοαναγωγής, της υψηλής θεωρητικής ικανότητας και των καλών ηλεκτροχημικών δραστηριοτήτων.

Στο παρόν, το ZIF-67, ένα τυπικό MOF, έχει χρησιμοποιηθεί ως παράδειγμα για την παρασκευή νανοσωματιδίων Co0.85Se ενθυλακωμένων σε πολυέδρια άνθρακα με Ν-προσμίξεις. Το Ν-ντόπινγκ άνθρακα όχι μόνο ωφελεί την αγωγιμότητα των ηλεκτρονίων όπως αναφέρεται στη βιβλιογραφία, αλλά επίσης αποτρέπει την ανάπτυξη και τη συσσώρευση του Co0.85Se κατά την παρασκευή. Αυτή η αλληλεπίδραση είναι επίσης σημαντική για τις ηλεκτροχημικές επιδόσεις επειδή μπορεί να αναστείλει την παραμόρφωση και την κονιοποίηση των ενεργών υλικών κατά την ανακύκλωση. Εκτός από το Ν-ντόπινγκ στον άνθρακα, οι μεσοπορώδεις δομές υποδεικνύουν μεγάλη ειδική επιφάνεια και καλή ανοχή στην αλλαγή όγκου. Αυτά τα αποτελέσματα επιτρέπουν σε αυτό το σύνθετο υλικό να παρέχει ειδική χωρητικότητα 114,7 mA h g-1 στα 1000 mA g-1 μετά από 250 κύκλους.

Η εξαιρετική ηλεκτροχημική απόδοση και η φιλική προς το περιβάλλον προσέγγιση σύνθεσης απέδειξαν ότι αυτά τα μεταλλικά χαλκογονίδια που παρασκευάζονται από MOF είναι πολλά υποσχόμενοι υποψήφιοι για υλικό ανόδου επόμενης γενιάς για PIB.