Енергія править світом, проте світ швидко змінюється. Змінюються і вимоги до джерел постачання енергії – вони мають бути екологічно чистими, безпечними та разом з тим енергоємними і довговічними. У цьому світлі швидко зростає попит на широкомасштабні, стійкі та “зелені” системи зберігання енергії. Передусім – це літій-іонний акумулятор (LIB), що широко використовується для різних цілей господарської і побутової діяльності людини завдяки своїм унікальним характеристикам.Однак його доцільність та життєздатність як довгострокового рішення завжди під питанням через брак і нерівномірність географічного розподілу ресурсів літію та токсичність видобувного процесу. Саме в цьому контексті стають важливими альтернативні літій-іонним системи накопичення енергії. Але що може замінити майже незамінний елемент? Відповідь знайшли австралійські вчені з Політехнічного інституту Ренсселера (RPI) під керівництвом професора Нікхіла Кораткара, створивши калієву батарею,яка має властивості по продуктивності як у літій-іонних аналогів .
Катод всередині літій-іонного акумулятора виготовлений з оксиду кобальту літію та графітового анода. Незважаючи на те, що калій є менш енергоємним елементом, ніж літій, дослідження показали, що заміна обох цих частин, а не лише оксиду кобальту літію допоможе підвищити його ефективність. Обидві частини літій-іонної батареї заміняються на оксид кобальту калію та анод калію.
Взагалі металева батарея зберігає здатність до перезарядки та продовжує термін служби сполуки літію та графітового анода. Проте на практиці, основною проблемою при використанні таких акумуляторів є формування внаслідок нерівномірного осадження металу дендритів у середині батарей – шкідливих кристалічних структур, які можуть пробивати їх внутрішні шари і тим самим спричинити вибух деградованих акумуляторів.
Головною новиною австралійської команди є відкриття того, що калієві батареї можуть згладжувати ці дендрити за допомогою методів самонагрівання, яке контролюються керованим струмом. Хоча підвищення температури в акумуляторі не розплавляє металевий калій, проте воно допомагає активувати поверхневу дифузію, завдяки чому атоми калію рухаються в бік від створеної ними “купи”, ефективно згладжуючи дендрит.
“Ідея такого підходу полягає в тому, що вночі або всякий раз, коли ви не використовуєте акумулятор, у вас буде система управління батареєю, яка буде застосовувати внутрішнє тепло для самовідновлення і згладжування”, – сказав Кораткар.
А ще калію багато, він недорогий, і теоретично він може створити батарею з більшою потужністю. Разом з тим метал є дуже реакційно здатним і небезпечним в обробці. Більше того, важко знайти електродні матеріали, які б надійно утримували набагато сильніші іони калію. Та перспективи використання калію як альтернативи літію настільки привабливі, що дослідження, дискусії у даному напрямку ведуться у різних країнах світу.
Шквал звітів за останні п’ять років висвітлює перспективних кандидатів на катод. Серед лідерів є сполуки на основі заліза з кристалічною структурою, подібною до прусських синіх частинок, які мають широкі простори для заповнення іонами калію. Група з Техаського університету в Остіні на чолі з Джоном Гуденуфом, співвласником літій-іонної батареї та лауреатом Нобелівської премії з хімії 2019 року, повідомила про прусські сині катоди з надзвичайно високою щільністю енергії 510 ват-годин на кілограм.
Науковець Хегієм Кім з Національної лабораторії Лоуренса робить ставки на поліаніонні сполуки, які виготовляються шляхом поєднання калію з будь-якою кількістю елементів, вирваних з періодичної таблиці. Наприклад, фторфосфат ванадію калію має особливі перспективи. Кім та його колеги розробили катод із сполуками, який має щільність енергії 450 Вт-год/кг.
Інші дослідники розглядають органічні сполуки для катодів. Вони коштують дешевше, ніж неорганічні сполуки, і їх хімічні зв’язки можуть розтягуватися, щоб легше сприймати іони калію.
Поки Гуденуф дає шанс калію, його колега винахідник літієвих батарей і лауреат Нобелівської премії М. Стенлі Уіттінгем, професор хімії в Університеті Бінгемтона в Нью-Йорку, вважає використання калію не практичною технологією через його тягу та летючість, низьку температуру плавлення, що може призвести до займання батареї.
А от професор Комаба з Токійського університету наук вважає ключовим фактором розробку правильного електроліту – збалансованого складу розчинників, солей калію, концентрації солі та добавок, які здатні стримувати теплову реакцію.
Група Комаби виготовляла електроліти з використанням фтористих солей калію, супер концентрованих електролітів, які мають менше розчинників, ніж традиційні суміші, та іонних рідких електролітів, які не використовують розчинники. У січні 2020 року вчений-матеріаліст Зайпін Го та її команда з університету Вуллонгонг (Австралія) повідомили про винахід негорючого електроліту для калієвих батарей на основі антипірену.
Калій ніколи не буде відповідати високій щільності енергії літію або замінити літій у електромобілях. Але він безумовно може стати незамінним для величезних мережевих батарей, призначених для тривалого зберігання і накопичення електроенергії.
НАДПУ нещодавно писала про калієві перспективи України для виготовлення калійних добрив. Можливо, калій нашої держави знайде комплексне використання як альтернативний “battery element”, вивівши Україну на нові горизонти? Так, можливо, за умови значних інвестицій і не лише у видобування, а й у розвиток науки і техніки.
Марина Малова
