Kaliumbatterien waren lange genug ein Augenzwinkern für Energiespeicherforscher, und jetzt beginnen sie, das Labor zu verlassen und ins Sonnenlicht zu treten. Als jüngste Entwicklung in dieser Hinsicht hat sich das Start-up Group1 gerade als „das weltweit erste Unternehmen, das Kathodenmaterialien für neuartige Kalium-Ionen-Batterien kommerzialisiert“ angekündigt.
Was ist das Besondere an Kaliumbatterien?
Kaliumbatterien für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen haben den Markt erobert CleanTechnica Radar hier und da, ein aktuelles Beispiel ist eine zellulosefähige Version an der University of Bristol entwickelt.
Kalium ist jedoch eine heikle Sache. Zurück im Jahr 2020 waren unsere Freunde drüben bei IEEE-Spektrum nahm die Anwendung von Kaliumbatterien unter die Lupe Energiespeicher im Netzmaßstab und machte diese Beobachtung:
„Die Menschen haben sich in der Vergangenheit vor Kalium gescheut, weil das Metall sehr reaktiv und gefährlich in der Handhabung ist. Darüber hinaus ist es schwierig, Elektrodenmaterialien zu finden, um die viel kräftigeren Kaliumionen zu halten.“
Auf der anderen Seite muss angesichts der Lieferkettenprobleme, die den Bereich der Lithium-Ionen-Energiespeicherung heimsuchen, etwas nachgeben.
„Einige Batterieforscher werfen einen neuen Blick auf den lange ignorierten Cousin von Lithium, Kalium, für die Netzspeicherung“, erklärte Reporter Prachi Patel. „Kalium ist reichlich vorhanden, kostengünstig und könnte theoretisch eine Batterie mit höherer Leistung ermöglichen.“
„Allerdings sind die Bemühungen hinter der Forschung zu Lithium- und Natriumbatterien zurückgeblieben“, bemerkte Patel. „Doch eine Flut von Berichten in den letzten fünf Jahren beschreibt vielversprechende Kandidaten für die Kathode. Zu den führenden gehören Verbindungen auf Eisenbasis mit einer kristallinen Struktur ähnlich Preußischblau-Partikeln, die weite offene Räume haben, die Kaliumionen füllen können.“
Wenn Ihnen Preußischblau bekannt vorkommt, denken Sie vielleicht an die Natriumionenforschung, die aus dem Labor des legendären Energiespeicher-Innovators hervorgegangen ist John Goodenough von der University of Texas at Austin, der letztes Jahr seinen 100. Geburtstag feierte.
„Eine Gruppe von der University of Texas at Austin führte Miterfinder der Lithium-Ionen-Batterie und Gewinner des Nobelpreises für Chemie 2019, hat sich gemeldet Preußisch-Blau-Kathoden mit einer außergewöhnlich hohen Energiedichte von 510 Wattstunden pro Kilogramm, vergleichbar mit der von heutigen Lithiumbatterien“, bemerkte Patel in seinem Beitrag von 2020.
Hier kommen Kaliumbatterien von Group1
Der von Patel zitierte Bericht ist eine Studie, die im veröffentlicht wurde Zeitschrift der American Chemistry Society zurück im Januar 2017, deren Autoren als Leigang Xue, Yutao Li, Hongcai Gao, Weidong Zhou, Xujie Lü, Watchareeya Kaveevivitchai, Arumugam Manthiram und John B. Goodenough aufgeführt sind.
Das bringt uns zu den neu angekündigten Group1-News. Zu den Führungskräften des Startups gehören der Batterieinnovator Alexander Girau, der Chief Science Officer Dr. Yakov Kutsovsky (ehemals von Cabot Corporation) und Dr.Leigang Xue.
Eine mit Embargo belegte Pressemitteilung beschreibt Dr. Leigang Xue als den „Erfinder von KPW [Potassium Prussion White] Kathodenmaterialien im Jahr 2017 im Labor von Professor Goodenough an der University of Texas in Austin“, also ist es eine gute Vermutung, dass es sich um dieselbe Person handelt.
„Im Gegensatz zu LIBs [lithium-ion batteries]Rohstoffe, die von Group1 zum Erstellen von KIBs verwendet werden [potassium-ion batteries] sind nachhaltig, da sie sowohl in den Vereinigten Staaten als auch international weit verbreitet sind“, erklärt Group1. „Das in den KPW-Kathodenmaterialien von Group1 verwendete Kalium ist 1.000-mal häufiger in der Erde als Lithium und 20-mal günstiger.“
„KIBs, die mit den KPW-Kathodenmaterialien von Group1 hergestellt werden, bieten Sicherheitsvorteile gegenüber LIBs, basierend auf der Verwendung von sichereren Elektrolyten und sauerstofffreien Materialien“, fügen sie hinzu. „Darüber hinaus laden KIBs effizienter und schneller auf als LIBs, da Kaliumionen in Elektrolyten im Vergleich zu Lithiumionen eine geringere Größe und höhere Mobilität aufweisen.“
Was ist dieses Kalium-Preußisch-Weiß, von dem Sie sprechen?
Zurück zu Preußischblau, das ist die Verbindung zwischen Natrium- und Kaliumbatterien. Eine kürzlich in der American Chemistry Society veröffentlichte Studie Angewandte Energiematerialien Journal bietet diesen Erklärer (Umbruch hinzugefügt):
„Preußischblau (PB) und seine Analoga sind aufgrund ihrer hohen Arbeitspotentiale, hohen theoretischen Kapazität und geringen Toxizität vielversprechende Materialien für Kathoden von Natriumionenbatterien.
„Preußischweiß (PW), die vollständig reduzierte und natriumhaltige Form von PB, könnte die Herstellbarkeit von kommerziellen Batterien erheblich verbessern, da es die Anforderung einer reaktiven natriumbeladenen Anode bei der Zellmontage umgeht.“
Für eine Erklärung zur Kaliumversion von Preußischweiß wenden wir uns an eine andere ACS-Publikation, ACS Energiebriefe.
Eine Studie aus dem Jahr 2017, veröffentlicht in Energiebriefe bezeichnet „nichtwässrige Kalium-Ionen-Batterien“ als „mögliche kostengünstige Alternativen zu Li-Ionen-Batterien für die Energiespeicherung im großen Maßstab, aufgrund ihrer Fähigkeit, graphitischen Kohlenstoff als negative Elektrode zu verwenden“.
„Positive Elektrodenmaterialien bleiben eine Herausforderung“, erklären die Autoren, und hier kommt Kalium ins Spiel.
„Hier berichten wir über die Kontrolle der Kristallabmessungen des preußischen weißen Hexacyanoferrats (HCF), K1.7Fe[Fe(CN)6]0,9B. unter Verwendung von Lösungschemie, um entweder Nano-, Submikron- oder Mikron-Kristallite zu erhalten. Wir beobachten einen sehr starken Einfluss der Kristallitgröße auf das elektrochemische Verhalten“, stellen sie fest.
Kaliumbatterien für Elektrofahrzeuge?
Ja, was ist mit ihnen? Kaliumbatterien für Elektrofahrzeuge sind nicht dasselbe wie Energiespeicher im Netzmaßstab. Wir werden mehr über die Absichten von Group1 erfahren, sobald sie den Stein ins Rollen gebracht haben, also bleiben Sie dran, um mehr darüber zu erfahren.
In der Zwischenzeit haben Forscher von Columbia Engineering im Jahr 2020 Kaliumbatterien aus der Perspektive von Elektrofahrzeugen betrachtet, die eine Lösung für das Dendritenproblem darstellen.
Dendriten sind federartige Strukturen, die sich in Lithium-Ionen-Batterien bilden und die Leistung beeinträchtigen. Es gibt eine Vielzahl von Problemumgehungen, und Columbia Engineering hat sich auf Kalium als eine davon konzentriert.
„Forscher von Columbia Engineering berichten heute, dass sie herausgefunden haben, dass Alkalimetallzusätze wie Kaliumionen die Ausbreitung von Lithiummikrostrukturen während des Batteriegebrauchs verhindern können“, berichtete die Schule. „Sie verwendeten eine Kombination aus Mikroskopie, Kernspinresonanz (ähnlich einer MRT) und Computermodellierung, um zu entdecken, dass die Zugabe kleiner Mengen Kaliumsalz zu einem herkömmlichen Lithiumbatterieelektrolyten eine einzigartige Chemie an der Lithium/Elektrolyt-Grenzfläche erzeugt.“
Die Kaliumlösung könnte für eine andere große Sache in der Batterieszene gelten, die Festkörper-Energiespeicherung. Sie können alle saftigen Details aus dem Journal erhalten Zellberichte Physikalische Wissenschaft.
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Foto: Elektroautos wie Fords Mustang Mach-E können eines Tages einen Kaliumtiger in ihren Tanks tragen (Foto mit freundlicher Genehmigung der Ford Motor Company).
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