Kaliumdrevne genopladelige batterier:En indsats mod et mere bæredygtigt miljø

Vores moderne livsstil ville være uhyre anderledes uden genopladelige batterier. På grund af deres lave omkostninger, genanvendelig teknologi, disse batterier bruges i de fleste bærbare elektroniske enheder, el- og hybridbiler, og vedvarende elproduktionssystemer. De tilbyder en elegant løsning på verdens voksende energibehov. I øvrigt, genopladelige batterier er et vigtigt værktøj i systemer, der høster vedvarende energi, såsom vind og sollys, fordi disse kilder kan svinge meget med vejret. Genopladelige batterier lagrer genereret elektricitet og sender den efter behov. Dermed, forskere globalt har været fokuseret på at forbedre genopladelige batterier som et skridt mod bæredygtige energiressourcer.

Siden deres kommercialisering, lithium-ion-batterier (LIB'er) har været de bedste genopladelige batterier på grund af deres fremragende ydeevne. Imidlertid, med den efterfølgende stigning i deres efterspørgsel, kombineret med den begrænsede tilgængelighed af lithium og kobolt (et andet nødvendigt element for LIB'er), brug af LIB'er kan snart blive et stort problem. Så et team af videnskabsmænd ved Tokyo University of Science, ledet af professor Shinichi Komaba, besluttede at gå på vejen mindre rejse:De fokuserede på at erstatte det udtømmelige grundstof lithium med bedre alternativer som natrium og kalium. Natrium og kalium er i den samme alkalimetalgruppe i grundstoffernes periodiske system, og deres kemiske natur er, derfor, rimelig ens. Men, i modsætning til lithium, disse grundstoffer er meget rigelige på Jorden, og at bruge dem til at udvikle højtydende genopladelige batterier ville være et gennembrud mod et mere bæredygtigt samfund.

I 2014 Prof Komaba, sammen med professor M. Stanley Whittingham, som vandt Nobelprisen i kemi i 2019, analyserede den aktuelle udviklingstilstand for natrium-ion-batterier og offentliggjorde sine vurderinger som en anmeldelse. Dette blev en meget citeret undersøgelse, med over 2, Kun 000 citater inden for de seneste 5 år. Prof Komaba og hans team udforskede derefter andre plausible alternativer til LIB'er, kalium-ion-batterier (KIB'er), som langsomt er blevet fokus for omfattende forskning siden 2015 efter visse banebrydende undersøgelser (f.eks. en undersøgelse offentliggjort i Naturmaterialer i 2012), hvoraf nogle blev udført af Komabas gruppe. Brugen af ​​kalium i batterier er lovende, fordi de viser sammenlignelig (eller endnu bedre) ydeevne med LIB'er. Hvad mere er, de nødvendige materialer til at bygge KIB'er er alle ugiftige og meget mere rigelige end dem, der kræves til LIB'er. Prof Komaba udtaler, "Ved at studere nye materialer til anvendelser i lithium-, natrium-, kalium-ion batterier, vi ønskede at udvikle en energieffektiv og miljøvenlig teknologi."

I en bemærkelsesværdig indsats for at lette yderligere forskning om KIB'er, forskergruppen ledet af prof Komaba analyserede KIB'ernes arbejde meget detaljeret i en omfattende gennemgang offentliggjort i Kemiske anmeldelser . Deres papir omfatter alt relateret til udviklingen af ​​KIB'er, fra katode- og anodematerialer, forskellige elektrolytter og helt faste KIB'er, til elektrodedoping og elektrolytadditiver. I øvrigt, gennemgangen sammenligner de forskellige materialer, der anvendes i lithium-, natrium-, og kalium-ion batterier. Som den eneste undersøgelse, der grundigt analyserer flere aspekter af genopladelige batterier, det kunne vise sig virkelig nyttigt for at lede nuværende og fremtidige forskere i den rigtige retning. At have omfattende mængder af tidligere forskning om KIB'er og al den opnåede indsigt kondenseret til en enkelt artikel er af enorm værdi for enhver, der er interesseret i at dykke ned i dette forskningsemne.

Den fortsatte udvikling af KIB'er vil forhåbentlig medføre en stigning i brugen af ​​dette eftertragtede alternativ til LIB'er. "Som det fremgår af den seneste intensive forskning, KIB'er anerkendes som lovende næste generations batterikandidater på grund af deres unikke egenskaber, såsom omkostningseffektivitet, højspænding, og høj effekt drift. Yderligere forbedringer af KIB'ers ydeevne ville bane vejen for deres praktiske anvendelse, " forklarer prof Komaba.

Imidlertid, forskning i visse aspekter af KIB'er, såsom deres sikkerhed, har været begrænset, og der bør fokuseres på at få mere indsigt i, hvad der foregår fysisk og kemisk mellem de forskellige komponenter og grundstoffer. Prof Komaba er håbefuld i denne henseende og afslutter med at sige, "Forskning på KIB'er, inklusive elektrodematerialer, ikke-vandige/faste elektrolytter, og tilsætningsstoffer vil give ny indsigt i elektrodereaktioner og faste ioner, åbne op for nye strategier, der ville tillade skabelsen af ​​næste generations batterier." Hans forskergruppe har også fokuseret på superkondensatorer og biobrændstofceller sammen med både LIB'er og natrium-ion-batterier, som alle kunne finde meget vigtige funktioner i et mere bæredygtigt samfund i fremtiden.