PL248953B1 - Potassium-ion cell with a shungite-based negative electrode - Google Patents

Potassium-ion cell with a shungite-based negative electrode

Info

Publication number
PL248953B1
PL248953B1 PL445466A PL44546623A PL248953B1 PL 248953 B1 PL248953 B1 PL 248953B1 PL 445466 A PL445466 A PL 445466A PL 44546623 A PL44546623 A PL 44546623A PL 248953 B1 PL248953 B1 PL 248953B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
potassium
shungite
negative electrode
ion cell
lithium
Prior art date
Application number
PL445466A
Other languages
Polish (pl)
Other versions
PL445466A1 (en
Inventor
Agnieszka Świderska-Mocek
Agnieszka Gabryelczyk
Original Assignee
Politechnika Poznanska
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Politechnika Poznanska filed Critical Politechnika Poznanska
Priority to PL445466A priority Critical patent/PL248953B1/en
Publication of PL445466A1 publication Critical patent/PL445466A1/en
Publication of PL248953B1 publication Critical patent/PL248953B1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/054Accumulators with insertion or intercalation of metals other than lithium, e.g. with magnesium or aluminium
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/133Electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139Processes of manufacture
    • H01M4/1393Processes of manufacture of electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027Negative electrodes

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest ogniwo potasowo-jonowe z elektrodą ujemną na bazie szungitu pracujące w ciekłym elektrolicie organicznym, w którym materiał aktywny elektrody ujemnej stanowi naturalny szungit w ilości 85% wag. elektrody ujemnej, a elektrolit zawiera sól przewodzącą potasu, korzystnie heksafluorofosforan potasu.The subject of the application is a potassium-ion cell with a shungite-based negative electrode operating in a liquid organic electrolyte, in which the active material of the negative electrode is natural shungite in the amount of 85% by weight of the negative electrode, and the electrolyte contains a potassium conducting salt, preferably potassium hexafluorophosphate.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest ogniwo potasowo-jonowe z elektrodą ujemną na bazie szungitu pracujące w ciekłym elektrolicie organicznym.The subject of the invention is a potassium-ion cell with a shungite-based negative electrode operating in a liquid organic electrolyte.

Obecnie ogniwa litowo-jonowe dominują na światowym rynku akumulatorów pod względem dostarczanej pojemności i energii. Jednakże znacznym zagrożeniem dalszego gwałtownego rozwoju tej technologii są ograniczone zasoby litu w skorupie ziemskiej oraz jego utrudnione odzyskiwanie ze zużytych akumulatorów. Aby zapewnić ciągłość produkcji chemicznych źródeł prądu do pojazdów elektrycznych, stacjonarnych magazynów energii ze źródeł odnawialnych i przenośnych sprzętów elektronicznych, od lat prowadzone są prace nad alternatywami dla ogniw litowych, spośród których dużym zainteresowaniem cieszą się ogniwa potasowo-jonowe. Potas należy do najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków w skorupie ziemskiej. Zajmuje on ósme miejsce na liście pierwiastków pod względem masy zgromadzonej w skorupie ziemskiej, co plasuje go znacznie wyżej od litu. Duża dostępność surowca przekłada się na jego niższą cenę, co skłania do intensyfikacji prac nad wdrożeniem tego pierwiastka do komercyjnych urządzeń elektrochemicznych. Zanim to nastąpi, należy rozwiązać trudnośc i związane z brakiem kompatybilności potasu z niektórymi materiałami elektrodowymi stosowanymi w ogniwach litowych.Lithium-ion cells currently dominate the global battery market in terms of capacity and energy delivery. However, a significant threat to the continued rapid development of this technology is the limited lithium resources in the Earth's crust and its difficult recovery from used batteries. To ensure the continued production of chemical power sources for electric vehicles, stationary renewable energy storage systems, and portable electronic devices, research has been underway for years on alternatives to lithium cells, with potassium-ion cells enjoying considerable popularity. Potassium is one of the most abundant elements in the Earth's crust. It ranks eighth on the list of elements by mass stored in the Earth's crust, placing it significantly above lithium. The abundant availability of this raw material translates into its lower price, prompting intensified work on implementing this element in commercial electrochemical devices. Before this can happen, difficulties related to potassium's incompatibility with some electrode materials used in lithium cells must be resolved.

Palące problemy dotyczą zwłaszcza niestabilności materiałów katodowych z potasem. Jednakże dopracowuje się także materiały anodowe służące do wytworzenia elektrod ujemnych. Elektrody ujemne najczęściej produkowane są z materiałów węglowych, a w przypadku ogniw litowo-jonowych zazwyczaj jest to naturalny bądź syntetyczny grafit. Mimo że ogniwa potasowo-jonowe mogą korzystać z tej krystalicznej formy alotropowej węgla, powinno się dążyć do dywersyfikacji pochodzenia materiałów elektrodowych. Obecnie odchodzi się od polegania wyłącznie na ropie naftowej jako źródle materiałów polimerowych i węglowych. Stąd też próby poszukiwania kompatybilnych materiałów z innych źródeł. Jednym z takich materiałów może stać się szungit - metamorficzna forma węgla powstała z organicznych osadów prekambryjskich. Dotychczas był on kojarzony głównie z filtrami wody pitnej, lecz coraz częściej znajduje on zastosowanie w elektrochemii, głównie w elektrokatalizie. Specyficzna struktura tego materiału skłania do zastosowania go również w akumulatorach.Pressing problems particularly concern the instability of potassium cathode materials. However, anode materials for negative electrodes are also being developed. Negative electrodes are most often made from carbon materials, and in the case of lithium-ion cells, this is typically natural or synthetic graphite. Although potassium-ion cells can utilize this crystalline allotropic form of carbon, efforts should be made to diversify the origins of electrode materials. Currently, there is a shift away from relying solely on crude oil as a source of polymer and carbon materials. Hence, efforts are being made to find compatible materials from other sources. One such material could be shungite – a metamorphic form of carbon formed from organic Precambrian sediments. Until now, it has been associated primarily with drinking water filters, but it is increasingly finding applications in electrochemistry, particularly electrocatalysis. The specific structure of this material also suggests its use in batteries.

Ogniwa potasowo-jonowe stanowią potencjalne zamienniki akumulatorów litowych z powodu większego rozpowszechnienia potasu w skorupie ziemskiej. Zasada działania tych dwóch typów ogniw jest analogiczna i zależy od typu użytych elektrod (Y. Ma, Y. Ma, H. Euchner, X. Liu, H. Zhang, B. Qin, D. Geiger, J. Biskupek, A. Carlsson, U. Kaiser, A. GroB, S. Indris, S. Passerini, D. Bresser, ACS Energy Lett. 6, 2021: 915-924):Potassium-ion cells are potential replacements for lithium batteries due to the greater abundance of potassium in the Earth's crust. The operating principle of these two types of cells is analogous and depends on the type of electrodes used (Y. Ma, Y. Ma, H. Euchner, X. Liu, H. Zhang, B. Qin, D. Geiger, J. Biskupek, A. Carlsson, U. Kaiser, A. GroB, S. Indris, S. Passerini, D. Bresser, ACS Energy Lett. 6, 2021: 915-924):

a) w przypadku elektrod interkalacyjnych (np. grafit - elektroda ujemna, litowany tlenek kobaltu - elektroda dodatnia) jony danego pierwiastka alkalicznego ulegają odwracalnej interkalacji w materiałach elektrodowych, jest to mechanizm nazywany „krzesłem bujanym”,a) in the case of intercalation electrodes (e.g. graphite - negative electrode, lithiated cobalt oxide - positive electrode), ions of a given alkaline element undergo reversible intercalation in the electrode materials, this is a mechanism called the "rocking chair",

b) w przypadku elektrod konwersyjnych jony metali alkalicznych ulegają reakcji chemicznej, w wyniki której powstaje np. stop litu z innym metalem.b) in the case of conversion electrodes, alkali metal ions undergo a chemical reaction, resulting in the formation of, for example, an alloy of lithium with another metal.

Elektrody typu konwersyjnego wymagają dopracowania przed powszechnym zastosowaniem komercyjnym ze względu na niestabilność powstających produktów, gwałtowne zmiany objętości elektrod podczas ładowania i wyładowania, ograniczoną sprawność cykliczną. Stąd też niesłabnące zainteresowanie sprawdzonymi elektrodami interkalacyjnymi oraz ich ciągły rozwój. Najpowszechniej stosowaną elektrodą interkalacyjną w ogniwach litowo-jonowych jest grafit. Jest to krystaliczna forma węgla o strukturze heksagonalnej, zdolna do interkalacji zarówno jonami litu, jak i potasu (Y. Wen, K. He, Y. Zhu, F. Han, Y. Xu, I. Matsuda, Y. Ishii, J. Cumings, C. Wang, 5, 2014: 4033).Conversion-type electrodes require further development before widespread commercial application due to the instability of the resulting products, rapid changes in electrode volume during charging and discharging, and limited cyclic efficiency. Hence, there is continued interest in and ongoing development of proven intercalation electrodes. The most commonly used intercalation electrode in lithium-ion cells is graphite. It is a crystalline form of carbon with a hexagonal structure, capable of intercalating with both lithium and potassium ions (Y. Wen, K. He, Y. Zhu, F. Han, Y. Xu, I. Matsuda, Y. Ishii, J. Cumings, C. Wang, 5, 2014: 4033).

Przykładem naturalnie występującego, niegrafityzującego materiału węglowego jest szungit. Występują pewne niejasności co do jego pochodzenia geologicznego, lecz zdaniem geologów jest to stara skała metamorficzna powstała w prekambrze (a dokładniej w niskim proterozoiku) na drodze przeobrażenia osadowych łupków bitumicznych powstałych z alg (V.A. Melezhik, M.M. Filippov, A.E. Romashkin, Ore Geology Reviews, 24, 2004: 135-154). Niektórzy badacze uważają, że jest on bituminem o wysokim stopniu przeobrażenia (V.V. Kovalevski, RR. Buseck, J.M. Cowley, Carbon, 39, 2001: 243-256). Co więcej to właśnie w tej skale odkryto naturalnie występujące fullereny - jedną z odmian alotropowych węgla (P.R. Buseck, S.J. Tsipursky, R. Hettich, Science, 257, 1992: 215-217). Największe pokłady szungitu występują w Karelii, choć inne bituminy rozpowszechnione są m.in. w całej Skandynawii, Kanadzie i częściowo w USA (V.V. Kovalevski, RR. Buseck, J.M. Cowley, Carbon, 39, 2001: 243-256). Szungit klasyfikuje się pod względem zawartości węgla na pięć klas: I (84-98%), II (42-84%),An example of a naturally occurring, non-graphitizing carbonaceous material is shungite. There is some uncertainty about its geological origin, but geologists believe it is an ancient metamorphic rock formed in the Precambrian (more precisely, in the lower Proterozoic) by the transformation of sedimentary oil shales derived from algae (V.A. Melezhik, M.M. Filippov, A.E. Romashkin, Ore Geology Reviews, 24, 2004: 135-154). Some researchers consider it to be a highly altered bitumen (V.V. Kovalevski, RR. Buseck, J.M. Cowley, Carbon, 39, 2001: 243-256). Moreover, it was in this rock that naturally occurring fullerenes were discovered - one of the allotropic varieties of carbon (P.R. Buseck, S.J. Tsipursky, R. Hettich, Science, 257, 1992: 215-217). The largest deposits of shungite are found in Karelia, although other bitumens are widespread, among others, throughout Scandinavia, Canada and partly in the USA (V.V. Kovalevski, RR. Buseck, J.M. Cowley, Carbon, 39, 2001: 243-256). Shungite is classified according to carbon content into five classes: I (84-98%), II (42-84%),

III (30-37%), IV (15-20% oraz V (3-6%) (A.Z.Z. Peter, R. Buseck, P.L. Galdobina, V.V. Kovalevski, N.N. Rozhkova, W.J. Valley, Can. Mineral. 35, 1997: 1363-1378).III (30-37%), IV (15-20% and V (3-6%) (A.Z.Z. Peter, R. Buseck, P.L. Galdobina, V.V. Kovalevski, N.N. Rozhkova, W.J. Valley, Can. Mineral. 35, 1997: 1363-1378).

W dostępnej literaturze znaleziono jedynie dwa przykłady zastosowania tego materiału w elektrodach ujemnych dla ogniw litowo-jonowych. W obu ogniwach elektroda ujemna z nieprzetworzonego szungitu osiągnęła pojemność właściwą w zakresie 150-170 mAh g-1 (R.M. Humana, M.G. Ortiz, J.E. Thomas, S.G. Real, M. Sedlarikova, J. Vondrak, A. Visintin, J. Solid State Electrochem., 20, 2016: 1053-1058; N.H. Chou, N. Pierce, Y. Lei, N. Perea-Lopez, K. Fujisawa, S. Subramanian, J.A. Robinson, G. Chen, K. Omichi, S.S. Rozhkov, N.N. Rozhkova, M. Terrones, A.R. Harutyunyan, Carbon, 130, 2018: 105-111), a po zmieleniu szungitu w obniżonej temperaturze wartość ta znacznie wzrosła, przekraczając 200 mAh g-1 (N.H. Chou, N. Pierce, Y. Lei, N. Perea-Lopez, K. Fujisawa, S. Subramanian, J.A. Robinson, G. Chen, K. Omichi, S.S. Rozhkov, N.N. Rozhkova, M. Terrones, A.R. Harutyunyan, Carbon, 130, 2018: 105-111).In the available literature, only two examples of the use of this material in negative electrodes for lithium-ion cells have been found. In both cells, the negative electrode made of unprocessed shungite reached a specific capacity in the range of 150-170 mAh g -1 (RM Humana, MG Ortiz, JE Thomas, SG Real, M. Sedlarikova, J. Vondrak, A. Visintin, J. Solid State Electrochem., 20, 2016: 1053-1058; NH Chou, N. Pierce, Y. Lei, N. Perea-Lopez, K. Fujisawa, S. Subramanian, JA Robinson, G. Chen, K. Omichi, SS Rozhkov, NN Rozhkova, M. Terrones, AR Harutyunyan, Carbon, 130, 2018: 105-111), and after grinding shungite at a reduced temperature, this value increased significantly, exceeding 200 mAh g -1 (N.H. Chou, N. Pierce, Y. Lei, N. Perea-Lopez, K. Fujisawa, S. Subramanian, J. A. Robinson, G. Chen, K. Omichi, S. S. Rozhkov, N. N. Rozhkova, M. Terrones, A. R. Harutyunyan, Carbon, 130, 2018: 105-111).

Bardziej powszechne zastosowania szungitu dotyczą elektrokatalizy i elektroanalityki (N. Kazimova, K. Ping, M. Alam, M. Danilson, M. Merisalu, J. Aruvali, P. Paiste, M. Kaarik, V. Mikli, J. Leis, K. Tammeveski, P. Starkov, N. Kong, J. Catalysis, 395, 2021: 178-187; Z. Chen, W.Wei, H.Chen, B.J. Ni, Int. J. Hydrogen Energy, online, 06.04.2022; G. Jashari, I. Śvancara, M. Sys, Electrochim. Acta, 410, 2022: 140047; A.A. Kovalchuk, N.N. Rozhkova, A.V. Prikhodko, Current Nanosci. 19, 2023: 82-89).More common applications of shungite are in electrocatalysis and electroanalysis (N. Kazimova, K. Ping, M. Alam, M. Danilson, M. Merisalu, J. Aruvali, P. Paiste, M. Kaarik, V. Mikli, J. Leis, K. Tammeveski, P. Starkov, N. Kong, J. Catalysis, 395, 2021: 178-187; Z. Chen, W. Chen, B.J. Ni, Int. A.A. Kovalchuk, N.N. Rozhkova, A.V. Prikhodko, Current Nanosci. 19, 2023: 82-89).

Według najlepszej wiedzy twórców szungit nie został wcześniej wykorzystany jako elektroda ujemna w technologiach akumulatorów wtórnych opartych na potasie.To the best of the developers' knowledge, shungite has not been previously used as a negative electrode in potassium-based secondary battery technologies.

Istotą wynalazku jest ogniwo potasowo-jonowe z elektrodą ujemną na bazie szungitu pracujące w ciekłym elektrolicie organicznym, w którym materiał aktywny elektrody ujemnej stanowi naturalny szungit w ilości minimum 85% wag. elektrody ujemnej, a elektrolit stanowi 0,8-molowym roztwór soli przewodzącej potasu, w postaci heksafluorofosforan potasu w mieszaninie węglanu etylenu i węglanu dietylu o równych udziałach objętościowych.The essence of the invention is a potassium-ion cell with a shungite-based negative electrode operating in a liquid organic electrolyte, in which the active material of the negative electrode is natural shungite in an amount of at least 85% by weight of the negative electrode, and the electrolyte is a 0.8-molar solution of a potassium conducting salt in the form of potassium hexafluorophosphate in a mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate in equal volume fractions.

Zastosowany szungit to szungit klasy I o dużej zawartości węgla, 84-98%, rozdrobniony metodą wysokoenergetycznego mielenia do średniej średnicy cząstek 6 μm.The shungite used is class I shungite with a high carbon content of 84-98%, crushed by high-energy grinding to an average particle diameter of 6 μm.

Dzięki zastosowaniu przedstawionego rozwiązania uzyskano następujące efekty techniczno -użytkowe:Thanks to the use of the presented solution, the following technical and operational effects were achieved:

• wyselekcjonowanie elektrody węglowej kompatybilnej z głównymi pierwiastkami alkalicznymi wykorzystywanymi w technologiach akumulatorowych (tu: potas) • stabilną pracę cykliczną elektrody ujemnej z dużą wydajnością prądową, • parametry pracy ogniw potasowych zbliżone do ogniwa litowego z tą samą elektroda ujemną. Przedstawione rozwiązanie przynosi szereg korzyści, dzięki którym możliwy jest rozwój technologii akumulatorowych opartych na pierwiastkach występujących w skorupie ziemskiej w większej ilości niż lit. W przedstawionym wynalazku pierwiastkiem tym jest potas. Elektroda ujemna wykonana z szungitu jest kompatybilna zarówno z litem, jak i potasem dzięki strukturze turbostatycznej tego materiału. Jest to właściwość nieczęsto spotykana, co sprawia, że przedstawione rozwiązanie może ułatwić zastąpienie litu innymi metalami alkalicznymi. Uzyskane właściwości techniczno-użytkowe ogniw potasowych i sodowych z elektrodą ujemną wykonaną z szungitu są zbliżone do ogniw litowych z analogiczną elektrodą. Przemawia to za wykorzystaniem tego materiału w alternatywnych technologiach akumulatorowych. Ponadto przedstawiony materiał jest pochodzenia naturalnego, dzięki czemu zmniejsza się zapotrzebowanie na ropę naftową, która do tej pory była niezbędna np. do wytwarzania materiałów węglowych z polimerów ropopochodnych na drodze pirolizy.• selecting a carbon electrode compatible with the main alkaline elements used in battery technologies (in this case: potassium); • stable cyclic operation of the negative electrode with high current efficiency; • operating parameters of potassium cells similar to those of a lithium cell with the same negative electrode. The presented solution offers a number of benefits, enabling the development of battery technologies based on elements found in the Earth's crust in greater abundance than lithium. In the presented invention, this element is potassium. The negative electrode made of shungite is compatible with both lithium and potassium thanks to the turbostatic structure of this material. This is a rare property, which means that the presented solution can facilitate the replacement of lithium with other alkali metals. The resulting technical and operational properties of potassium and sodium cells with a negative electrode made of shungite are similar to lithium cells with a similar electrode. This supports the use of this material in alternative battery technologies. Furthermore, the material is of natural origin, reducing the need for crude oil, which has previously been necessary for the production of carbon materials from petroleum-derived polymers via pyrolysis.

PRZYKŁAD 1EXAMPLE 1

Ogniwo potasowo-jonowe będące przedmiotem wynalazku wykonano w dwuelektrodowym naczyniu elektrochemicznym z wykorzystaniem następujących elementów:The potassium-ion cell which is the subject of the invention was made in a two-electrode electrochemical vessel using the following elements:

• potasu naniesionego na stalowy kolektor prądowy o średnicy 12 mm, • ciekłego elektrolitu organicznego będącego 0,8-molowym roztworem heksafluorofosforanu potasu w mieszaninie węglanu etylenu (EC) i węglanu dietylu (DEC) o równych udziałach objętościowych (ok. 150 μl elektrolitu na ogniwo), • separatora z włókna szklanego o średnicy 12 mm, • elektrody ujemnej o średnicy 12 mm wytworzonej z naturalnego szungitu o zawartości węgla 93,5% rozdrobnionego metodą wysokoenergetycznego mielenia do średniej średnicy cząstek 6 μm.• potassium applied to a steel current collector with a diameter of 12 mm, • a liquid organic electrolyte being a 0.8-molar solution of potassium hexafluorophosphate in a mixture of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) with equal volume fractions (approx. 150 μl of electrolyte per cell), • a glass fiber separator with a diameter of 12 mm, • a negative electrode with a diameter of 12 mm made of natural shungite with a carbon content of 93.5%, crushed by high-energy grinding to an average particle diameter of 6 μm.

Elektrodę ujemną wytworzono w następujący sposób: materiał aktywny (szungit), polimerowe lepiszcze (poli(fluorek winylidenu) w postaci 10% roztworu w N-metylopirolidonie) i dodatek zwiększającyThe negative electrode was prepared as follows: active material (shungite), polymer binder (poly(vinylidene fluoride) in the form of a 10% solution in N-methylpyrrolidone) and an additive increasing

PL 248953 Β1 przewodnictwo (sadza) zmieszano w stosunku masowym 85:10:5. Następnie dodawano N-metylopirolidonu aż do uzyskania konsystencji rzadkiej pasty. Mieszanie kontynuowano przez 24 godziny. Gotową pastę nałożono na krążki odtłuszczonej folii miedzianej. Elektrody suszono 12 godzin w temperaturze 55°C, a następnie 8 godzin pod próżnią w temperaturze 105°C. Elektrody i składniki elektrolitu przechowywano w komorze rękawicowej wypełnionej argonem.PL 248953 Β1 conductivity (carbon black) was mixed in a mass ratio of 85:10:5. N-methylpyrrolidone was then added until a thin paste was obtained. Mixing was continued for 24 hours. The prepared paste was applied to degreased copper foil discs. The electrodes were dried for 12 hours at 55°C and then for 8 hours under vacuum at 105°C. The electrodes and electrolyte components were stored in an argon-filled glove box.

Ogniwa potasowe o schemacie szungit elektrolit potas konstruowano w polipropylenowych naczyniach elektrochemicznych w komorze rękawicowej. Pracę cykliczną ogniw zbadano poprzez galwanostatyczne ładowanie/wyładowanie przy obciążeniu ogniw prądem dwudziestogodzinnym C/20. W badaniach przyjęto pojemność teoretyczną jako pojemność grafitu 372 mAh g-1. Stabilność elektrochemiczną ogniw badano za pomocą elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej w zakresie częstotliwości 100 000-0,01 Hz. Badanie wykonano po pierwszym cyklu formacyjnym oraz po 10 cyklu pracy ogniwa. Dane te posłużyły do wyznaczenia głównych składowych oporu układu, tj. oporu omowego ogniwa Rs, oporu warstwy pasywnej SEI na powierzchni elektrody ujemnej Rsei oraz oporu procesu przeniesienia ładunku Ret. Wyniki zabrano w tabeli 1.Potassium cells with a shungite-electrolyte potassium design were constructed in polypropylene electrochemical vessels in a glove box. Cyclic operation of the cells was tested by galvanostatic charge/discharge at a 20-hour C/20 current load. The theoretical capacity was assumed to be 372 mAh g- 1 of graphite. Electrochemical stability of the cells was studied using electrochemical impedance spectroscopy in the frequency range of 100,000-0.01 Hz. The study was performed after the first formation cycle and after the 10th cell cycle. These data were used to determine the main components of the system resistance, i.e., the ohmic resistance of the cell R s , the resistance of the SEI passive layer on the negative electrode surface R s , and the charge transfer resistance Ret . The results are summarized in Table 1.

Tabela 1Table 1

Zestawienie elektrochemicznych właściwości techniczno-użytkowych ogniw potasowych z anodą wykonaną z szungitu z elektrolitem ciekłym 0,8M KPFe w EC:DEC (50:50 obj.).Summary of electrochemical technical and operational properties of potassium cells with an anode made of shungite and a liquid electrolyte of 0.8M KPFe in EC:DEC (50:50 by volume).

Pojemność wyładowania Qd [mAh g-1] Discharge capacity Q d [mAh g- 1 ] Wydajność prądowa cyklu [%] Cycle current efficiency [%] Energia ogniwa E [mWh g Cell energy E [mWh g FormacjaFormation 155,7 155.7 49,1 49.1 390,9 390.9 CykliCycles 158,6 158.6 87,6 87.6 Cykl 2Cycle 2 160,2 160.2 92,7 92.7 Cykl 3 Cycle 3 160,1 160.1 93,6 93.6 Cykl 4Cycle 4 157,1 157.1 91,6 91.6 Cykl 5 Cycle 5 158,3 158.3 96,1 96.1 Cykl 6 Cycle 6 155,3 155.3 93,6 93.6 Cykl 7 Cycle 7 156,1 156.1 95,9 95.9 Cykl 8 Cycle 8 154,7 154.7 97,9 97.9 Cykl 9 Cycle 9 151,9 151.9 95,7 95.7 Cykl 10 Cycle 10 151,3 151.3 96,8 96.8 Główne składowe rezystancji ogniwa po formacji:Main components of cell resistance after formation: Opór omowy Rs fRl Ohmic resistance R s fRl Opór SEI R$E1 |K| Resistance SEI R$ E1 |K| Opór przeniesienia ładunku Rct [R] Charge transfer resistance Rc t [R] 7,51 7.51 11,01 11.01 531,39 531.39 Główne składowe rezystancji ogniwa po 10 cyklach:Main components of cell resistance after 10 cycles: Opór omowy R, fRlOhmic resistance R, fRl Opór SEI RsE1 |R| Resistance SEI Rs E1 |R| Opór przeniesienia ładunku R^ [R]Charge transfer resistance R^ [R] 10,33 10.33 45,34 45.34 470,14 470.14

Claims (1)

1. Ogniwo potasowo-jonowe z elektrodą ujemną na bazie szungitu pracujące w ciekłym elektrolicie organicznym znamienne tym, że materiał aktywny elektrody ujemnej stanowi naturalny szungit w ilości 85% wag. elektrody ujemnej, a elektrolit stanowi 0,8-molowym roztwór heksafluorofosforanu potasu w mieszaninie węglanu etylenu i węglanu dietylu o równych udziałach objętościowych, przy czym naturalny szungit posiada zawartość węgla w zakresie 84-98% i jest stosowany w postaci zmielonej o średniej średnicy cząstek 6 pm.1. A potassium-ion cell with a negative electrode based on shungite operating in a liquid organic electrolyte, characterized in that the active material of the negative electrode is natural shungite in the amount of 85% by weight of the negative electrode, and the electrolyte is a 0.8 molar solution of potassium hexafluorophosphate in a mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate in equal volume fractions, wherein the natural shungite has a carbon content in the range of 84-98% and is used in a ground form with an average particle diameter of 6 µm.
PL445466A 2023-07-04 2023-07-04 Potassium-ion cell with a shungite-based negative electrode PL248953B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL445466A PL248953B1 (en) 2023-07-04 2023-07-04 Potassium-ion cell with a shungite-based negative electrode

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL445466A PL248953B1 (en) 2023-07-04 2023-07-04 Potassium-ion cell with a shungite-based negative electrode

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL445466A1 PL445466A1 (en) 2024-09-23
PL248953B1 true PL248953B1 (en) 2026-02-16

Family

ID=92843837

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL445466A PL248953B1 (en) 2023-07-04 2023-07-04 Potassium-ion cell with a shungite-based negative electrode

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL248953B1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016147607A1 (en) * 2015-03-13 2016-09-22 Sharp Kabushiki Kaisha Anode for sodium-ion and potassium-ion batteries
WO2016168496A1 (en) * 2015-04-17 2016-10-20 Oregon State University Potassium ion electric energy storage devices
WO2017074081A1 (en) * 2015-10-29 2017-05-04 ㈜에이치아이엠앤드에이코리아 Siox-fullerene complex, preparation method therefor, preparation apparatus therefor, and use thereof

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016147607A1 (en) * 2015-03-13 2016-09-22 Sharp Kabushiki Kaisha Anode for sodium-ion and potassium-ion batteries
WO2016168496A1 (en) * 2015-04-17 2016-10-20 Oregon State University Potassium ion electric energy storage devices
WO2017074081A1 (en) * 2015-10-29 2017-05-04 ㈜에이치아이엠앤드에이코리아 Siox-fullerene complex, preparation method therefor, preparation apparatus therefor, and use thereof

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
N.H. CHOU I INNI: "Carbon, 2018, 130, 105-111", CARBON-RICH SHUNGITE AS A NATURAL RESOURCE FOR EFFICIENT LI-ION BATTERY ELECTRODES *

Also Published As

Publication number Publication date
PL445466A1 (en) 2024-09-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Liu et al. pH‐buffer contained electrolyte for self‐adjusted cathode‐free Zn–MnO2 batteries with coexistence of dual mechanisms
Abdulla et al. Review on the suppression of Zn dendrite for high performance of Zn ion battery
Weng et al. Construction of hierarchical K0. 7Mn0. 7Mg0. 3O2 microparticles as high capacity & long cycle life cathode materials for low-cost potassium-ion batteries
Peters et al. Life cycle assessment of sodium-ion batteries
Trócoli et al. An aqueous zinc‐ion battery based on copper hexacyanoferrate
Darwiche et al. Reinstating lead for high-loaded efficient negative electrode for rechargeable sodium-ion battery
EP2731179B1 (en) Anode comprising silicon-based material and carbon material, and lithium secondary battery comprising same
Hounjet Comparing lithium‐and sodium‐ion batteries for their applicability within energy storage systems
Zhao et al. Electrolytes for aluminum–air batteries: advances, challenges, and applications
US9531002B2 (en) Transition metal cyanometallate cathode battery with metal plating anode
CN103022577A (en) Water system chargeable sodium-ion battery
Tian et al. Self‐Supporting Multicomponent Hierarchical Network Aerogel as Sulfur Anchoring‐Catalytic Medium for Highly Stable Lithium–Sulfur Battery
WO2019091067A1 (en) Nitrogen-sulfur co-doped carbon coated tin/molybdenum disulfide composite material for lithium ion battery and preparation method therefor
KR20140070525A (en) High voltage battery composed of anode limited electrochemical cells
Sun et al. Practical assessment of the energy density of potassium-ion batteries
Wu et al. Tetrathiafulvalene as a multifunctional electrolyte additive for simultaneous interface amelioration, electron conduction, and polysulfide redox regulation in lithium-sulfur batteries
Xu et al. A Garnet‐Type Solid‐Electrolyte‐Based Molten Lithium− Molybdenum− Iron (II) Chloride Battery with Advanced Reaction Mechanism
Park et al. Improvement of structural stability of cathode by manganese additive in electrolyte for zinc‐ion batteries
CN115275208B (en) High-specific-energy aqueous lithium ion battery and preparation method thereof
Chen et al. Rational Design of Co‐NiSe2@ N‐Doped Carbon Hollow Structure for Enhanced Li–S Battery Performance
Xiao et al. Empowering polypropylene separator with enhanced polysulfide adsorption and reutilization ability for high-performance Li-S batteries
WO2020056514A1 (en) Aluminum-ion battery using aluminum chloride/amide-based deep eutectic solvents
Ma et al. Lithiated carboxylated nitrile butadiene rubber with strong polysulfide immobilization ability as a binder for improving lithium-sulfur battery performance
Liang et al. Cutting‐Edge Progress in Aqueous Zn‐S Batteries: Innovations in Cathodes, Electrolytes, and Mediators
Philippot et al. Life cycle assessment of silicon alloy-based lithium-ion battery for electric vehicles