Калий

Калий — щелочной металл, неорганические соединения которого находят применение в электрохимии, агрохимии, металлургии и аналитической химии. Одно из перспективных технических направлений — использование ферроцианида калия в синтезе катодных материалов для калий-ионных аккумуляторов (КИА).

Нержавеющие сетки как сырьё для электродов

Нержавеющие стальные сетки используются в качестве фильтров и сит на очистных сооружениях, в вентиляционных системах и других промышленных установках. В жёстких условиях эксплуатации поверхность сеток покрывается слоем коррозионных продуктов. Традиционный способ утилизации — переплавка в печи — энергоёмок, требует значительных затрат времени и не даёт экономической отдачи, а также сопровождается выбросами.

Исследовательская группа из Института химии Китайской академии наук и Цзилиньского университета (Чанчунь, Китай) разработала альтернативный метод: превращение коррозированных нержавеющих сеток в катоды для калий-ионных перезаряжаемых батарей. Работа опубликована в журнале Angewandte Chemie.

Технология получения катодов: два этапа

Этап 1. Формирование берлинской лазури из ржавчины

Коррозированную сетку погружают в раствор ферроцианида калия (K₄[Fe(CN)₆]). Раствор растворяет ржавчину: ионы железа, хрома и никеля переходят в раствор и взаимодействуют с ферроцианидными ионами, образуя берлинскую лазурь — тёмно-синюю комплексную соль железа. Берлинская лазурь осаждается непосредственно на поверхности сетки в форме нанокубов с решётчатой структурой. Открытая кристаллическая решётка этих нанокубов обеспечивает обратимое внедрение и извлечение ионов калия при зарядке и разрядке — что и делает материал пригодным для катода КИА.

Этап 2. Нанесение и восстановление оксида графена (RGO)

Сетку с покрытием из берлинской лазури погружают в раствор оксида графена (окисленные слои графита). Слой оксида графена плотно обволакивает нанокубы. Затем проводится химическое восстановление: оксид графена переходит в восстановленный оксид графена (RGO) — слои графита с изолированными атомами кислорода. Этот шаг принципиален: сам оксид графена является электрически неактивным, тогда как RGO обладает хорошей проводимостью. RGO выполняет три функции одновременно: препятствует агломерации и отслоению активного материала, значительно повышает электронную проводимость покрытия и формирует ультрабыстрые электронно-транспортные каналы внутри структуры электрода.

Характеристики полученных катодов

Испытания в монетных ячейках (coin cells) показали высокую удельную ёмкость, стабильный разрядный потенциал и длительную цикловую стабильность. Электроды не содержат связующих компонентов (binder-free конструкция), что снижает внутреннее сопротивление и упрощает технологию сборки. Высокая механическая гибкость электродной структуры делает их перспективными для применения в гибких электронных устройствах.

С практической точки зрения метод предлагает двойной эффект: технический (высокоэффективные катоды без традиционного химического синтеза исходного активного материала) и ресурсный (утилизация металлических отходов с получением ценного продукта). Калий-ионные аккумуляторы рассматриваются как экономически доступная альтернатива литий-ионным: калий значительно распространённее лития и существенно дешевле.

Подробнее о свойствах и поставках калия металлического — в соответствующем разделе каталога. Графит и графитовые материалы, в том числе используемые как основа для получения оксида графена, представлены в разделе графитового порошка.