【儀表網 研發快訊】普魯士藍類似物(Prussian Blue Analogues, PBAs)因其開放的框架結構和較高的理論容量，被認為是水系鉀離子電池中極具潛力的理想電極材料。然而，目前的研究大多聚焦于正極材料中過渡金屬元素的調控與晶體結構的優化，常常忽略了晶格間隙水對電極動力學行為和結構穩定性所起的關鍵作用。
對于不含堿金屬陽離子的PBAs負極材料而言，其結構內部的空腔更易被水分子占據。在鉀離子脫嵌過程中，這些間隙水可能隨K?一同流失，進而引發晶格結構畸變、相結構退化以及離子擴散動力學遲滯等問題。這些問題在以往研究中未受到足夠重視，嚴重限制了PBAs在低電壓負極中的有效應用，成為制約其性能提升的關鍵瓶頸。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心的研究團隊提出了一種“陽離子自屏蔽”策略，以富含間隙水的MnCr基普魯士藍(K?.??Mn[Cr(CN)?]?.??·4.75H?O，簡稱MnHCC)作為水系鉀離子電池負極材料，并引入二羥基丙酮(DHA)作為電解液添加劑，構建出K?-DHA自屏蔽陽離子。DHA憑借其強配位能力優先占據K?的溶劑化殼層，有效抑制了間隙水參與脫嵌過程，從而維持了電極的富水狀態和結構穩定性。研究揭示了間隙水流失導致MnHCC電極出現雙充電平臺的機制，并證實DHA能夠通過抑制間隙水脫出和結構畸變，使MnHCC電極的充電電位穩定在-1.0 V。基于該策略組裝的全普魯士藍水系鉀離子電池實現了1.82 V的高工作電壓和76 Wh kg?¹的有效比能量，為發展高安全性、低成本的儲能電池提供了新思路。
本工作受到國家自然科學基金、江蘇省碳達峰碳中和創新計劃的資助。中國科學院物理研究所博士后郭秋卜及博士生韓帥為本文第一作者，陸雅翔研究員、肖睿娟副研究員和胡勇勝研究員為文章通訊作者。該成果以“陽離子自屏蔽”策略助力構建高電壓全普魯士藍水系鉀離子電池(Cation-self-shielding strategy promises high-voltage all-Prussian-blue-based aqueous K-ion batteries)為題發表于《自然·通訊》(Nature Communications)雜志上。
圖 (a)21KOTF 電解液中 MnHCC電極的 GCD 曲線。(b, c)21KOTF + 1m DHA電解液中 MnHCC 電極的 GCD和CV 曲線。(d)電極內離子遷移示意圖。(e, f)不同電解液的核磁和拉曼分析。(g)不同電解液中MnHCC電極的放電-充電過程示意圖。
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