科學(xué)通報(bào) | 錳基普魯士藍(lán)作為鈉/鉀離子電池正極的研究進(jìn)展

隨著可再生能源裝機(jī)容量的快速增長，如何高效、穩(wěn)定地儲(chǔ)存電能成為能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。鋰離子電池雖已廣泛應(yīng)用，但鋰資源儲(chǔ)量有限、成本攀升，亟需發(fā)展新型儲(chǔ)能電池技術(shù)。鈉離子電池和鉀離子電池因其原料豐富、成本低廉，被視為下一代大規(guī)模儲(chǔ)能的有力競爭者。然而，尋找兼具高容量、高電壓和長壽命的正極材料，仍是其商業(yè)化道路上的核心挑戰(zhàn)。

近日，南京師范大學(xué)周小四教授團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)通報(bào)》發(fā)表評(píng)述文章，系統(tǒng)梳理了錳基普魯士藍(lán)在鈉/鉀離子電池正極材料中的最新研究進(jìn)展。該材料以其獨(dú)特的開放框架結(jié)構(gòu)、可調(diào)控的組成和低成本優(yōu)勢，成為當(dāng)前儲(chǔ)能材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

1.“框架式”結(jié)構(gòu)：為離子打造快速通道

普魯士藍(lán)類似物具有類似“腳手架”的三維開放框架結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部擁有寬敞的離子通道，允許鈉離子或鉀離子自由、快速地穿梭。其中，錳基普魯士藍(lán)因其含有錳和鐵雙活性中心，可實(shí)現(xiàn)“雙電子”反應(yīng)，理論容量高，且工作電壓優(yōu)勢明顯，成為高性能正極材料的理想候選者。

2. 挑戰(zhàn)與突破：對(duì)抗結(jié)構(gòu)“變形”與離子“流失”

然而，理想的材料在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨諸多考驗(yàn)。錳離子在充放電過程中容易發(fā)生“Jahn–Teller畸變”，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)扭曲甚至崩塌，就像建筑物地基不穩(wěn)一樣影響壽命。此外，材料制備過程中難以完全避免的結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)空位，會(huì)“霸占”本應(yīng)屬于鈉/鉀離子的位置，降低電池容量。更棘手的是，錳離子在循環(huán)中可能溶解于電解液，造成活性物質(zhì)持續(xù)流失。

針對(duì)這些難題，研究人員發(fā)展出一系列優(yōu)化策略：（1）精細(xì)合成：通過改進(jìn)共沉淀法、引入絡(luò)合劑或采用機(jī)械化學(xué)法等新型工藝，有效減少了材料中的缺陷和結(jié)晶水，提升了結(jié)構(gòu)完整性。（2）元素“摻雜”：在材料中引入鎳、銅、釩等其他金屬離子，可以從原子層面穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)，有效抑制導(dǎo)致畸變的“Jahn–Teller效應(yīng)”，同時(shí)增強(qiáng)材料的導(dǎo)電性。（3）表面“穿衣”：在材料顆粒表面包覆一層碳材料或金屬化合物“保護(hù)衣”，既能減少電極與電解液之間的有害副反應(yīng)，抑制錳離子溶解，又能改善電子傳導(dǎo)，提升電池的倍率性能。

3. 鈉 vs 鉀：同材不同效

有趣的是，同樣的錳基普魯士藍(lán)材料，在鈉離子電池和鉀離子電池中表現(xiàn)各有千秋。在鉀離子電池中，它通常能輸出更高的工作電壓；而在鈉離子電池中，則往往能獲得更高的可逆容量。這主要是由于鈉離子和鉀離子本身的物理化學(xué)性質(zhì)（如離子半徑、溶劑化效應(yīng)）不同，導(dǎo)致它們在材料中的遷移行為、與框架的相互作用力存在差異。理解這些差異，有助于為不同應(yīng)用場景“量身定制”更合適的材料。

4. 展望：走向?qū)嵱没瘍?chǔ)能

盡管挑戰(zhàn)仍存，但通過持續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、合成優(yōu)化與界面調(diào)控，錳基普魯士藍(lán)正極材料的性能已得到顯著提升。未來，研究將更側(cè)重于深入理解其工作機(jī)理、開發(fā)匹配的新型電解液體系、推動(dòng)規(guī)模化制備技術(shù)，并完成全電池乃至軟包電池的實(shí)用化評(píng)估。

隨著材料科學(xué)與電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于錳基普魯士藍(lán)等低成本、高安全性正極材料的鈉/鉀離子電池，有望在對(duì)能量密度要求相對(duì)寬松的規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域（如電網(wǎng)儲(chǔ)能、備用電源等）發(fā)揮重要作用，為構(gòu)建清潔、低碳、可持續(xù)的能源結(jié)構(gòu)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

文章信息

王潔, 邢超, 楊蕎溪, 戚海杰, 周小四. 錳基普魯士藍(lán)作為鈉/鉀離子電池正極的研究進(jìn)展. 科學(xué)通報(bào), 2026, 71(9): 2064–2080

Wang J, Xing C, Yang Q, Qi H, Zhou X. Research progress on manganese-based Prussian blue as a cathode for sodium/potassium-ion batteries (in Chinese). Chin SciBull, 2026, 71(9): 2064–2080, doi: 10.1360/CSB-2025-5730

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