開(kāi)發(fā)具有高能量密度和倍率性能、長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性和可承受價(jià)格的可充電電池的迫切需求激發(fā)了對(duì)新型正極材料的研究興趣。鑒于常規(guī)正極主體氧化物和聚陰離子化合物遇到的許多問(wèn)題，普魯士藍(lán)化合物的開(kāi)放框架結(jié)構(gòu)提供了一種可能的替代主體結(jié)構(gòu)。
在此，北京理工大學(xué)高洪才教授、金海波教授、李靜波教授及王乾晨聯(lián)合中科院化學(xué)所辛森研究員綜述了在可充電電池中應(yīng)用普魯士藍(lán)正極材料的最新進(jìn)展，特別強(qiáng)調(diào)了不同插層物質(zhì)的電荷存儲(chǔ)機(jī)制、影響電化學(xué)性能的因素及克服其固有局限性的可能方法。
首先，作者簡(jiǎn)要介紹了普魯士藍(lán)材料的晶體結(jié)構(gòu)及合成方法，然后介紹了其在單價(jià)（Li+、Na+、K+）和多價(jià)（Mg2+、Ca2+、Zn2+和Al3+）金屬離子電池中的應(yīng)用進(jìn)展。普魯士藍(lán)化合物的開(kāi)放骨架結(jié)構(gòu)可以為堿金屬離子的嵌入/脫出提供足夠的間隙，即使對(duì)于具有較大離子半徑的K+也是如此。
然而除了少數(shù)成功的例子外，插入多價(jià)Mg2+、Ca2+、Zn2+和Al3+是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。此外，普魯士藍(lán)電極的低體積能量密度可能會(huì)限制其在大型固定電池中的應(yīng)用。
圖1. 普魯士藍(lán)材料的晶體結(jié)構(gòu)
最后，作者展望了未來(lái)用于可充電電池的普魯士藍(lán)材料的發(fā)展：
（1）開(kāi)發(fā)先進(jìn)的合成方法來(lái)克服傳統(tǒng)的水溶液沉淀法的局限性。
（2）在普魯士藍(lán)顆粒上涂覆保護(hù)層的核殼結(jié)構(gòu)的合成可能會(huì)增加其在水系電解液中的穩(wěn)定性，且在循環(huán)過(guò)程中體積變化較小。
（3）普魯士藍(lán)材料的低電導(dǎo)率可以通過(guò)碳涂層策略來(lái)解決，低溫或基于溶液的化學(xué)合成可將普魯士藍(lán)顆粒結(jié)合到各種碳材料或?qū)щ娋酆衔锷蟻?lái)提高導(dǎo)電性。
（4）多價(jià)陽(yáng)離子比單價(jià)陽(yáng)離子的插層機(jī)制要復(fù)雜得多，需要設(shè)計(jì)一種能夠在每個(gè)分子式單元中可逆地嵌入/提取一個(gè)以上電子的主體材料以實(shí)現(xiàn)更高價(jià)態(tài)陽(yáng)離子的利用。
Prussian-blue materials: Revealing new opportunities for rechargeable batteries, InfoMat 2022. DOI: 10.1002/inf2.12311
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