由于在循環(huán)性能、離子電導(dǎo)率和工作電壓方面的獨特優(yōu)勢，聚陰離子化合物是一種用于鉀離子電池（KIBs）的可行電極材料。同時，K⁺的尺寸對聚陰離子材料提出了很高的要求，它必須能承受K⁺嵌入/脫出過程中的嚴重結(jié)構(gòu)變形。為了保持穩(wěn)定的電化學(xué)性能，遵循適當(dāng)?shù)碾姌O材料設(shè)計指南至關(guān)重要。

在此，東北師范大學(xué)吳興隆教授、Yinglin Wang等人綜述了用于KIBs的聚陰離子化合物的當(dāng)前進展與挑戰(zhàn)。作者以中心金屬為基礎(chǔ)對眾多聚陰離子材料進行了分類并強調(diào)了其結(jié)構(gòu)特征和設(shè)計，比容量、倍率容量和循環(huán)穩(wěn)定性等電化學(xué)參數(shù)主要受晶體結(jié)構(gòu)和電導(dǎo)率的影響。因此，構(gòu)建促進K⁺快速擴散的結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，如無定形、層狀及開放框架結(jié)構(gòu)等。

為了提高電子導(dǎo)電性和電化學(xué)活性面積，通常采用碳涂層和納米結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(jié)合，這也是提高電化學(xué)性能最廣泛使用和技術(shù)成熟的方法。由于結(jié)晶水不利于有機電解液中聚陰離子材料的充放電，因此在整個制備過程中應(yīng)盡可能消除結(jié)晶水。最重要的是，通過在原始結(jié)構(gòu)中嵌入一些特定的原子或基團，這些材料可以被賦予新的特性，如可控的開放結(jié)構(gòu)、高孔隙率、可調(diào)孔徑、更大的導(dǎo)電性及可調(diào)電壓窗口等。

圖1. 用于KIB的聚陰離子化合物的整體回顧

總之，用于KIBs的聚陰離子材料的研究仍處于起步階段，作者提出了未來聚陰離子材料潛在發(fā)展方向的看法：

（1）成本是KIBs工業(yè)化的一個關(guān)鍵問題，Co、Ni、Ti等稀有金屬的比例應(yīng)適當(dāng)降低；

（2）目前，在KIB應(yīng)用中未觀察到如硅酸鹽、硼酸鹽和碳酸鹽等聚陰離子化合物；

（3）鈦基聚陰離子化合物的低氧化還原電位使其適用于KIB負極；

（4）聚陰離子材料與碳材料的結(jié)合可顯著提高電化學(xué)性能；

（5）基于聚陰離子材料的K⁺混合電容器的開發(fā)是一個值得研究的領(lǐng)域；

（6）納米結(jié)構(gòu)設(shè)計可用于改善擴散動力學(xué)；

（7）在未來的發(fā)展中，有必要根據(jù)每種材料的內(nèi)在優(yōu)勢，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化打造可產(chǎn)業(yè)化的電極材料；

（8）開發(fā)適用于聚陰離子化合物的高壓電解液仍然是主要優(yōu)先事項。

圖2. 鈦基聚陰離子材料（KTi₂ (PO₄) ₃）在充放電過程中的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和機理

Advanced polyanionic electrode materials for potassium-ion batteries: Progresses, challenges and application prospects, Materials Today 2022. DOI: 10.1016/j.mattod.2022.02.013