可持續儲能技術的突破是發展可再生能源的有力支撐，符合中國國家能源戰略佈局。綜合安全和成本等因素，基於水系電解液的鉀離子二次電池將成為下一代儲能系統的重要選項。然而由於傳統電極材料在水系電解液中極易溶解，限制了水系電池在儲能領域中大規模應用。抑制或者消除電極材料的溶解是目前水系鉀離子電池領域亟待解決的核心問題。近日，湖南大學物理與微電子科學學院魯兵安教授團隊，透過使用原位陽離子介面修飾錳基普魯士藍的策略，實現了水系鉀離子電池的超十三萬次迴圈。
該研究成果以“Surface-substituted Prussian blue analogue cathode for sustainable potassium-ion batteries”為題，發表在《自然·可持續發展》（Nature Sustainability）雜誌上。湖南大學物理與微電子科學學院蓋軍民博士為第一作者，魯兵安教授為通訊作者。《自然—可持續發展》同期配發美國阿貢國家實驗室陸俊教授等的專文評述，認為此工作為解決低成本系統所面臨的主要挑戰提供了可行性。
錳基普魯士藍因其低成本、高容量和高工作電壓，成為了最具潛力的鉀離子電池正極材料。但在迴圈過程中，錳易於溶解至電解液中，致使容量衰減，阻礙錳基普魯士藍正極的實際應用。為抑制錳的溶解，蓋軍民博士等透過原位電化學方式在錳基普魯士藍表面構建了理想的梯度鐵錳介面。與傳統的錳基普魯士藍相比，原位表面修飾的介面不僅可以抑制錳基普魯士藍內部錳的溶解，且增強了鉀離子的擴散勢壘，從而大幅度地提升了電池的迴圈效能和倍率效能。蓋軍民博士等透過理論和實驗，證明了陽離子原位表面取代的過程。發現，透過原位表面陽離子修飾的錳基普魯士藍正極，在300 mA g-1和2500 mA g-1的放電容量分別為160 mAh g-1和120 mAh g-1，迴圈13萬次後容量未見明顯衰減。
原位表面取代後的錳基普魯士藍迴圈穩定性。
此外，原位表面取代策略下的水系鉀離子全電池在-20℃下容量為常溫下的80%，在50℃時容量約為常溫的110%，顯示出優良的高低溫效能。全電池經過裁剪後仍可以繼續工作，體現出水系電池的高安全性。該研究為合理設計氧化還原活性錳基高效能電池正極材料提供了新的方案。
該工作得到了中南大學周江教授、美國克萊姆森大學（Clemson University）的Apparao M. Rao教授的幫助與支援，以及國家自然科學基金優秀青年基金及國家自然科學基金區域聯合基金重點專案的資助。
蓋軍民博士（右一）、樊令副教授等正在從事電池實驗。
文章連結：https://www.nature.com/articles/s41893-021-00810-7
評價連結：https://www.nature.com/articles/s41893-021-00832-1
來源：物電院
攝影：王健為
實習編輯：李辛茹
責任編輯：文亦佳
