近日，清华大学深圳国际研究生院康飞宇教授、翟登云副教授团队与华中科技大学冯光教授团队合作，在普鲁士蓝正极材料的合成与结构设计方面取得系列进展。

钠离子电池、钾离子电池是大规模电化学储能的重要研究方向。普鲁士蓝正极作为这两种新型电池体系的主要电极材料，在新合成方法的开发、材料的微观结构调控以及储能过程中的结构演变，仍有待深入研究。

研究团队针对普鲁士蓝结构中的阴离子空位存在形式及其调控开展研究。通过解析锰基普鲁士蓝在合成生长过程中空位的潜在形成机制，提出了一种基于反应物价态调控的策略，实现了结构型空位的可控生成。研究证实，该有序排列的空位为离子传输提供了额外的转移路径，并且能够缓解充放电过程中的相变，从而有效提升循环和倍率性能。

此外，研究团队创新性地提出了间接性还原的方法，使得材料在过渡金属保持低价态的情况下，仍能遵循空位电荷平衡机制，进一步提高了结构中空位的含量。最终，以这种高空位含量的锰基普鲁士蓝材料为前驱体，通过高温诱导相变，成功获得了具有层状排布特征的普鲁士蓝类似物材料。实验结果表明，该材料作为锂离子电池负极，展现出高的比容量和优异的倍率性能。

研究成果分别以“一种具有高容量、快充性能、用于锂离子电池负极的层状普鲁士蓝材料的开发”（A layered Prussian blue analogue as fast-charging negative electrode material for lithium-ion batteries）和“揭示锰基普鲁士蓝正极材料的结构型空位对电化学储能的影响”（Unveiling the role of structural vacancies in Mn-based Prussian blue analogues for energy storage applications）为题，发表于《自然·通讯》（Nature Communications）和《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）。

两篇论文的第一作者为清华大学深圳国际研究生院2022级博士高崇伟，通讯作者为康飞宇、翟登云和冯光。研究得到国家自然科学基金、深圳市基础研究项目和清华大学深圳国际研究生院海外科研合作基金的资助。

图1.锰基普鲁士蓝材料中两种空位形成的路径分析

图2.具有层状结构的普鲁士蓝材料的结构表征

另外，研究团队提出了多种可规模化制备的普鲁士蓝正极材料的合成方法，并申请了专利。首先，传统共沉淀法合成的普鲁士蓝通常存在[Fe(CN)6]4-缺陷和晶格水等问题，导致电化学性能变差且难以规模化生产。针对以上问题，团队提出了一种无溶剂的机械化学合成策略以解决上述问题，合成的锰基普鲁士蓝材料中缺陷和水分含量极低，展现出590 Wh kg⁻¹的高能量密度、50C超快充放电能力及10000次循环的卓越稳定性。更重要的是，该策略具有显著的规模化潜力，在实验室可实现10分钟内公斤级高质量锰基普鲁士蓝的制备，所组装的高面容量（2.2 mAh cm⁻²）软包电池可以实现500次以上的稳定循环。

针对钾离子电池铁基普鲁士蓝不可控的[Fe(CN)6]4-空位和结晶水问题，团队提出了一种反应环境定制的合成策略。通过采用高浓度双氟磺酰亚胺钾（KFSI）/水母液，调控反应物溶解动力学，降低自由水活性，实现了反应物缓慢释放。所制备的普鲁士蓝正极展现出优异的循环稳定性：50 mA g-1下循环2500次（超一年）。此外，通过定量校准母液浓度，实现母液多次循环使用，合成的材料具有高度一致的批次稳定性，为低成本、高性能的普鲁士蓝正极材料的合成提供了新思路。

图3.机械化学法制备公斤级的锰基普鲁士蓝材料

图4.可循环利用的KFSI/H2O母液辅助合成高结晶性铁基普鲁士蓝材料

研究成果分别以“利用机械化学法规模化制备具有高容量的钾离子电池锰基普鲁士蓝正极材料”（Scalable mechanochemical synthesis of high-quality Prussian blue analogues for high-energy and durable potassium-ion batteries）和“利用可循环使用的高浓反应液制备高结晶度、低缺陷的钾离子电池铁基普鲁士蓝正极材料”（Reaction Environment-Tailored Synthesis of High-Quality Prussian Blue Analogues for Ultra-Stable Potassium Ion Batteries）为题，发表于《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）和《纳米快报》（Nano Letters）。

两篇论文的第一作者分别为清华大学深圳国际研究生院2024级博士生王旭男、张淑华，通讯作者为康飞宇和翟登云。研究得到国家自然科学基金、深圳市基础研究项目和清华大学深圳国际研究生院海外科研合作基金的资助。