科學通報 | 錳基普魯士藍作為鈉/鉀離子電池正極的研究進展

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

近日，南京師范大學周小四教授團隊在《科學通報》發表評述文章，系統梳理了錳基普魯士藍在鈉/鉀離子電池正極材料中的最新研究進展。該材料以其獨特的開放框架結構、可調控的組成和低成本優勢，成為當前儲能材料領域的研究熱點。

1.“框架式”結構：為離子打造快速通道

普魯士藍類似物具有類似“腳手架”的三維開放框架結構，其內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，錳基普魯士藍因其含有錳和鐵雙活性中心，可實現“雙電子”反應，理論容量高，且工作電壓優勢明顯，成為高性能正極材料的理想候選者。

2. 挑戰與突破：對抗結構“變形”與離子“流失”

然而，理想的材料在實際應用中仍面臨諸多考驗。錳離子在充放電過程中容易發生“Jahn–Teller畸變”，導致晶體結構扭曲甚至崩塌，就像建筑物地基不穩一樣影響壽命。此外，材料制備過程中難以完全避免的結晶水和結構空位，會“霸占”本應屬于鈉/鉀離子的位置，降低電池容量。更棘手的是，錳離子在循環中可能溶解于電解液，造成活性物質持續流失。

針對這些難題，研究人員發展出一系列優化策略：（1）精細合成：通過改進共沉淀法、引入絡合劑或采用機械化學法等新型工藝，有效減少了材料中的缺陷和結晶水，提升了結構完整性。（2）元素“摻雜”：在材料中引入鎳、銅、釩等其他金屬離子，可以從原子層面穩定晶體結構，有效抑制導致畸變的“Jahn–Teller效應”，同時增強材料的導電性。（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“保護衣”，既能減少電極與電解液之間的有害副反應，抑制錳離子溶解，又能改善電子傳導，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材料，在鈉離子電池和鉀離子電池中表現各有千秋。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性質（如離子半徑、溶劑化效應）不同，導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，有助于為不同應用場景“量身定制”更合適的材料。

4. 展望：走向實用化儲能

盡管挑戰仍存，但通過持續的結構設計、合成優化與界面調控，錳基普魯士藍正極材料的性能已得到顯著提升。未來，研究將更側重于深入理解其工作機理、開發匹配的新型電解液體系、推動規模化制備技術，并完成全電池乃至軟包電池的實用化評估。

隨著材料科學與電池技術的不斷進步，基于錳基普魯士藍等低成本、高安全性正極材料的鈉/鉀離子電池，有望在對能量密度要求相對寬松的規模儲能領域（如電網儲能、備用電源等）發揮重要作用，為構建清潔、低碳、可持續的能源結構提供關鍵技術支撐。

文章信息

王潔, 邢超, 楊蕎溪, 戚海杰, 周小四. 錳基普魯士藍作為鈉/鉀離子電池正極的研究進展. 科學通報, 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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