随着便携式电子产品数量的迅速增加以及全球对电动交通和智能电网的推动，亟需兼具大规模、可持续、环保和安全的长寿命、高能量/功率密度的电化学储能器件。湖南大学鲁兵安教授团队提出了基于电解液动态修复电极的设计方法，实现了电极材料的超130000次循环，为大规模、可持续、环保和安全的储能提供了新的选择。

图1. 传统和原位取代Mn基普鲁士蓝正极充电(k离子释放)和放电(k离子插入)电极材料变化示意图。

Mn基普鲁士蓝因其大的框架结构、低成本、环保和安全，使其成为潜在下一代可工业化的钠/钾等离子电池正极材料。但在循环过程中过渡金属，特别是Mn倾向于溶解到电解液中，阻碍了其实际应用。湖南大学鲁兵安教授团队通过电解液原位自修复提升Mn基普鲁士蓝正极材料的稳定性。通过在电解液中加入一定量的铁离子（Fe³⁺），原位检测发现，在初始循环过程中，电解液中Mn含量增加，Fe含量降低（Mn部分溶解，Fe部分取代溶解的Mn）。原位透射电镜证明虽然不能完全阻止Mn的溶解，但Mn溶解产生的空位被引入的Fe填充。重要的是，Fe-Mn替换不是一个持续的过程，而是在前十个周期内完成。随着进一步循环，Fe和Mn离子的浓度不会改变。从另一个角度来看，这种策略可以被视为一种选择性的“修补”过程。基于这种表面修复工程，锰基普鲁士蓝正极可维持130000次循环（超过500天），其容量损失可以忽略不计。同时，15 mA h软包钾离子电池可以在很宽的温度范围 (-20 °C至50 °C) 内以高性能运行，即使电池被切割三分之一后仍可安全运行。优异的电化学性能可以归因于原位表面取代形成的表面层抑制了内部锰的溶解，为合理设计具有氧化还原活性锰正极材料开辟了途径。

通讯作者

鲁兵安，湖南大学，教授，博士生导师。

研究领域为储能材料与器件，特别是在钾基电池与器件。以第一作者、共同第一作者或者通讯作者在Nature、Nature Sustainability、Advanced Materials、Nature Communications等上发表多篇高水平学术论文150余篇，他引13300余次，累计高被引论文50余篇。

盖军民，博士，2021年毕业于湖南大学。

2021年毕业于湖南大学，导师鲁兵安教授，现入职郑州大学直聘研究员。以第一作者在Nature Sustainability、Advanced Energy Materials、ACS Materials Letters、Journal of Energy Chemistry等期刊发表论文7篇，入选ESI前1‰热点论文3篇。

详情请点击论文链接：