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德国伊尔梅瑙工业大学雷勇教授团队AEL综述：普鲁士蓝及其类似物用于商业化快速充电钠/钾离子电池

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-01-30 21:51

正文

▲第一作者：洪萍

通讯作者：雷勇

通讯单位：伊尔梅瑙工业大学

论文DOI：10.1021/acsenergylett.4c02915（点击文末「阅读原文」，直达链接）

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近日，来自伊尔梅瑙工业大学的雷勇教授，在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表题为“Prussian Blue and Its Analogues for Commercializing Fast-Charging Sodium/Potassium-Ion Batteries”的综述文章。该综述文章分析了当前PBAs正极存在的问题和瓶颈，强调如何解决这些问题，并指出未来研究的方向和亮点。这将有助于指导相关研究人员在未来工作中开展有针对性的实验和探索，从而促进PB和PBAs在SIBs/PIBs应用中的商业化。

图1. 主要内容。

背景介绍

快速充电技术因其能够显著缩短充电时间并提升使用便利性，正受到广泛关注。钠离子电池（SIBs）和钾离子电池（PIBs）作为锂离子电池（LIBs）的补充品，因其资源丰富且成本低廉而备受青睐。然而，在快速充电和放电过程中，SIBs/PIBs中正极材料的晶体结构可能会遭受损伤，进而影响电池的性能、寿命和容量。为解决这一问题，需要开发具备超高倍率能力的电极材料。普鲁士蓝及其类似物（PB和PBAs）因其独特的结构和卓越的电化学性能，展现出作为快充SIBs和PIBs正极材料的巨大潜力。本综述重点讨论了PBAs在SIBs和PIBs中的应用，尤其是在提高快速充电性能（倍率）方面的优势，并分析了其商业化前景。通过系统的探讨，本文旨在为开发高倍率快充SIBs和PIBs提供实用指导，推动绿色能源技术的进步与普及。

本文亮点

本综述概述了快充PBAs研究中的挑战与障碍，提出了有效且实用的解决方案，并指出了未来研究的方向和亮点。这将有助于指导相关研究人员在未来的工作中开展有针对性的实验和探索，从而促进PB和PBAs在SIBs/PIBs应用中的商业化进程。

图文解析

要点一：目前商业化进程

全球电动汽车（EV）和插电式混合动力汽车（PHEV）的快速增长（图2），推动了对快速充电电池的需求，特别是钠离子电池（SIBs ）和钾离子电池（PIBs）。作为锂离子电池（LIBs）的补充方案，SIBs和PIBs在性能和成本上优于铅酸电池，具有在小型电动两轮车、汽车启停系统和通信基站等领域的巨大市场潜力。随着生产成本的降低和循环性能的提升，SIB和PIB有望在某些应用中替代磷酸铁锂电池，并提供更高的安全性。作为SIBs和PIBs的候选正极材料，PBAs因其优异的倍率性能和性价比，近年来得到了广泛研究。2023年，首个10 kWh PB钠离子储能示范项目成功启动，验证了PBAs在大规模储能中的潜力。同时，Brunp Recycling等公司在PBAs生产方面取得了显著进展，推动了其在SIBs的商业化应用。全球也有多家企业在以PBA为正极材料的SIBs研究和商业化方面取得了突出进展，主要讨论三家具有代表性的公司（图3）。

图2. (a) 2016年至2024年全球电动汽车销量及发展趋势。 (b) 2024年至2035年全球电动汽车销量预测。

图 3. (a) 宁德时代科技有限公司 SIB 参数。（b）Natron Energy SIB 参数。（c）Northvolt和Altris的SIB参数。

要点二：快速充电SIBs/PIBs的PBAs商业化面临的挑战

PBAs的工业化应用是推动快充SIBs/PIBs商业化的关键。作为快充SIBs/PIBs的正极材料，PBAs具有许多优点，但在实际应用中仍面临一些挑战，主要包括提升快充性能、控制生产成本以及解决商业化进程缓慢的问题。特别是，PBAs的倍率性能直接决定了电池的快充能力，是商业化的关键因素。PBAs的倍率性能主要受两个关键因素的影响：电导率和离子扩散率。本文的讨论将重点分析影响这两个因素的主要方面。图4总结了当前PBAs在快充SIBs/PIBs商业化过程中面临的四大挑战，这些挑战主要围绕PBAs的电导率和离子扩散率特性，包括结晶水、晶体和粒径、固有电导率和扩散率以及电极-电解质界面的影响。

图 4. PBAs用于快速充电SIBs/PIBs所面临的挑战。

要点三：PBAs快速充电策略

本论文系统地探讨了优化PBAs快充性能的策略，为提高实际电池性能提供了重要的见解。这些优化策略通过直接和间接调整PBAs的电导率和离子扩散率，分为四个主要部分：控制结晶水、调节晶体结构和粒径、提升固有电导率和离子迁移率、优化电极-电解质界面（见图5）。需要注意的是，这些因素相互关联，某一策略的实施往往能够同时解决多个性能问题。

图 5. PBAs的快速充电策略。

总结与展望

根据市场预测，到2024年，基于PB的正极材料全球市场规模将达到数亿美元，随着钠离子电池在能源存储和电动交通领域的广泛应用，未来几年该市场预计将持续扩展。预计到2030年，PB基正极材料市场将迎来高速增长，特别是在SIBs领域，这一领域将受益于政策支持、技术创新以及不断增长的市场需求。通过进一步优化材料性能、降低生产成本、提高生产工艺的规模化以及加强国际合作，PBAs基正极材料有望在全球范围内推动新能源产业的发展，并在电池技术的商业化过程中发挥重要作用（图6）。然而，使用PB和PBAs作为正极材料仍面临一定的安全隐患，尤其是在热失效情况下可能释放有毒氰化物。尽管如此，研究表明，在正常工作条件下，氰化物的释放温度高于300°C，因此只要确保电池系统的安全设计，PBAs的使用不会带来显著的安全风险。此外，PB的工业化经验为SIBs和PIBs的生产提供了宝贵的借鉴，特别是在低成本原材料的选取、简化生产工艺、环保制造以及标准化生产方面。这些成功经验为PBAs的广泛应用提供了可行的路线，并为新能源电池技术的未来发展指明了方向。

图 6. 结论与展望。

作者介绍

雷勇教授：德国伊尔梅瑙工业大学教授以及应用纳米物理研究院负责人。2001年于中科院获得博士学位。2001-2003年在新加坡－麻省理工学院联盟、新加坡国立大学进行博士后研究。2003年起作为洪堡学者前往德国卡尔斯鲁厄理工大学进行科学研究，2006年起在德国明斯特大学担任研究团队负责人和青年教授。2011年至今，在德国伊尔梅瑙工业大学担任全职终身教授。主要专注于功能纳米结构在能源存储和转换中的研究，在有序纳米结构、钾离子和钠离子电池等领域享有研究盛誉。目前已发表SCI论文320多篇，包括8篇Nature子刊，影响因子大于20的论文32篇，因子8-20的134篇，引用超过2.3万次（H-index 82）。雷勇教授作为项目负责人获得了欧洲研究理事会（ERC）、德国联邦教育与研究部（BMBF）和德国研究基金会（DFG）等多项重大研究项目（共超过750万欧元）。目前担任多个国际刊物的编委会成员：Advanced Energy Materials（因子24.4）编委；Energy & Environmental Materials（因子13.0）副主编；Small（因子13.0）编委；InfoMat（因子22.7）编委；Carbon Energy（因子19.9）编委；Science China Materials（因子8.1）编委。

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