随着全球对化石燃料大规模消耗引发的环境恶化与资源枯竭问题的关注日益加剧，可再生能源技术的创新与应用加速推进。然而，风能、太阳能等可再生能源的不稳定性与间歇性使得高效稳定的储能技术成为关键。钾离子电池（Potassium-ion batteries, PIBs）因其高能量密度和钾资源的丰富性所带来的经济竞争力而展现出了巨大潜力。与传统的有机电解质相比，水系电解质为PIBs带来了更低的成本、更高的安全性和更环保的制备工艺。在此背景下，水系PIBs（aqueous PIBs, APIBs）在过去几年中逐渐成为研究热点。正极是 APIB 的关键组成部分，直接影响其能量密度、安全性和稳定性。当前研究聚焦普鲁士蓝（Prussian blue, PB）及其类似物（Prussian blue analogues, PBAs）、层状氧化物、有机化合物及聚阴离子化合物等。然而，它们的实际性能通常受到水性电解质中副反应（如溶解和相变）的限制。因此，对APIB正极材料的物理化学性质、结构稳定性及电化学性能的深入研究，对于推动APIB的快速发展至关重要。
近期，
沈阳工业大学吴禹翰联合南开大学赵庆、温州大学李林、哈尔滨工业大学（深圳）李德平
等人对水系钾离子电池正极材料进行了全面的综述，并重点介绍了一些突破性成果。同时，简要阐述了材料合成方法、电解质设计策略、电化学性能优化途径以及电化学反应机理。最后，提出了当前面临的挑战及相应的改进策略，为是水系钾离子电池的进一步发展提供参考。该论文以“
Aqueous potassium-ion battery cathodes: Current status and prospects
”为题发表在期刊
Journal of Energy Chemistry
上。
PBs和PBAs
近年来，PBA因其独特的开放式框架结构、高理论容量及快速离子扩散速率，成为APIB正极材料的研究热点。例如，K
0.71
Cu[Fe(CN)
6
]
0.72
·3.7H
2
O和K
0.6
Ni
1.2
Fe(CN)
6
·3.6H
2
O展现出优异的电化学性能，即使在高电流密度下长时间循环也能保持性能稳定。然而，PBA面临间隙水、空位和电导率不佳等问题，需进一步研究和优化。为此，研究人员提出多种改性方法，包括控制缺陷和结晶水、调节晶粒尺寸、表面改性、掺杂元素、设计电解质、构建复合材料以及取代过渡金属元素等，以推动APIB的持续进步。
层状材料
（1）层状金属氧化物
钒氧化物是一个结构多样的家族，其中某些成员，如V
2
O
5
，可以在某些合成条件下形成层状结构。这些结构由V-O八面体共享边形成的二维层组成，这些层通过较弱的范德华相互作用堆叠在一起。由于钒在氧化还原反应过程中广泛的价态变化，层状氧化钒在储能领域表现出巨大的潜力。此外，水钠锰矿（birnessite）型氧化物通常具有较大的层间空间，能够容纳钾离子。例如，K
0.4
Fe
0.1
Mn
0.8
Ti
0.1
O
2
·0.16H
2
O 通过水合策略，层间距增加到 6.9 Å（未水合时为 6.3 Å），促进了K
+
的插层。且在空气中可以保持结构组成和空气稳定性至60天。
（2）层状硫属化合物
金属硫属化物由金属元素和硫族元素（S、Se和Te）以及其他元素组成。它们表现出多种结构形式，如层状结构、链状结构、框架结构等。以广泛研究的层状MoS
2
为例，它由夹在两个S原子层之间的Mo原子层组成。与层内的强共价键相比，层在垂直方向上的堆叠依赖于较弱的范德华力，这有助于离子的提取和插入。此外，在理想条件下具有拓扑绝缘体特性Bi
2
Se
3
，由于其独特的电子结构和表面导电性，也是电化学储能领域的有前途的材料。
图4 金属硫属化物的典型二维结构特征和电化学性能。
（3）MXenes
MXenes的层间距可以容纳大尺寸离子，层间分布的羟基化/氟化过渡金属提供了丰富的氧化还原活性位点，使MXenes能够通过离子吸附储存电荷。这些活性位点还与电解质中的离子发生氧化还原反应，从而导致赝电容效应。
有机化合物
早在1969年，二氯异氰尿酸（DCA）就被用作非水电解质中锂离子电池的正极材料，为使用有机化合物作为电极奠定了基础。聚三苯胺（PTPAn）正极在低浓度电解质中，由于 K
+
和H
2
O之间的强配位，FSI
–
主要以游离态存在。随着 KFSI浓度的增加，FSI
–
和K
+
之间的相互作用加强并形成网络，导致游离的水分子减少，从而提高电化学稳定性。
聚阴离子化合物
聚阴离子化合物的多样化共价框架导致钾离子的迁移能相对较低，从而导致更快的离子扩散。NASICON型Na
3
V
2
(PO
4
)
3
正极在K
2
SO
4
电解液中，CV 曲线显示不对称，表明 K
+
嵌入/脱出过程是不可逆的。由于溶剂化作用弱、电荷密度相对较低且导电性高，K⁺更喜欢在材料的表面和孔隙区域内形成电化学双电层电容。由于电化学稳定窗口的限制，对聚阴离子正极的研究常采用超浓电解质或加入电解液添加剂。例如，采用超浓水合物熔融电解质61.7 M K(FSI)
0.55
(OTf)
0.45
·0.9H
2
O和高压有机/水系混合电解质5.6 M KFSI-SCN-H
2
O。
APIB由于其安全性、环境友好性和成本竞争力，在电化学储能方面显示出巨大的潜力。此外，APIB具有高功率和能量密度、快速反应动力学和出色的循环稳定性，使其成为大型储能系统和微电子器件的理想选择。对于选择正极材料的情况，通常最好选择具有高氧化还原电位的材料，因为它们有助于拓宽电压窗口和提高能量密度。正极材料还应具有丰富的可逆离子插入和提取活性位点，以及出色的离子导电性，以确保高效的离子传输。在过去的几年里，APIB正极的研究取得了显著的进展。这项工作全面综述了典型材料、材料结构、电化学性能、储存机制和改性策略。在讨论实际应用时，水系电解质和正极是APIB的两个核心组分，有着密切而复杂的关系。水系电解质的性质直接影响正极的稳定性、活性和离子传输效率。同时，正极的决定了电解质的选择和优化。针对水系电解质和正极的缺点，提出了一系列有针对性的改进建议。
Aqueous potassium-ion battery cathodes: Current status and prospects
Mingyuan Ye, Yinyan Guan, Rui Xu, Pengfei Wang, Yuhang Zhang, Jie Yu, Deping Li*, Lin Li*, Qing Zhao*, Zhijie Wang, Jiyan Liang, Yuhan Wu*
Journal of Energy Chemistry
DOI:
10.1016/j.jechem.2025.03.008
