张海涛/史发年/赵丽娜团队ESM综述：普鲁士蓝类似物——破解钠电正极材料的关键挑战与改性策略

第一作者：赵丽娜 副教授，毕尚义

通讯作者：史发年教授，张海涛教授

单位：沈阳工业大学，中国科学院过程工程研究所

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104256

随着全球能源转型的加速，开发低成本、高安全的储能技术成为研究热点。钠离子电池（SIBs）因钠资源丰富、成本低廉等优势，被视为锂离子电池的理想替代方案。然而，其正极材料的性能瓶颈制约了商业化进程。普鲁士蓝类似物（PBAs）凭借独特的开放框架结构、高理论容量（~170 mAh g^-1）及环境友好的合成方法，成为最具潜力的候选材料之一。然而，PBAs在实际应用中仍面临结构缺陷、结晶水干扰、Mn基材料的Jahn-Teller畸变、反应动力学迟缓等关键挑战。

基于此，来自沈阳工业大学的赵丽娜副教授、史发年教授与中国科学院过程工程研究所的张海涛教授合作，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Prussian Blue Analogues for Advanced Non-Aqueous Sodium Ion Batteries: Redox Mechanisms, Key Challenges and Modification Strategies”的综述文章。本文系统梳理了PBAs的氧化还原机制与失效机理，并总结了创新的改性策略，为下一代高性能钠电正极材料的设计提供理论指导。

图1. 本文组织结构构架

本文系统解析了PBAs的本征结构特性，着重揭示其开放框架结构、多氧化还原活性位点、电荷补偿机制及钠离子扩散动力学等关键要素，这些特性共同构成了其在构筑高性能钠离子电池体系中的核心优势。

要点二：关键挑战与失效机制：从实验室到产业化的瓶颈

本文聚焦PBAs在钠离子电池体系中的本征性瓶颈问题，揭示其实际应用面临的多维技术挑战：（1）晶格空位缺陷减少反应活性位点，引发离子传输通道拓扑失序；（2）结晶水干扰钠离子体相迁移，影响电压平台，诱发不可逆副反应；（3）低自旋铁位点的电化学活性不足制约容量发挥；（4）锰基材料的Jahn-Teller畸变造成结构失效；（5）钠离子脱溶剂化与扩散能垒偏高导致动力学迟滞效应。更为严峻的是，上述缺陷在循环过程中与电解液发生动态耦合作用，电化学反应引发的晶格应力集中可加速微裂纹扩展，而界面副反应产物的持续累积使电极极化率增加。本文深入剖析这些挑战与失效机制，从而为探究其对电化学行为的影响奠定基础，并指明潜在的优化方向。

图2. PBAs材料面临的挑战与失效机制

要点三：改性策略：从微观调控到宏观性能提升

本文基于PBAs材料的构效关系深度解析，为突破PBAs材料的技术壁垒提供了理论框架与创新策略，特别在空位精准调控、结晶水定向消除、配位场调控激活低自旋Fe活性、晶格应力缓释以及界面化学工程等方面形成兼具理论深度与工程价值的解决方案。

图3. 钠离子电池普鲁士蓝类似物正极材料的“挑战-策略”关系示意图

要点四：未来展望

图4. 高性能普鲁士蓝类似物正极材料的多维度结构调控策略

未来研究将聚焦：1）先进原位表征（同步辐射XAS）建立空位动态模型，开发电化学刻蚀等精准合成工艺；2）拓展锂硫电池、固态器件等新兴领域，开发耐极端环境（-10~60℃）的高熵PBAs；3）创新核壳结构设计与双功能电解液添加剂，动态调控水分子迁移路径；4）融合机器学习与高通量计算，加速材料筛选与异质结构优化；5）推进球磨法等绿色合成工艺，实现材料成本降低、吨级量产稳定性提升，为构建低成本、高安全的大规模储能系统提供了全新范式。

Prussian Blue Analogues for Advanced Non-Aqueous Sodium Ion Batteries: Redox Mechanisms, Key Challenges and Modification Strategies

史发年教授简介：教授，博士生导师。中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室获得博士学位。2001年11月至2014年11月，受聘于葡萄牙阿威罗大学化学系，先后作为博士后和研究员从事配位聚合物设计的研究工作，2014年，任沈阳工业大学环境与化学工程学院教授，专注于功能配合物设计与新能源材料研究，主持国家自然科学基金等项目，发表SCI论文150余篇。