上海硅酸盐研究所 刘宇， Small观点：均衡电解液实现钠离子电池普鲁士蓝类似物超长寿命

均衡电解液实现钠离子电池普鲁士类蓝似物超长寿命

第一作者：刘家和

通讯作者：杨程*，刘宇*

单位：上海硅酸盐研究所，中国科学院大学大学

水系钠离子电池在规模储能中具有广泛的应用前景。但它缺少高比容和高稳定的正极材料。普鲁士类似物具有价格低、比容量高的优点，是一类合适的钠离子正极材料。但是双电子转移的普鲁士类似物具有很高的充电电压，会导致其中的间隙水不断地损失，进而造成普鲁士类似物循环稳定性变差。这项工作提出均衡电解液的策略，实现损失间隙水的及时补充，并且避免过量水引起的副反应。最终实现了不同类型普鲁士类似物的超长循环寿命（10000次循环，运行超过365天）。这项策略为稳定普鲁士类似物提供了一个非常好的启发。

近日，来自哥伦比亚大学的杨远教授与西安大略大学的孙学良教授合作，在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表题为“Mitigating Interfacial Instability in Polymer Electrolyte-based Solid-State Lithium Metal Batteries with 4V Cathodes”的观点文章。该观点文章提出了均衡电解液的设计，实现了锰基普鲁士蓝中间隙水的补充和过量水引起的副反应之间的平衡。作为概念的证明，引入了xCS（x:共溶剂的比例，CS:共溶剂，如聚乙二醇和磷酸三甲酯）均衡电解液，解决普鲁士蓝循环寿命短的问题。在该均衡电解液中，KMnHCF实现了优异的性能（10000次循环），这超出了大多数钠离子电池的正极材料。由KMnHCF正极和NaTi₂(PO₄)₃负极组成的全电池表现出优异的性能（7000次循环），并在低温（-20 ºC）和工程场景中同样具有良好的应用前景。另外，该工作还通过NaMn_0.8Fe_0.2HCF和NaMnHCF进一步验证了均衡电解液的普适性，证明了均衡电解液可以解决不同类型锰基普鲁士蓝循环寿命短的问题。该成果以“Ultra-Long Cycle of Prussian Blue Analogs Achieved by Equilibrium Electrolyte for Aqueous Sodium-Ion Batteries”为题发表在 Small上。

图1. 均衡电解液实现超长循环寿命的普鲁士类似物的性能及文献对比图。

要点一：正极/聚合物固态电解质界面

稳定的间隙水会显著提升锰基普鲁士类似的循环寿命。

要点二：金属锂/聚合物固态电解质界面

均衡电解液可实现锰基普鲁士蓝中间隙水的补充和过量水引起的副反应之间的平衡

要点三：陶瓷/聚合物固态电解质界面

均衡电解液可以实现不同类型锰基普鲁士类似物长循环寿命（10000次）的突破。

Ultra-Long Cycle of Prussian Blue Analogs Achieved by Equilibrium Electrolyte for Aqueous Sodium-Ion Batteries

https://doi.org/10.1002/smll.202303896

刘宇 研究员简介：2002年-2008年在日本三重大学、日本电力中央研究院，研究包括锂（离子）电池、燃料电池等相关能源材料与器件技术。2008年获得中国科学院海外高层次人才引进中科院上海硅酸盐研究所，2011年-2015年，承担大容量钠硫电池产业化工作，兼职任上海电气钠硫储能技术有限公司技术总监，建设国内首条MW级钠硫电池中试线、1MWh钠硫储能电站。2016年至今，主导研制固态或准固态（水系）电解质体系的高安全储能电池技术；2项科技成果成功实现转化（单项转化超过3000万元）。研究方向为储能二次电池及相关新型能量转换、存储材料与器件，储能机理及相关界面电化学研究。2009年入选上海市“浦江”人才，2013年入选国家科技部中青年创新领军人才，2016年入选上海市优秀技术带头人。承担或参与的主要项目包括：中国家自然科学面上基金、上海市经信委重大专项、上海市科委重大专项、中科院重点部署、科技部“973”以及企业横向项目等。发表学术论文57篇（署名为第一作者或通讯作者），获得授权发明专利80余项，授权实用新型专利46项。

杨程 副研究员简介：2015年毕业于清华大学化学工程系，获工学学士学位，2020年毕业于上海交通大学材料科学与工程学院，获工学博士学位。博士期间从事无机纳米材料的合成和能源储存与转换方面的研究。2020年加入上海硅酸盐研究所开展博士后研究工作，主要研究方向包括高压水系电解质的设计合成，电极/电解质界面的稳定化设计和电化学机理研究等，研究成果获得江苏省智能电气青年创新创业大赛暨江苏省电机工程学会第二届青年创新创业大赛二等奖，入选2020 年上海市超级博士后人才激励计划。承担或参与的主要项目包括：国家自然科学青年基金、地方科技重大专项以及企业横向项目等。目前，已在Energy Storage Materials, Advanced Functional Materials, Journal of Materials Chemistry A, Chemical Engineering Journal 等SCI 学术刊物上发表论文30 余篇，其中2 篇入选ESI Highly Cited Paper，1 篇为2019 JMR Paper of the Year Award（年度优秀论文）。