Mater. Today: 用于钾离子电池的聚阴离子电极材料进展、挑战及应用前景

由于在循环性能、离子电导率和工作电压方面的独特优势，聚阴离子化合物是一种用于钾离子电池（KIBs）的可行电极材料。同时，K⁺的尺寸对聚阴离子材料提出了很高的要求，它必须能承受K⁺嵌入/脱出过程中的严重结构变形。为了保持稳定的电化学性能，遵循适当的电极材料设计指南至关重要。

在此，东北师范大学吴兴隆教授、Yinglin Wang等人综述了用于KIBs的聚阴离子化合物的当前进展与挑战。作者以中心金属为基础对众多聚阴离子材料进行了分类并强调了其结构特征和设计，比容量、倍率容量和循环稳定性等电化学参数主要受晶体结构和电导率的影响。因此，构建促进K⁺快速扩散的结构至关重要，如无定形、层状及开放框架结构等。

为了提高电子导电性和电化学活性面积，通常采用碳涂层和纳米结构设计的结合，这也是提高电化学性能最广泛使用和技术成熟的方法。由于结晶水不利于有机电解液中聚阴离子材料的充放电，因此在整个制备过程中应尽可能消除结晶水。最重要的是，通过在原始结构中嵌入一些特定的原子或基团，这些材料可以被赋予新的特性，如可控的开放结构、高孔隙率、可调孔径、更大的导电性及可调电压窗口等。

图1. 用于KIB的聚阴离子化合物的整体回顾

总之，用于KIBs的聚阴离子材料的研究仍处于起步阶段，作者提出了未来聚阴离子材料潜在发展方向的看法：

（1）成本是KIBs工业化的一个关键问题，Co、Ni、Ti等稀有金属的比例应适当降低；

（2）目前，在KIB应用中未观察到如硅酸盐、硼酸盐和碳酸盐等聚阴离子化合物；

（3）钛基聚阴离子化合物的低氧化还原电位使其适用于KIB负极；

（4）聚阴离子材料与碳材料的结合可显著提高电化学性能；

（5）基于聚阴离子材料的K⁺混合电容器的开发是一个值得研究的领域；

（6）纳米结构设计可用于改善扩散动力学；

（7）在未来的发展中，有必要根据每种材料的内在优势，通过结构优化打造可产业化的电极材料；

（8）开发适用于聚阴离子化合物的高压电解液仍然是主要优先事项。

图2. 钛基聚阴离子材料（KTi₂ (PO₄) ₃）在充放电过程中的结构转变和机理

Advanced polyanionic electrode materials for potassium-ion batteries: Progresses, challenges and application prospects, Materials Today 2022. DOI: 10.1016/j.mattod.2022.02.013