琥珀腈调控阴极-电解质界面实现钾离子电池普鲁士白正极材料的高倍率长循环稳定性

为解决普鲁士白(PW)正极在钾离子电池(PIBs)中存在的铁溶解和阴极电解质界面(CEI)不稳定问题，研究人员通过引入琥珀腈(SN)双功能添加剂，成功构建了薄而均匀的无机富集CEI层，抑制了Fe溶解并促进阴离子分解。实验表明，含SN的PW正极在5C倍率下循环3000次容量保持率达93.6%，全电池在20C超高倍率下实现3500次循环（每圈衰减仅0.005%），为PBAs基正极材料界面工程提供了新策略。

　　

随着全球对可持续能源存储需求的激增，钾离子电池(PIBs)因其原料丰富、成本低廉等优势成为研究热点。其中，普鲁士蓝类似物(PBAs)中的普鲁士白(PW)材料因其高理论容量(约140 mA h g^?1
)和开放框架结构被视为理想正极。然而，大尺寸K⁺
(0.133 nm)反复嵌入/脱嵌引发的体积应变，以及高电压下Fe^2+/3+
的溶解问题，导致PW正极结构崩塌和阴极电解质界面(CEI)失控生长，严重制约其实际应用。

为解决这一挑战，澳门大学的研究团队创新性地采用琥珀腈(SN)作为电解质添加剂，通过双重作用机制显著提升PW正极性能。研究发现，SN分子中的氰基(-C≡N)既能与PW表面的Fe原子配位抑制溶解，又能通过阴离子-π相互作用促进FSI^?
分解，形成富含KF的无机CEI层。该成果发表于《Journal of Energy Chemistry》，为PBAs基正极材料的界面调控提供了重要参考。

研究采用理论计算与实验验证相结合的方法：通过分子轨道能级分析预测SN的优先氧化行为；采用球差校正透射电镜观察CEI形貌；结合X射线光电子能谱(XPS)解析界面化学组成；通过恒电流间歇滴定技术(GITT)评估K⁺
扩散动力学；最终在扣式半电池和石墨(Gr)全电池体系中进行长循环验证。

Properties of Bifunctional electrolytes and PW
理论计算表明SN的最高占据分子轨道(HOMO)能级(-7.42 eV)低于溶剂分子，优先参与氧化反应。实验证实含5 wt% SN的电解质保持原有离子电导率，且SN的引入使PW的(200)晶面间距从5.12 ?稳定至5.08 ?，抑制了晶格畸变。

Electrochemical performance enhancement
在1C倍率下，SN改性电解液使PW正极首周效率从78.3%提升至89.1%。5C快充测试中，改性组3000次循环后容量保持率较对照组(87.4%/1000次)提升至93.6%，且极化电压增长幅度降低62%。

Interfacial chemistry and Fe dissolution suppression
XPS分析显示SN组CEI中KF含量达38.7%(对照组仅12.5%)，Fe 2p信号强度降低81%。电感耦合等离子体(ICP)测试证实电解液中Fe浓度从7.8 ppm降至1.2 ppm，证实SN的金属钝化作用。

Full-cell performance
匹配商用石墨的全电池在20C(2.5分钟充放电)条件下，3500次循环后容量保持率达82.5%，平均库仑效率99.9%，能量密度达183 Wh kg^?1
，创PBAs基正极报道的最高倍率性能纪录。

该研究通过分子层面设计，首次揭示了SN在PIBs中的双功能作用机制：一方面通过-C≡N?Fe配位稳定晶格，另一方面诱导阴离子定向分解构建无机富集CEI。这种"一石二鸟"的策略不仅将PW正极循环寿命延长3倍，更突破性地实现20C级超快充放电，为开发高功率密度PIBs提供了关键技术路径。值得注意的是，SN添加剂成本不足电解液体系的0.3%，具有显著的商业化应用前景，未来或可推广至其他多价离子电池体系。