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Orbital-level stabilization of Fe-N bonds in Prussian blue positive electrodes via alkali metal lattice engineering

普鲁士蓝 碱金属 材料科学 电极 格子(音乐) 金属 无机化学 结晶学 化学工程 晶体结构 纳米技术 金属有机骨架 离子 晶体工程 化学键
作者
Yun Gao,Hao Yao,Xiaoyue Zhang,Hang Zhang,Xihao Lin,Bin Yang,Jinkui Li,Yameng Fan,Sean Smith,Longhai Zhang,Xin Tan,Chaofeng Zhang,Shulei Chou,Zaiping Guo,Li Li
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:17 (1) 被引量:5
标识
DOI:10.1038/s41467-026-72759-0
摘要

Fe-based Prussian blue analogs are promising positive electrodes for sodium-ion batteries due to their open framework and high theoretical capacity, yet suffer from structural degradation caused by interstitial water, lattice distortion, and irreversible phase transitions. Here we show a selection principle for alkali metal ion lattice engineering, based on geometric matching, hydration energy, and Fe-N bonding strength, to design high-energy, long-life positive electrodes. We demonstrate that immobilizing Cs+ ions at the alkali metal sites enhances the structural and electrochemical stability of iron-based Prussian blue analogs. The introduced Cs+ pillars alleviate lattice contraction, suppress framework distortion, enhance Fe-N covalency, and reduce crystal water content. These modifications promote sodium ion diffusion and charge transfer kinetics, especially across phase transition regions. Consequently, the optimized positive electrode delivers a high capacity retention of 81.48% after 1000 cycles at 750 mA g−1 and maintains 77.55% of its capacity at a high specific current of 7500 mA g−1. It also exhibits good air stability and wide-temperature performance. A proof-of-concept pouch cell demonstrates its practical viability. This work establishes a viable selection principle for alkali-metal-site regulation, advancing the development of long-life, high-energy Prussian blue positive electrodes for large-scale sodium-ion battery applications. Fe-based Prussian blue positive electrodes for sodium-ion batteries often suffer from stability issues. Here, the authors establish an alkali metal-site selection principle involving Cs⁺ ions to enhance structural stability, enabling long-life positive electrodes with performance further validated in a pouch cell.
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