能源周报：Science、Nat. Energy、Nat. Mater.、Angew、AM等大合集！

温馨提示：本推文包含21篇文献，预计阅读时间约21min，大家挑感兴趣的关注。p.s.文末会附有过去三周周报链接。

1. Nat. Mater.：揭示固态电池正极电解液界面的作用

界面在二次固态电池的性能中起着至关重要的作用，但人们对此知之甚少。在这里，我们使用结晶学取向和高指数晶面的厚正极，直接评估正极结晶学和形貌对固态电池长循环性能的影响。这些正极的受控界面结晶学、面积和微观结构使我们能够了解传统薄膜和复合固态电极中未知的界面不稳定性。各种锂、钠基正极和固体电解质的电池性能和界面稳定性之间的一般和直接关联被揭示出来。我们的研究结果强调，最大限度地减少界面面积，而不是像传统的复合正极那样扩大界面面积，是理解界面不稳定性的本质和提高电池性能的关键。我们的发现还指出，使用致密而厚实的正极作为提高固态电池能量密度和稳定性的一种方式。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-021-01016-0

2. Nat. Energy：用于锂电池厚度可控的自支撑超薄锂金属-石墨烯氧化物基片

薄和自支撑的锂金属箔(≤20μm)可实现负极材料和高能量密度锂电池的精确预锂化。现有的锂金属箔太厚(通常为50到750μm)，或者机械易碎性太差，不适用于这些应用。在这里，我们开发了一种简便、可扩展的工艺，用于在石墨烯氧化物基质中合成超薄(0.520 μm)、自支撑且机械性能稳定的锂金属箔。除了0.1~3.7mAh cm⁻²的低面积容量外，这种锂箔的机械强度也比传统的纯锂金属箔有很大提高。我们研制的锂箔可将石墨(93%)和硅(79.4%)负极的初始库仑效率提高到100%左右，而不会产生过量的锂残留物，并使锂离子全电池的容量提高8%。使用这种薄锂复合负极，锂金属全电池的循环寿命提高了9倍。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41560-021-00833-6

3. Science：水系有机氧化还原液流电池的可逆酮加氢和脱氢

采用有机活性材料的水系氧化还原液流电池为大规模储能提供了一条环境友好、可调且安全的途径。开发仅限于一小部分水溶性有机物，并且往往在水稳定性电压窗口内表现出必要的氧化还原可逆性。我们展示了荧酮分子工程如何在没有催化剂的情况下在使室温下可逆酮加氢和脱氢所需的醇电化学氧化成为可能。基于这些荧酮衍生物负极的液流电池能够高效地工作，并在非苛刻的环境中表现出稳定的长时间循环，并且在温度略有升高的环境中也能保持稳定。这些结果扩展了包括可逆酮到醇的转化，但也暗示了识别其他非典型有机氧化还原对物质的潜力。

原文链接：

https://science.sciencemag.org/content/372/6544/836

4. Angew. Chem. Int. Ed.：用于高性能锂金属电池镁掺杂金属锂负极的建模与实验优化

锂镁合金被认为是一种潜在的高能量密度锂金属二次电池负极材料。然而，锂镁负极中镁的最佳掺杂量及其改善性能的机理还不是很清楚。本文采用密度泛函理论计算方法研究了锂镁负极中镁含量的影响。镁含量在5wt%左右的锂镁负极(简称Li-Mg5)具有最低的锂吸附能，因此所有的表面都可以被镁原子“控制”，从而使锂在镁中心周围的表面上平稳而连续地沉积。局域化的高浓度电解液使Li-Mg5在4.4V高压下表现出最好的循环稳定性，在高负载负极和贫电解液的锂金属电池中表现出最佳的循环稳定性，接近实际应用的要求。这种电解质还有助于生成富含无机物的固体电解质界面，从而在Li-Mg5表面形成光滑、致密和较少的腐蚀层。理论模拟和实验结果都证明了Li-MG5具有最佳的镁含量和最佳的电池循环性能。本工作也为寻找最佳的合金型锂金属负极以提高高能量密度锂金属电池的长期循环稳定性提供了有效的途径。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202103344

5. Adv. Mater.：全固态锂电池的致密全电化学活性电极

能量密度是锂离子电池的核心竞争力。在传统的锂离子电池中，由于包括电解液、粘结剂和碳添加剂在内的三维多孔电极之间存在非电化学活性部分，在电极水平上的重量/体积能量密度的利用率不令人满意(分别<84wt%和<62vol%)。这些被认为是电子和离子传输网络中不可或缺和不可减少的组成部分。本文提出了一种用于全固态锂电池的致密“全电化学活性”电极，该电极完全由一系列性能优良的电子-离子-导电混合正极组成，以最大限度地缩小电极水平上的实际能量密度与理论能量密度之间的能量密度差距。此外，由于全电化学活性正极自支撑离子-电子-导电网络，致密的硫基全电化学活性电极具有91.8%的压实填充率，表明在70°C时，电极水平上的能量密度高达777W h kg⁻¹和1945W h L⁻¹(以总的正极和负极为基准)。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202008723

6. Adv. Mater.：用于柔性全固态锂-金属电池的10μm厚高强度固体聚合物电解质，具有优异的界面兼容性

以改性聚乙烯为基质，聚乙二醇、甲基醚、丙烯酸酯和锂盐为填料，制备了一种超薄固体聚合物电解质。聚乙烯两侧紧密结合的多孔聚甲基丙烯酸甲酯-聚苯乙烯界面层有效地改善了电解液和电极之间的界面相容性。所制备的10μm厚的固体聚合物电解质在室温下具有34.84mS的超高离子电导率和103.0 MPa的优异力学性能，伸长率高达142.3%。采用优化固体电解质的锂对称电池在60°C下可稳定循环1500小时以上，磷酸铁锂袋式电池在1倍率下可稳定循环1000次以上，在60°C下148.9~113.7 mAh g⁻¹的容量保持率为76.4%。钴酸锂袋式电池在0.1和0.2倍率下可分别稳定工作100个循环。此外，磷酸铁锂袋式电池在卷曲和折叠后仍能稳定工作，同时证明了其良好的柔韧性和安全性。这为实现全固态锂-金属电池的超薄、良好的相容性、高强度以及安全的固体电解质提供了一种很有前途的策略。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202100353

7. Nat. Commun.：用于超快长寿命锂离子电池的均匀空心梯度结构氧化铁-碳纳米球的无机-有机竞争包覆策略

梯度结构是体积变化剧烈的转换型负极的理想纳米结构。在这里，我们展示了一种构建梯度结构氧化铁-碳纳米球的无机-有机竞争包覆策略，其中氧化铁纳米粒子的沉积和碳物种的聚合是竞争的，并受到反应热力学的很好控制。合成的梯度结构由碳基体中的氧化铁纳米颗粒(4~8nm)和无定形碳层(~20nm)组成，其中氧化铁纳米颗粒(4~8nm)聚集成由内到外由高到低分布的内层(~15nm)。作为负极材料，梯度结构的氧化铁-碳纳米球的体积变化量可控制在22%左右，径向膨胀率为7%，在10 Ag⁻¹的超快速率下超长循环10000次后，其可逆比容量稳定在750mAh g⁻¹。这一独特的无机-有机竞争涂层策略给储能功能材料的纳米结构设计带来了启示。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-23150-8

8. Nat. Commun.：高能水基多价离子电池的通用策略

可充电多价金属（如钙、镁、铝）电池由于其固有的低成本，是大规模电化学储能的理想选择。然而，其实际应用受到电化学可逆性低、金属阳极枝晶生长、金属氧化物阴极多价离子动力学缓慢以及电极与非水有机电解质相容性差等因素的限制。为了避免这些问题，本文在此报告了各种水基多价离子电池，包括浓缩水基凝胶电解质、含硫阳极和高压金属氧化物阴极，作为非水基多价金属电池的替代系统。这种合理设计的水电池化学使电池具有令人满意的比能量、良好的可逆性和更高的安全性。作为一个演示模型，本文报道了一个循环稳定性高，比能量为110 Wh kg^–1的室温钙离子/硫| |金属氧化物全电池。分子动力学模拟和实验研究表明，通过抑制水活性和形成无机固体电解质保护性界面，可以显著抑制副反应的发生。多价离子体系的独特氧化还原化学也适用于水性镁离子/硫| |金属氧化物和铝离子/硫| |金属氧化物全电池。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-021-23209-6

9. Mater.Today：提高锂金属阳极稳定性的封闭型双层致密/多孔固体电解质界面

金属锂具有高比容量和低电化学电位，是下一代高能电池的理想阳极。然而，锂的非均匀表面的不稳定性导致了安全性和效率问题，阻碍了锂在实际应用中的应用。在本工作中，形成封闭的主体双层固体电解质界面（SEI）提高了锂金属阳极的稳定性。这是通过与锂金属接触形成一个相互连接的多孔富LiF人工SEI和一个致密、稳定的原位形成的上层SEI来实现的。多孔层增加了Li/LiF界面的数量，减少了局部体积波动，改善了Li⁺在界面上的扩散。此外，曲折的多孔结构引导Li+通量均匀分布，机械抑制枝晶生长。SEI的致密上层完成了封闭主机设计，防止活性材料的持续消耗。致密顶层和多孔底层的双重性延长了循环寿命，提高了速率性能，对称电池测试以及与硫和LiFePO₄（LFP）阴极配对的全电池测试证明了这一点。本文综合考虑了提高锂金属阳极稳定性的各种关键因素，为合理设计SEI提供了一个很好的范例，为改善锂金属电池的循环性能和倍率性能开辟了一条新的途径。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.04.018

10. ACS Energy Lett.：设计电解质结构以抑制水系电池析氢反应

水系电池（ABs）由于其固有的安全性和低成本而受到越来越多的关注。然而，阳极的析氢反应对ABs的稳定安全运行提出了严峻的挑战。本文提出了一种通过改变阳极表面的热力学路径来抑制HER的设计策略，而不是钝化阳极表面来阻碍HER动力学。添加氢键受体二甲基亚砜（DMSO）可使HER的起始电位延迟1.0 V（在钛网上）。光谱表征和分子动力学模拟证实，二甲基亚砜与水分子形成氢键可以降低水的活性，从而抑制HER。这一策略已被证明是普遍的扩大电化学窗口的水电解质。例如，非常规V²⁺↔ Na₃V₂(PO₄)₃中的V³⁺氧化还原过程(−1.2V与Ag/AgCl）可在ABs中实现。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c00833

11. ACS Energy Lett.：可充电金属电池的共电沉积机理

金属阳极电池，由于其高能量密度，可用于远程电动汽车和半卡车。在实际充电速率下控制电沉积生长仍然是一个挑战。在电解液中加入添加剂阳离子提供了一种通过共电沉积来解决这一问题的方法，这种方法可以调节生长前沿的成核和表面扩散过程。这为解决枝晶挑战开辟了新的设计可能性。在这项工作中，本文发展了一个介观的形式来研究共电沉积机理，并分析了潜在的电解质设计、材料选择和电化学络合控制组成和形态演变。通过调整表面扩散和电化学反应动力学，本文描绘了成核和电沉积的稳定区域。本文相信，这项研究为今后的实验提供了基础，使金属共电沉积的趋势合理化。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c00677

12. Adv. Energ. Mater.：稳定钠离子电池O₃层状阴极阴阳离子氧化还原活性的新途径

本文研究了钠离子电池（SIBs）O3型层状Na[Ni_2/3Ru_1/3]O₂阴极中稳定的阳离子和阴离子氧化还原。密度泛函理论（DFT）计算表明，对于高度脱钠的Na_1−x[Ni_2/3Ru_1/3]O₂电极，电子密度随离域价态以及O（p）、Ni（d）和Ru（d）的局域深能态的混合而改变，揭示了过渡金属(TM)-O和TM-TM在带电体系的共价特性。这些特性导致200次循环的稳定性，并且以≈1C（210 mA g）的速率保留79%的容量. X射线衍射、X射线吸收光谱和DFT计算揭示了Ni²⁺/Ni³⁺和O²⁻/ O¹⁻氧化还原反应的可逆电化学活性，这在整个周期可持续。此外，差示电化学质谱分析表明，Na[Ni_2/3Ru_1/3]O₂的晶体结构没有氧的损失。这些发现进一步揭示了SIBs用高容量O3型阴极材料氧氧化还原活性的复杂机理，鼓励了对其发展的进一步研究。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/aenm.202100901

13. Adv. Funct. Mater.：使基于高性能NASICON基固态锂金属电池走向实用

固态锂金属电池是一种很有前途的下一代高能充电电池。然而，由于使用了厚的固态电解质、厚的锂（Li）阳极和薄的阴极，所报道的SSLMB的实际能量密度被大大夸大了。在这里，报道了一个高性能的基于NASICON的SSLMB使用一个薄的（60µm） Li_1.5Al_0.5Ge_1.5(PO₄)₃（LAGP）电解质，超薄（36µm）锂金属，高负荷（8 mg cm^-2）LiFePO4（LFP）阴极。热压法制备的LAGP电解液薄而致密，锂离子在80°C时电导率高达1× 10⁻³ S cm⁻¹。因此，组装好的SSLMB在80°C，50次循环后，在C/5下可以展现≈1mAh cm^-2面容量,并且容量保持率≈90%。此外，同步辐射X射线吸收光谱和原位高能X射线衍射分析表明，LAGP电解质与LFP阴极之间的副反应被显著抑制，而富Ni层状阴极需要合理的表面保护。这项研究为高能SSLMBs的发展提供了有价值的见解和指导。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202102765

14. Adv. Funct. Mater.：操纵富锂层状阴极的局域电子结构以获得优异的电化学性能

通过控制局域电子结构，解决了富Li层状阴极（LLOs）在Na⁺和F^-双重离子掺杂下的容量/电压衰减和速率性能差的问题，以及Li⁺/Ni²⁺混合的调节和“Li-O-Li”的含量配置。设计的阴极初始库仑效率高达90%左右，在0.2 C时比容量达296 mAh g^-1，能量密度为1047 Wh kg^-1，并且在5 C下具有222 mAh g⁻¹的优越速率性能。即使在500次循环后，容量保持率也高达85.7%。在不影响大容量优势的前提下，提高了工作电压。这种电化学性能的提高主要是由于TM 3d-O 2p和非键O-2p的能带向低能方向移动，从而降低Li⁺扩散活化能，增加氧空位形成能，最终改善Li⁺扩散动力学，稳定氧晶格。而且，通过增加Mn的浓度，增加了“Li-O-Li”在Li₂MnO₃相中的配置，增加的可逆容量可以抵消非活性掺杂和Li⁺/Ni²⁺混合的负面影响。这种调整LLOs局部电子结构的策略为设计高能量密度锂离子电池提供了巨大的潜力。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202100783

15. Adv. Funct. Mater.: 具有富氮缺陷的多功能碳毡电极可实现超高功率密度的长循环锌溴液流电池

锌溴液流电池（ZBFB）由于具有高能量密度和低成本而被认为是最有前途的储能技术之一。但是，Br₂/Br^-偶对的反应动力学缓慢和锌枝晶问题导致功率密度低和循环稳定性差。在此，研究者们为ZBFB制造了具有富N缺陷的多功能碳毡基电极（NTCF）。NTCF碳纤维上带有大量含N基团的缺陷对Br2 / Br-反应具有很高的催化活性。同时，富N缺陷的较低能垒来吸附锌原子，NTCF上的更多沉积位点会导致更均匀的锌沉积。因此，使用NTCF作为阳极和阴极的ZBFB可以在前所未有的180 mA cm^-2的高电流密度下稳定运行，库仑效率为97.25％。此外，在40 mAh cm^-2的高面积容量下，对于Zn对称液流电池，在80 mA cm^-2的情况下，可以实现超过140个循环的长循环寿命，库伦效率为98.93％。迄今为止，该电流密度和面容量是Zn对称液流电池所报告的最高值。因此，这项工作为提高ZBFB的功率密度和循环寿命提供了一种可用的方法。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202102913 

16. PNAS：基于碳气凝胶的高能量密度和极其稳定的超级电容器，具有100％的电容保持能力，最多可循环65,000次

就理想的未来储能系统而言，除了始终追求的能量/功率特性外，长期稳定性对于它们的实际应用至关重要。在这里，研究者们报告了一种可伸缩的可持续发展战略，该战略可扩展制造具有三维互连纳米纤维网络和合理设计的分层多孔结构的碳气凝胶，该结构基于细菌纤维素的碳化，并以Zn-1,3的软模板为基础，5-苯三甲酸。作为无粘合剂的电极，与细菌纤维素衍生的碳（178 F⋅g^–1）和大多数活性炭（通常低于250 F⋅g^–1）相比，它们在较宽的电势窗口（1.2 V，6 M KOH）下，在1 A⋅g^–1下提供了从根本上增强的352 F⋅g^–1的比电容。组装后的超级电容器在1 A⋅g^–1时表现出297 F⋅g^–1的超高电容，出色的能量密度（0.60 kW⋅kg^–1时的能量密度为14.83 Wh⋅kg^–1），并且具有100的极高稳定性在6 A⋅g^–1下，最大电容保持率达65,000个循环，与商用活性炭和生物质衍生类似物的最新超级电容器相比，它们具有出色的储能性能。

原文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2105610118

17. Adv. Funct. Mater.：生物质水热“歧化”成定向碳微球阳极和三维多孔碳阴极钾离子混合电容器

生物质的综合利用获得具有特殊微观结构的储能碳质材料具有重要意义。本文中研究者们提出了一种通用方法，可通过生物质的高温水热“歧化”同时制造定向碳微球（OCMS）和3D多孔碳（3DPC）块，包括但不限于椴木，樟子松，红胡桃木，山毛榉，竹子和高粱秸秆。通过核磁共振，气相色谱质谱法以及各种形态学和结构表征，表明具有（002）取向的OCMS源自半纤维素，纤维素和木质素在分解过程中连续分解产生的有机物的碳化。而3DPC块体由于椴木块体有机成分的不断流失，表现出丰富的sp3缺陷和微孔，比表面积为855.12 m² g⁻¹结果，在2000个周期后，OCMS阳极在2000 mA g^-1下表现出201.1 mA h g^-1的高容量，而3DPC阴极在5000个周期后在1.0 A g^-1表现出95.7 mA h g^-1的量。值得注意的是，组装后的OCMS // 3DPC钾离子混合电容器在643.8 W kg^-1时表现出140.7 Wh kg^-1的能量，在8500个循环中具有较长的循环寿命。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202103115

18. Nat. Energy：甲脒-铯钙钛矿的缺陷补偿用于提高光稳定性的高效太阳能微型组件

甲脒-铯混合阳离子钙钛矿显示出比含甲基铵的钙钛矿更好的热稳定性，但它们受碘化物迁移和相分离引起的光不稳定的影响。在这里，研究者们通过添加稍微过量的AX（以Pb²⁺离子的摩尔百分比为0.25％）来提高其光稳定性，其中A为甲脒或铯，X为碘，过量的AX并不能提高初始太阳能电池的效率。与缺乏AX的设备相比，它可以补偿碘化物的空位，并在长期照明期间将离子迁移和缺陷产生抑制大约十倍。因此，阻碍了空穴陷阱的产生和相分离，前者限制了降解后的太阳能电池效率。钙钛矿微型模块的认证稳定效率为18.6％，孔径面积约为30 cm2，相当于有效面积效率为20.2％。在50°±5°C的空气中，在1°C的阳光下连续运行> 1,000°h后，微型模块可保持93.6％的初始效率。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41560-021-00831-8 

19. Joule：透明导电氧化物的正面触点实现高效硅异质结太阳能电池

为了补偿异质结薄膜不足的导电性，数十年来，在接触的晶体硅异质结（SHJ）太阳能电池的两侧都使用了透明导电氧化物（TCO），以提供载流子收集的横向导电。在这项工作中，研究者们通过利用c-Si吸收剂的横向传导来替代TCO层，从而实现了SHJ太阳能电池的无TCO设计，实现了传统串联电阻的0.32Ωcm²的低串联电阻和80.7％的良好填充率手指间距为1.8毫米。要在无TCO的SHJ太阳能电池中实现高效率，需要抑制由直接的金属与a：Si：H接触引起的钝化质量下降。我们表明，在a-Si：H/金属界面处进行臭氧处理可抑制金属扩散到a-Si：H层中，并改善钝化而不增加接触电阻率。具有无TCO正面接触和臭氧处理的SHJ太阳能电池的效率> 22％。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.04.004

20. Adv. Energ. Mater.：质子传导燃料电池：一种新型的Pd掺杂质子传导钙钛矿氧化物，具有多种功能，可在降低的温度下从氨中实现高效稳定地发电

考虑到成熟的NH₃合成技术和运输和存储基础设施，NH₃的高能量密度以及燃料的高效率，氨燃料和质子传导燃料电池（PCFC）技术的结合可能为未来提供理想的清洁能源系统细胞。但是，阳极对NH₃分解的催化活性差，由于氨引起的镍粗化而导致的性能快速下降，烧结困难以及电解质的质子传导性不足，是从以氨为燃料的PCFC稳定且高发电的主要挑战。在此，研究者们报导了新型的Ba（Zr_0.1Ce_0.7Y_0.1Yb_0.1）_0.95Pd_0.05O_3-δ钙钛矿是关键的阳极组分和电解质，它具有多功能性并能应对常规PCFC的大多数挑战。掺入少量Pd可以增强钙钛矿型金属陶瓷阳极对NH₃分解的催化活性，并通过产生B位阳离子缺陷和电解质烧结来提高质子传导性。相应的薄膜电解质PCFC在650°C的NH₃下提供的最大功率密度为724 mW cm^–2，远高于未掺入Pd的类似电池（450 mW cm^–2）。此外，在H₂和NH₃中在550°C的温度下工作350小时，未观察到明显的性能衰减，这使其在实际应用中极有希望。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/aenm.202170075

21. ACS. Energ. lett.: 了解锂盐中氟取代对钙钛矿太阳能电池光伏性能和稳定性的影响

双（三氟甲磺酰基）酰亚胺锂（Li-TFSI）添加剂被广泛用于改善钙钛矿太阳能电池（PSC）中空穴传输层（HTL）的空穴迁移率。但是，Li-TFSI的吸湿性不利于PSC的长期稳定性。在此，研究者们使用新的更耐水的Li-PFSI代替Li-TFSI。结果，经过Li-PFSI处理的PSC达到22.14％的最佳功率转换效率（PCE），超过具有Li-TFSI的对照电池的最佳功率转换效率（20.25％）。重要的是，基于Li-PFSI的电池显示出令人印象深刻的环境和热稳定性。此外，我们首先比较研究了锂盐中的氟取代量（Li-FSI为2F，Li-TFSI为6F，Li-PFSI为10F）对HTL物理性能及其在PSC中的光伏性能的影响。我们发现更多的氟取代可以改善PSC中的HTL载流子转移和光伏性能。我们的发现为设计针对高效和稳定PSC的新添加剂提供了关键的缺失信息。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c00685

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