Matter：能源相关材料论文精选
继之前为大家整理了MOFs, COFs以及其他相关材料研究的Matter论文合辑（点击查看）。今天，我们将为大家介绍发表在Matter上的11篇具有较高影响力的能源材料研究论文。
Cell Press微信公众号特将这些论文的摘要部分翻译成中文，方便大家阅读理解。点击文末“阅读原文”查看所有论文。
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Nanostructured Electrode Materials for Advanced Sodium-Ion Batteries
用于先进钠离子电池的纳米结构电极材料
钠离子电池和锂离子电池有相似的化学/电化学性能，但是与商业化的锂离子电池相比，钠离子电池(SIBs) 更具有潜在优势。钠资源丰富且成本低的优势使其在大规模电能储存方面有潜在应用。为了推动SIBs的实际应用，迫切需要开发结构稳固、钠存储性能强（如，高速率性能，长循环寿命）的先进电极材料。在过去的几年里，我们见证了各种先进电极材料的快速发展和复兴。通过纳米结构的合理设计使电极材料具有高可逆电容，优越的速率性能和长期可循环性。纳米结构工程可以有效提高电极材料的电化学性能，因为其具有小晶粒尺寸、独特的纳米结构、理想的组成和多孔/孔洞结构的特性。
在这篇综述中，南洋理工大学的Xiong Wen (David) Lou教授联合安徽大学遇鑫遥教授共同总结了近年来在纳米结构电极材料的设计与合成方面的进展，包括形状控制、结构复杂性、组成和提高钠存储性能等方面。通过强调各种可以增强钠存储性能的纳米结构电极材料的优势，作者希望对纳米结构工程对电极材料钠储存性能的影响提供一些理解。期望本综述将启发先进SIBs的高性能电极材料的开发。
Printable Smart Pattern for Multifunctional Energy-Management E-Textile
3D打印“穿针引线”成就电子织物
提到“可穿戴设备”，你首先想到的大概是智能手表、google眼镜等，但你能想象某天，我们身上穿的衣服就是一件“可穿戴设备”吗？清华大学化学系张莹莹副教授的团队正在将这种类似于科幻的场景变为现实：通过将自行设计的同轴喷丝头集成到3D打印机上，在织物上实现了功能性皮芯结构纤维的直接打印，可灵活制作各种个性化功能图案，还能通过这些智能图案进行能量的收集和存储，点击查看Cell Press细胞出版社微信公众号的详细报道。
Strain- and Strain-Rate-Invariant Conductance in a Stretchable and Compressible 3D Conducting Polymer Foam
电导率不随应变及应变率改变的可拉伸压缩的3D导电聚合物泡沫
可伸缩导体的发展是实现可穿戴和表皮电子产品的主要驱动力之一。然而，在不同的应力和应变速率下保持恒定的应力-性能关系仍然是一个挑战。在这篇文章中，斯坦福大学鲍哲南教授团队采用一种应变适应的生物相容导体的三维结构化方法。与以往的可拉伸导体相比，这种方法得到的聚合物材料在(1)拉伸和压缩应变均超过80%的应变范围，和(2)应变率从2.5%/min到2560% /min，电导系数不变。聚合物的杨氏模量可以在10-300 kPa之间调控。此外，这些超轻导体几乎可以制作成任何形状和大小。它们具有类似生物体的动态和柔性，可以作为一个平台设计电子材料，从而潜在地与人类形成亲密的界面。
Artificial Interphases for Highly Stable Lithium Metal Anode
高稳定的金属锂负极的改性界面
锂金属负极有极高的比容量和最低的电化学平衡电势，长期以来受到人们的关注。然而超高的反应活性带来的界面不稳定严重阻碍锂负极在实际中的应用，因为这直接导致了低库仑效率、枝晶生长，甚至是安全问题。这篇综述中，清华大学张强教授团队与北京理工大学黄佳琦教授团队一起重点讨论了使用新兴的界面保护膜策略，以实现高性能稳定的锂金属负极。总结并讨论了近年来用界面膜强化锂金属与液体或固体电解质界面的研究进展。这篇综述强调了界面相关科学和工程在液态和固态锂金属电池中的重要性，为跨学科问题提供了新的见解，并呼吁更多的投入在安全和高能量密度锂金属电池方面。
Design of a Rigid Scaffold Structure toward Efficient and Stable Organic Photovoltaics
设计刚性支架结构获得高效稳定的有机太阳能电池
近年来，有机太阳能电池（OPVs）受到了广泛的关注。目前研究较多的策略是对活化层给体/受体混合形貌的控制，而对传输层的修饰研究较少。加州大学洛杉矶分校(UCLA)的杨阳教授通过一种简单的方法对电子传输层（ETL）进行修饰，可以同时提高OPVs的热稳定性和效率。与OPVs中传统平面的ETLs相比，作者报道的这种刚性支架的介孔ELTs，在加热时可以抑制聚合物的扩散。此外，这种结构在活化层和电子传输层之间创造了更多的接触面积，潜在的提高了电荷的提取效率。与平面结构的电子传输层相比，其能量转换效率（PCE）提高11%。经过热稳定测试，介孔结构的PCE值保持了初始值的69%。
Sodium-Sulfur Batteries with a Polymer-Coated NASICON-type Sodium-Ion Solid Electrolyte
聚合物包覆的NASICON型钠离子固体电解质用于钠硫电池
随着室温钠硫电池（RT Na-S） 的发展，如何抑制溶解的多硫化钠穿透传统的多孔隔膜已经成为一个具有挑战性的问题。在这个工作中，德克萨斯大学奥斯汀分校Arumugam Manthiram教授团队报道了一种NASICON型钠离子固态电解质(Na3Zr2Si2PO12)作为多硫化钠的隔膜。固体电解质电池的一个普遍问题是，钠金属负极与钠离子传导膜(Na3Zr2Si2PO12)之间的离子界面性较差。为了解决这个问题，采取的有效策略是在Na3Zr2Si2PO12膜上涂一层纳米孔的高分子材料(PIN)。PIN涂层极大的提高了钠负极和Na3Zr2Si2PO12之间的离子界面性质，使电池循环寿命延长。
Materials Design for Rechargeable Metal-Air Batteries
可充电金属-空气电池的材料设计
由于日益增长的环境和能源问题，开发清洁并且可再生的电化学能源存储装置受到了广泛的关注。金属-空气电池，如锌-空气电池和锂-空气电池，有超高的能量密度，在未来大规模应用有巨大潜力。这篇综述中，日本产业技术综合研究所徐强教授首先介绍了金属-空气电池的电极反应的基本原理。然后提出了实现适用的放电性和可充电性所面临的问题。在接下来的章节中，总结了如何通过对空气电极、金属电极、电解质和隔膜材料的设计来克服这些问题。重点讨论广泛研究的锌-空气电池和锂-空气电池，并简要讨论了其他类型的金属-空气电池，如铝-空气电池、镁-空气电池、钠-空气电池。最后，对金属空气电池未来的发展方向进行了总结和展望。
Co-harvesting Light and Mechanical Energy Based on Dynamic Metal/Perovskite Schottky Junction
动态金属/钙钛矿肖特基结可协同收集光能和机械能
虽然钙钛矿在光电子器件中得到了广泛的研究，但它作为肖特基结的研究却很少。浙江大学林时胜教授团队报道了一种可同时收集光能和机械能的动态金属/钙钛矿肖特基结。在暗态下，铝在钙钛矿薄膜中移动（电导率为70.0 S/cm），输出电压和电流密度分别为−0.70 V和−41.1 A/m2。光照下，静态金属/钙钛矿结中缺陷会消除光生载流子，所以光响应可以忽略。值得注意的是，动态金属/钙钛矿结在光照下的输出电流比暗态下增加了3倍。这种非线性光增强效应来源于动态肖特基结中光生载流子与反弹载流子之间的强相互作用，和钙钛矿高光吸收系数。一种柔性的铝/钙钛矿发电机已被证明是一种可穿戴的能量收集装置。
Separation and Quantum Tunneling of Photo-generated Carriers Using a Tribo-Induced Field
利用摩擦感应场实现光生载流子的分离和量子遂穿
金属-绝缘体-半导体（MIS）滑动结处的摩擦感应电位可以产生非常高的界面电场E（107–108V/m）。这样的场被用来分离光产生的电子空穴对，这些电子空穴对通过量子隧穿来传输。这种现象可以产生直流电并且有高的电流密度J。光激发和MIS滑动接触界面电子激发的强协同作用使硅基肖特基太阳能电池的光电流输出提高了50倍，摩擦电功率输出提高了28倍。电荷弛豫动力学计算结果和导电原子力显微镜结果吻合良好，显示了光场和摩擦电场之间的耦合效应。加拿大阿尔伯塔大学Thomas Thundat与骆静利教授团队在实验中观察到的摩擦-光伏效应为机电耦合提供了新的基础，这为未来实现太阳能-机械能协同收集提供了一个新的方向。
Enhanced Cathode and Anode Compatibility for Boosting Both Energy and Power Densities of Na/K-Ion Hybrid Capacitors
增强正极和负极的兼容性，提高Na/K-离子混合电容器的能量和功率密度
Na+/K+离子混合电容器（NIHC和KIHC）的负极和正极之间动力学和容量的不匹配极大地阻碍了电容器的整体性能输出。在本文中，北京大学郭少军教授团队将氮掺杂碳纳米片与多层硫化钨纳米片嵌合形成的WS2 @ NCNs复合材料作为正极，将层状氮掺杂碳空心纳米球(NCHS)作为负极，构建了NIHC和KIHC。负极强耦合的片层纳米结构有利于电子的传输并并减小体积变化。具体来说，WS2-NCNs的界面为离子的快速嵌入和脱嵌提供了更便捷的通道，进而加快了电极的动力学；同时，层状NCHS正极为阴离子的可逆吸附和解吸提供了许多活性位点，从而显著提高了电容器的比电容。通过上述设计我们增强了负极和正极相容性，组装的NIHC和KIHC在117.5和235 W kg-1条件下可分别提供高达134.7和103.4 Wh kg-1的能量密度。这种电极设计策略可以为高性能混合电容器的开发提供指导。
Atomically Intimate Contact between Solid Electrolytes and Electrodes for Li Batteries
在原子尺度实现锂电池固态电解质和电极的充分接触
固体电解质作为传统锂离子电池中易燃液体电解质的替代品，可以大大缓解其安全问题，并且提高其能量密度。然而，电极也是固态的。使用固体电解质，很难实现类似固体电极和液体点解质之间的充分接触。
中科大马骋教授、清华大学南策文院士等人发现，通过生长外延界面可以实现富锂层状电极和钙钛矿固体电解质这两种被广泛研究的体系之间固体-固体充分接触。原子级分辨率电子显微镜明确证明前者可以外延地嵌入后者。用这种方式形成的固态-固态复合电极的倍率性能不低于固态-液态接触电极的性能。周期的结构位错可以调节结构的差异，使得这种外延界面可以容忍很大的晶格错配，因此可能在多种层状电极和钙钛矿固体电极间发生。
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