能源周报:Science、Nat. Nano、AM、AEM等大合集!
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1. Science: 气相辅助沉积高效,稳定的黑相FAPbI3钙钛矿太阳能电池
阳离子或卤化物与FAPbI3的混合物可导致钙钛矿太阳能电池(PSC)的高效率,但也会导致蓝移吸收和由挥发性甲基铵(MA)的损失和相分离引起的长期稳定性问题。研究者们使用MA硫氰酸(MASCN)或FASCN蒸汽处理的沉积方法,以黄色δ-FAPbI3转换到期望的纯α-钙钛矿膜相。NMR量化了MA并入骨架的过程。分子动力学模拟表明,在热力学相变温度以下,SCN-阴离子促进α-FAPbI3的形成和稳定。我们使用这些低缺陷密度α-FAPbI3 薄膜制造的PSC具有> 23%的功率转换效率,长期的运行和热稳定性,以及低(330毫伏)的开路电压损耗和低(0.75伏)的电致发光电压。
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https://doi.org/10.1126/science.abb8985
2. Science:应变松弛对α-甲眯碘化铅钙钛矿太阳能电池性能的影响
采用多阳离子稳定的氟化铵碘化铅(FAPbI3)制备了高效卤化铅钙钛矿太阳能电池(PSCs)。合金阳离子极大地影响带隙、载流子动力学和稳定性,以及产生不必要的载流子陷阱的晶格应变。研究者们在FAPbI3的FA位点替换了铯(Cs)和甲二胺(MDA)阳离子,发现0.03 mol分数的MDA和Cs阳离子降低了晶格应变,增加了载流子寿命,降低了Urbach能级和缺陷浓度。性能最好的PSC在100毫瓦每平方厘米AM 1.5G照明下的功率转换效率>25%(24.4%认证效率)。未封装的设备在85℃黑暗环境下1300小时后,保持了初始效率的>80%。
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https://doi.org/10.1126/science.abc4417
3. Adv. Energy Mater.:完全固溶处理的纯α相甲眯碘化钙钛矿型钙钛矿太阳能电池,可在环境条件下大规模生产
制造商业上可行的钙钛矿太阳能电池仍然需要开发适当的低温和可扩展沉积工艺。尽管α相FAPbI3具有比MAPbI3高的热稳定性和更广泛的吸收性,但仍没有通过可分级印刷方法获得纯α相FAPbI3钙钛矿膜的报道。此外,在环境条件下,α相自发转变为非钙钛矿δ相对实际应用提出了严峻的挑战。研究者们报道了一种可扩展的,完全基于解决方案的印刷方法,用于制造纯α相FAPbI3钙钛矿型太阳能电池。通过添加N-甲基吡咯烷酮和甲基氯化铵到基于二甲基甲酰胺的前体溶液,以控制结晶,并在真空或气流协助薄膜干燥,纯α-FAPbI3是通过刮涂获得的相位。将得到的α-FAPbI3膜是高度稳定的,即使在200天不包封保持它在环境气氛之后形成也没有δ-FAPbI3相。此外,采用真空辅助方法处理的全溶液处理PSC的PCE为16.1%,通过气流辅助方法处理的PCE为17.8%。用印刷的碳电极代替银可提供稳定的PCE(对于真空辅助方法,最高可达15%,对于气流辅助方法,可达16.4%),这是FAPbI3的最高性能迄今为止的太阳能电池。与MAPbI3相比,完全印刷的FAPbI3钙钛矿器件在潮湿环境中表现出出色的热稳定性,这使其成为可扩展生产和商业化的有希望的候选者。
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https://doi.org/10.1002/aenm.202001869
4. Adv. Energy Mater.:MAPI‐基钙钛矿太阳能电池的电子结构:通过比较经典和倒置的器件堆栈的光电发射光谱确定详细的带图
高功率转换效率(PCE)钙钛矿太阳能电池(PSC)依赖于钙钛矿吸收体与相邻电荷提取层之间能带的最佳对准。但是,由于大多数高性能的材料和设备都是通过基于溶液的技术制备的,因此沉积几纳米厚的膜非常困难,因此难以对表面和界面特性进行详细的分析。为了识别相应的光敏界面,研究者们在黑暗环境中以及在开路条件下的光照下,对经典和倒置结构中基于甲基铵碘化铅(MAPI)的PSC的器件堆栈进行光电子能谱测量。分析表明,真空沉积的MAPI钙钛矿吸收层为n型,与沉积在n型SnO2或p型NiOx上的电荷传输层的结构无关。发现对于两种架构,大多数光电压都是在n-MAPI / p-HEL(空穴提取层)结处形成的,这突出表明了该接口对于进一步提高光电压以及PCE的重要性。最后,给出了黑暗和光照情况下完整装置的实验得出的能带图。
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https://doi.org/10.1002/aenm.202002129
5. ACS Energy Lett.:卤化锡铅钙钛矿太阳能电池的表面活化腐蚀
混合锡铅卤化钙钛矿型太阳能电池具有优秀的功率转换效率,但长期稳定性仍然是一个挑战。本文中,研究者们研究了60:40锡铅钙钛矿的稳定性,以更好地了解在环境和惰性气氛中热处理后器件性能的下降。Operando X射线衍射显示出钙钛矿吸收剂具有稳定的整体结构,这导致了以下假设:表面化学起着降解机理的作用。X射线光电子能谱揭示了先前报道的Sn4+演化伴随着热退火后的两个新观察结果:(i)表面I2损失之前I3 -中间体的形成,(ii)在惰性和环境条件下锡和铅的表面位点(Snδ<2+和Pbδ<2+)不协调的证据。这两种物质表明表面上的活化腐蚀(即氧化和还原)过程是可能的降解化学途径,预计在工作电压和光偏压下会加速降解。
文章链接:
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c01445
6. Adv. Mater.:实现高倍率钠离子电池的少层碘化物
具有良好特性的二维元素材料被认为是2D家族中有影响力的一部分。碘是一种典型的单元素分子晶体,具有广阔的应用前景。要实现二维碘,不仅需要分离弱的层间范德华相互作用,而且还需要保留分子内弱的卤素键,因此,2D碘至今仍未开发。在此,通过液相剥落策略成功地制备了厚度约为1.0 nm、横向尺寸达数百纳米的原子薄碘纳米片(称为“碘烯”)。超薄碘烯作为可充电钠离子电池的阴极时,由于其独特的二维超薄结构和显著增强的假电容特性,超薄碘烯在10 A g-1的高速率下具有109.5 mA h g-1的高比容量。第一性原理计算结果表明,由于尺寸效应,钠离子在低层碘化物中的扩散由原来的水平方向向垂直方向扩散,其势垒为0.07 eV。碘烯的成功制备和深入的结构研究为发展新型碘基科学技术奠定了基础。
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https://doi.org/10.1002/adma.202004835
7. Adv. Energy Mater.: 在高压水溶性石墨锌金属双离子电池中使用天然石墨
安全性和成本是大规模储能的关键指标。由于当前锂离子电池技术中使用了非水电解质和过渡金属氧化物,因此安全性、成本和环境问题是一个值得关注的重要问题。石墨具有工作电位高、成本低、安全性高等优点,是一种很有前途的双离子电池负极材料。然而,由于电化学稳定窗口很窄(1.23 V),寻找合适的水电解质是一个挑战。本文介绍了一种石墨-锌-金属水溶液双离子电池,其电压约为2.3–2.5 V,在水性锌电池中具有非常高的电压,在200次循环后容量保持率大于80%,并且在200 mA g-1的充放电电流下可提供≈110 mAh g-1。当充放电电流为5000 mAh g-1,可获得接近60 mAh g-1的电流。使用高浓度无锂双盐水电解质,使天然石墨成为可逆阴极。
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https://doi.org/10.1002/aenm.202001256
8. Adv. Energy Mater.: 硫化铜在锂固态电池中的宏观置换反应
硫化铜(CuS)由于其固有的混合导电性、延展性和理论比容量高达560 mAh g-1,而成为一种极具吸引力的电池电极材料。在这里,CuS被研究为锂固态电池的阴极材料,其面积负载为8.9 mg cm-2,理论上相当于4.9 mAh cm-2。锂电池的重量比为(Li-Li3PS4[CuS(70 wt%) + Li3PS4 (30 wt%)],不使用导电添加剂。CuS与锂发生置换反应,导致放电产物Cu和Li2S之间的宏观相分离。特别是,Cu形成了一个微米大小、结晶良好的颗粒网络,在电极中渗透,并肉眼可见。0.1C下的初始比放电容量为498mAh g(CuS)-1,即其理论值的84%。初始库仑效率(ICE)达到95%,高于相同电池化学条件下的标准碳酸盐基液体电解质(≈70%)。100次循环后,比容量达到310 mAh g(CuS)-1。在电流组成下,电池以7 W kg-1的功率密度提供58.2 Wh kg-1,这比其他过渡金属硫化物阴极优越。
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https://doi.org/10.1002/aenm.202002394
9. Adv. Energy Mater.: 高电压高能量密度的全水混合电解质可充电电池
与非水电池相比,水性可充电电池(ARB)在安全性、环保性和成本方面具有优势。然而,水的电化学稳定窗口很窄,这就限制了ARB的输出电压和能量密度。本文报道了一种在碱性溶液中含有锌阳极,在中性溶液中含有LiMn2O4阴极的水混合电解质体系。将分离的电极电解液与锂离子导电膜结合,有效地拓宽了电位窗口,使水混合电解液可充电电池(AHERB)的电压高于2.3 V。该电池系统在1.69C下提供208 Wh kg-1的稳定能量密度(基于活性材料的总重量),平均输出电压高达2.31 V,循环超过1000次,平均库仑效率>98%。
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https://doi.org/10.1002/aenm.202001583
10. Adv. Energy Mater.:设计硫阴极金属氧化物基导电网络,使之成为高效、长寿命的锂硫电池
合理设计硫阴极结构,抑制锂硫电池的穿梭行为,加快多硫化物的转化动力学,对锂硫电池的实际应用具有重要意义。本研究开发了一种独特的具有三维有序大孔(3DOM)结构和碳纳米管(CNTs)嵌入的连续缺氧氧化铌(Nb2O5−x)骨架,作为高性能硫固定剂和多硫化物转化的催化促进剂。3DOM体系结构提供了一个坚固的多孔和开放的框架,有利于电解质渗透以实现快速的离子/质量传递,以及用于大规模主客体交互的界面暴露。更重要的是,碳纳米管被设计成嵌入Nb2O5−x骨架中的“天线”,这不仅有助于形成高导电框架,而且通过增强硫固定化和反应催化来加剧缺氧。得益于这些先进的特性,基于S‐Nb2O5−x/CNTs阴极的Li–S电池实现了优异的循环性,500次循环后的高容量保持率为847 mAh g-1,并且在5℃下具有741mAh g-1的显著速率能力,在6 mg cm−2的高硫负载下,也可以实现6.07 mAh cm-2的高面积容量,这表明在开发实用锂硫电池方面具有巨大的潜力。
原文链接:
https://doi.org/10.1002/aenm.202002076
11. Adv. Energy Mater.:高性能锂离子电池阳极用可回收碘化物法合成的扭结硅纳米线微团簇
硅作为锂离子电池的高容量负极材料显示出巨大的潜力。纳米硅结构可将充放电过程中的破裂影响降至最低。然而,纳米硅的合成通常需要复杂的工艺和较高的制造成本。此外,这些复杂的程序通常具有不良的二次粒子形成,这是实现高抽头密度的要求。在这里,开发了一种成本效益高的合成方法,可以产生近乎理想的纳米结构硅二次粒子团簇。成本效益是由碘气体和低品位硅微粒在操作中生成碘化硅的结果。碘化硅分解成晶体硅和碘气体,使碘气体得以循环利用,允许碘在以下循环中几乎完全再利用。通过可循环碘化物分解反应合成的硅的最佳纳米结构和微观结构可在1000次循环中保持83.6%的容量。良好的性能是由于在循环过程中保持了良好的形态,使得固体电解质界面能够再利用。
原文链接:
https://doi.org/10.1002/aenm.202002108
12. Adv. Energy Mater.:全固态锂金属/NMC622电池用高压稳定聚氧乙烯酯阴极涂料
固体聚合物电解质(SPE)与锂金属具有良好的相容性、高柔韧性和安全性,是下一代固态电池最有前途的固体电解质之一。为了在能量密度上与目前使用的传统锂离子电池竞争,SPE必须与LiNixMnyCozO2(x+y+z=1,0.5<x<1)(NMC)的高能量密度阴极集成。然而,单SPEs氧化还原窗口窄,NMC分解SPEs界面,限制了其应用。为了克服这些挑战,提出了一种利用聚合物-阴极/阳极液组成的双聚合物电解质和阴极涂层的策略:低压稳定的聚醚作为分离器,稳定与锂金属的界面,而高电压稳定的聚氧乙烯酯起到了阴极保护作用,NMC颗粒被TiO2预包覆。这种电池模型不仅拓宽了电解液体系的电压窗口,而且保护了阴极中的聚氧乙烯酯不发生界面分解。采用这种策略,全固态锂金属/锂离子电池的循环稳定性显著提高。同时,在锂金属阳极和铜收集电极上都观察到了沉积锂的大体积膨胀,这是全固态电池研究中值得关注的问题。
原文链接:
https://doi.org/10.1002/aenm.202002416
13. Adv. Energ. Mater.:仿生电极微皮限域Mn2+用于水系电池
在水性可充电锌锰电池(ZMBs)中,一些不可逆的副反应,如Mn2+的溶解,常常导致容量在循环过程中衰减。这些副反应对电池的容量和循环性能起着至关重要的作用。本文报道了一种由胶原水解液组成的仿生电极微皮(EMS)将不可逆副反应转化为可逆反应。EMS通过范德华力、氢键和/或离子相互作用有效地吸附和限制了Mn2+离子,使MnO2/Mn2+反应在充放电过程中可逆。这种Mn2+溶解反应具有超高的理论容量(617 mAh g‐1),在低扫描速率下贡献了大量的容量,约占总比容量的44%。基于这些基本发现,组装后的带EMS的ZMB在20 mA g-1时的放电容量达到了415mAh g-1,克服了Zn2+插层机理的理论容量(308 mAh g-1)限制。更重要的是,在3000次循环后,所有α、β和γMnO2阴极上的EMS表现出类似的高容量,超过了理论上的锌插层容量和容量保持能力增强。
原文链接:
https://doi.org/10.1002/aenm.202002578
14. Adv. Funct. Mater.:离子选择性电催化导电聚合物电极改善氧化还原液流电池性能
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