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

研之成理

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. Commun.：中空碳正极中采用原子钴电催化剂实现大功率锂硒电池

硒正极由于具有与硫正极相当的高电导率和体积容量而备受关注。然而，锂硒电池由于硒与锂的反应活性低，体积变化大，聚硒化物的穿梭效应导致容量快速衰减，阻碍了锂硒电池的实际开发。最近，单原子催化剂因其独特的电子和结构特性，最大的原子利用效率以及出色的催化性能而在电化学能量转换和存储方面引起了广泛的关注。在这项工作中，研究者开发了一种合成钴单原子/氮掺杂的空心多孔碳（Co_SA-HC）的简便方法。钴单原子可以激活硒的反应活性并固定硒和聚硒化物。所制备的硒碳（Se@Co_SA-HC）正极具有高放电容量，优异的倍率能力和出色的循环稳定性，库仑效率约为100％。这项工作可以为实现长循环寿命和大功率锂硒电池开辟道路。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18820-y

2. PNAS：设计具有类聚合物玻璃形成特性并在低温下具有快速离子传输能力的电解质

已知在路易斯酸盐的存在下，环醚二氧戊环（DOL）在电化学电池内部进行开环聚合反应，以形成具有良好界面电荷传输性能的固态聚合物电池。在这里，证明了无法开环DOL的LiNO₃具有可与液体中的DOL分子配位和应变的能力，从而完全阻止了它们的结晶。应变的DOL电解质具有类似于非晶态聚合物的物理性质，包括明显的玻璃化转变，较高的模量和较低的离子传输激活熵，在−50°C较低温度下表现出异常高的液态离子电导率(1mS/cm)。系统的电化学研究表明，在常规的平面基底和非常规的三维基底上，电解质也促进了具有高库仑效率的锂金属负极的可逆循环。研究发现LiNO₃通过物理机制促进液态DOL电解质中的锂金属电极的可逆性，为解决有关长期存在的难题提供了可能的解决方案，该难题涉及LiNO₃添加剂的通用性，以增强非质子液体中锂金属电极的可逆性电解质溶剂。作为理解这些发现的第一步，我们组装了功能性磷酸铁锂（LFP）电池，其中高容量的LFP正极与薄的（50μm）锂金属负极配对，并研究其恒电流电化学循环行为。

原文链接：

https://www.pnas.org/content/early/2020/10/01/2004576117?cct=1736

3. Energ. Environ. Sci.：III-V/硅光伏发电对环境的影响：可持续制造的生命周期评估和指导

多结III–V /硅光伏电池（III–V / Si）已经实现了创纪录的转换效率，现在正被视为在未来的市场中替代传统硅电池的有前途的选择。随着提高效率和降低成本的努力越来越重要，了解这些电池中使用的制造方法和材料是否会带来不利的环境影响也同样重要。我们使用生命周期评估研究了两种最新的III–V / Si电池设计概念。考虑到所提出的III–V / Si技术仍处于早期的研究和设计阶段，因此我们使用概率方法来解释从基于实验室的数据向更具工业相关性的过程进行推断时的不确定性。我们的研究表明，即使在此早期阶段，并且由于潜在的不确定性，就生命周期环境影响而言，III–V / Si光伏系统仍处于领先于现有硅光伏系统的位置。我们还确定了III–V / Si设计和制造方法中更可持续选择的关键要素，包括优先采用金属有机气相外延（MOVPE）工艺中的能效措施以及减少喷雾热解过程中三氯化铟的消耗量。

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https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/d0ee01039a#!divAbstract

4. Adv. Energ. Mater.：用于水系电池的盐包水电解质（WiSE）：实用性的漫长道路

电池组件的可持续性正成为大规模存储可再生能源的关键参数。为了实现这一目标，目前正在探索几种策略。高浓度水系电解质的使用被寄予了巨大希望，这种电解质可以将电化学稳定性窗口扩大到超过1.2V。尽管从根本上讲，这种方法的实用性仍然未知。因此，通过结合操作气体监测装置进行原位观察，对盐水（WiSE）和双盐水（WiBS）电解质的稳定性和循环行为作为浓度和温度的函数进行了深入分析，循环伏安法和自放电实验可测试固体电解质相（SEI）的生长和稳定性。发现在负极上形成的SEI不能保护电池免受连续的电解液降解产生的影响。这种不良影响会随着温度的升高增加。该结果与水的析氧的影响形成对比。数据以商用电池为基准。结果表明，基于WiSE的当前形式的电池在价格，工作温度范围，使用寿命和存储容量下降方面无法与铅酸，镍镉或镍金属氢化物商用水系电池竞争。因此，高浓度水系电解质的实际效果仍然非常不确定。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202002440

5. Adv. Energ. Mater.：揭示锂离子电池多孔电极中的电荷传输限制

同时提高当前锂离子电池的能量和功率属性的一种可行策略是，开发具有高活性材料负载的厚多孔电极以及针对离子和电子的最佳渗滤网络。然而无论单颗粒锂嵌入材料的容量和动力学性能如何，多孔电极中离子和电子传输都会限制电池的能量和功率密度。本文提出了一幅基于实验和理论的物理图像，用以聚焦和量化微尺度孔隙率和活性材料负载在决定多孔电极的弯曲度、有效输运特性和性能限制方面的关键作用。其结果是一幅现象学图像，并结合一个理论框架，对锂离子电池在短期和长期内的电子和离子传输限制的相对份额进行反褶积。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202002492

6. Adv. Energ. Mater.：离子导电和坚固的多层固体电解质界面，大大提高钠离子电池的倍率和循环能力

通过将基于醚的电解质与高容量合金型负极配对，可以大大改善钠离子电池的储能性能。然而，通过独特的电极/电解质界面提高性能的起源尚待探索。为了理解此类结果，在此描述了以醚和酯为基础的电解质中确定性和独特的界面化学以及固体电解质相（SEI），并通过非原位测试， X射线光电子能谱和电子能量损失谱分析，采用分层Bi / C复合负极作为模型系统。在以醚为基础的电解质中，由于具有高离子导电性且坚固的多层SEI（由内部稠密的含铋无机层和外部聚醚层组成），因此可以实现快速的钠离子存储动力学和结构完整性。在1000次循环中没有观察到急剧的容量衰减，并且实现了89％的高容量保持率，将速率从0.1 A g^-1提高到10 A g^-1。该SEI的优势已得到证实，即使在11 mg cm^-2的高质量负载下，其在全电池中的功率密度也很高，为162 Wh kg^-1，面积容量为3.3 mAh cm^-2，这是几乎相当于商用锂离子电池负极的负载。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202001418

7. Adv. Energ. Mater.：对O3型Na[Ni_0.5Mn_0.5]O₂钠离子电池正极容量衰减机理的认识

通过共沉淀法合成了球形的O3型Na [Ni_0.5Mn_0.5]O₂正极，该正极由紧密堆积的纳米级一次颗粒组成，以检测其容量衰减机理。在不同的上限电压下循环的电化学性能表明，高于3.6 V的P3'到O3'相变是造成O3型Na [Ni_0.5Mn_0.5]O₂正极结构稳定性损失的主要原因。通过避免P3'到O3'相变，可以大大提高容量保持率，并且在100个循环周期后保留了94.2％和90.7％的初始容量（3.35 V时为108.9 mAh g^-1和3.58 V时为125.4 mAh g^-1）。在4.0 V循环期间，观察到快速的容量衰减（100个循环后的容量为初始容量147.5 mAh g^-1的75.5％）。较差的Na⁺嵌入稳定性直接归因于晶格结构突然变化引起的微裂纹程度。贯穿整个次级粒子的微裂纹会损害正极的机械完整性，并加速电解质渗透到粒子内部，从而导致裸露的内表面随之退化。因此，抑制二次粒子中的微裂纹是提高层状结构O3型Na [Ni_0.5Mn_0.5]O₂正极循环稳定性的关键挑战之一。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202001609

8. Science：用于高倍率高容量储锂的黑磷复合材料

高倍率锂离子电池可以在几分钟内充电，并能储存足够的能量，以满足350英里的行驶里程要求，是所有电动汽车的理想选择。高充电率通常会牺牲容量和循环稳定性。本文报道了用黑磷（BP）作活性阳极，用于高倍率、大容量锂的储存。与石墨碳共价键的形成抑制了层状BP粒子的边缘重建，保证了Li⁺快速进入；用电解液膨胀聚苯胺包覆共价键合的BP石墨颗粒，可产生稳定的固-电解质界面相，并抑制导电性较差的氟化锂和碳酸盐的连续生长，以确保锂离子的有效传输。合成的复合阳极展示了容量、速率和循环耐久性的完美结合。

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https://science.sciencemag.org/content/370/6513/192

9. Angew. Chem. Int. Ed.：一种用于太阳能直接转换和储存的电容式法拉第结

双电极太阳能充电器件由于其在太阳能转换和存储方面的潜在应用而引起了人们的广泛关注。然而，界面势垒会导致输出电压的严重损失和可忽略的暗放电电流。因此，这些器件的暗放电需要外加偏置，限制了其实际应用。本文报道了一种新型的Si/WO₃/H₂SO₄（aq）/C双电极器件。据我们所知，在所有的双电极太阳能充电设备中，该设备显示了最高的暗输出功率。基于Si/WO₃结的器件显示了电荷转移过程中光诱导可调的界面势垒高度，可以克服势垒，实现无偏压暗放电。由于这种新颖的界面特性，Si/WO₃首次被指定为电容型法拉第结。电容式法拉第结的概念为在太阳能电池、人工突触、智能窗户等领域构建其他新设备铺平了道路。

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https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202011930

10. Angew. Chem. Int. Ed.：阳离子添加剂实现可再充LiOH基锂氧电池

锂氧电池由于其高能量密度而引起了广泛的研究兴趣。除Li₂O₂（Li-O₂电池中典型的放电产物）外，LiOH作为一种替代产品被证明具有电化学活性。在这里，本文报告了一种简单的策略，即在锂电解液中使用一种阳离子添加剂钠离子来实现可逆的LiOH基Li-O₂电池。在没有氧化还原介质的情况下，LiOH被检测为唯一的放电产物，它以3.4V的低电荷电位充电。提出了一种基于溶液的反应路线，表明催化剂和Li⁺的竞争溶剂化环境导致LiOH在阴极沉淀。通过设计一个简单的系统来促进LiOH的形成/分解，来调节Li-O₂电池的电池化学性质是非常重要的。

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https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202010745

11. Angew. Chem. Int. Ed.：碱金属离子电池用环化聚丙烯腈阳极

碱金属（Li，Na，K）离子电池是便携式和大型固定式储能器的重要组成部分。近年来，有机阳极因其化学成分的多样性和潜在的高容量而受到越来越多的关注。本研究发现环化聚丙烯腈（cPAN）可作为碱金属离子电池的优良阳极。值得注意的是，cPAN作为锂离子电池的阳极，在50 mA g^-1的电流密度下，其可逆容量高达1238 mAh g^-1。通过电化学实验和第一性原理计算，证明梯形cPAN中的六方碳环、哌啶环和吡啶氮是锂离子储存的主要活性中心。此外，本文发现cPAN在0.1～0.01V范围内表现出独特的电位依赖性固体电解质界面相形成。此外，cPAN作为阳极在SIBs和PIBs中表现出良好的性能。cPAN阳极的发现为今后碱金属离子电池有机阳极的发展铺平了道路。

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https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202011484

12. Sci. Adv.：Pt（111）/水界面Helmholtz电容负分量的分子起源

带电固/液界面是许多物理化学过程的关键，包括电化学和胶体科学。在这一课题上付出了巨大的努力，但出乎意料的是，在分子水平上对双电层的理解仍然缺乏。尤其令人困惑的是，为什么致密的Helmholtz层在金属电极上常常显示出钟形的微分电容，因为这表明在某些界面水层中存在负电容。在这里，本文报告了带电Pt（111）/水界面的分子动力学模拟，旨在揭示界面水的结构和电容行为。本文的计算再现了钟形微分Helmholtz电容，并表明当电极电位变化时，界面水遵循Frumkin吸附等温线，导致了一种特殊的负电容响应。本文的工作提供了对界面水的结构和电容的有价值的见解，有助于理解超级电容器电催化和储能的重要过程。

原文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/6/41/eabb1219

13. Nat. Commun.：空心碳阴极钴原子电催化剂实现高功率锂硒电池

硒阴极由于具有与硫阴极相当的高导电率和容量而备受关注。然而，由于硒与锂的反应活性低，聚硅烷的穿梭效应导致容量变化大，容量衰减快，阻碍了锂硒电池的实际发展。近年来，单原子催化剂以其独特的电子和结构特性、最大的原子利用率和优异的催化性能，在电化学能量转换和储存领域引起了广泛的兴趣。在这项工作中，本文开发了一种简便的合成钴单原子/氮掺杂空心多孔碳（CoSA-HC）的方法。钴原子可以激活硒的反应性，固定硒和多聚硒。制备的硒碳(Se@CoSA HC公司)阴极提供了一个高放电容量，优越的速率能力，和良好的循环稳定性，库仑效率约100%。这项工作为实现长循环寿命和高功率锂硒电池开辟了一条道路。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18820-y

14. Nat. Commun.：LiN(SO₂F)₂基浓电解质锂离子电池的热失控

浓电解液通常具有良好的电化学性能和热稳定性，由于其低可燃性，在提高锂离子电池的安全性方面也有着广阔的应用前景。在这里，本文发现LiN(SO₂F)₂基浓电解质不能解决锂离子电池的安全问题。为了说明这一点，基于电池材料和特性的一个机理表明，锂离子电池中的巨大热量是由于锂化石墨与LiN(SO₂F)₂的反应而释放出来的，从而引发电池的热失控，即使浓电解液是不易燃或低可燃的。一般来说，电解液的可燃性代表了它被氧氧化时的行为，而电解液的还原作用触发了电池的放热反应链。因此，本研究有助于更深入地了解电池的热失控机制，以及更安全的锂离子电池电解质设计理念。

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https://www.nature.com/articles/s41467-020-18868-w

15. Nat. Energy: 全钙钛矿串联太阳能电池使用表面锚定两性离子抗氧化剂实现24.2%的认证效率和面积超过1平方厘米，

单片全钙钛矿串联太阳能电池提供了一种提高功率转换效率的途径，超越了单结电池的限制。将效率、均匀性和稳定性结合在一起是一个重要的优先事项，但在窄带隙混合铅锡钙钛矿亚电池中，由于陷阱密度高且易于氧化，因此实现这一目标具有挑战性。在这里，研究者们报告了使用强烈还原表面锚定两性离子分子，同时增强效率，均匀性和窄带隙的亚电池。两性离子抗氧化剂可抑制Sn²⁺氧化和钝化混合铅锡钙钛矿膜晶粒表面的缺陷，使单结太阳能电池的效率达到21.7%(认证为20.7%)。在1 cm²区域的全钙钛矿串联电池中，我们进一步获得了24.2%的认证效率，在0.049 cm²和12 cm²设备中，实验室中的功率转换效率分别为25.6%和21.4%。在环境条件下，单太阳光照下，在设备温度54-60℃下运行500小时后，封装的串联装置可保持其初始性能的88%。

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https://www.nature.com/articles/s41560-020-00705-5

16. Angew. Chem. Int. Ed.：高耐热性和高效的甲眯基低维钙钛矿太阳能电池

目前，大多数二维(2D)金属卤化物钙钛矿是Ruddlesden-Popper类型，并含有热不稳定的甲基铵(MA)分子，这导致低劣的光伏性能和温和的稳定性。在此，研究者们报道了一种新型的无MA的FA基2D-Jacobson相钙钛矿，其一般公式为(PDA)(FA) _n-1 Pb _nI _3n+1，丙烷-1,3-二铵(PDA)作为有机间隔阳离子。在FACl添加剂的帮助下获得了具有良好取向晶粒的二维钙钛矿膜，其中Cl的作用通过掠入射X射线衍射技术进行了研究。基于优化的(PDA)(FA) ₃ Pb₄I₁₃薄膜的光伏器件显示了13.8%的功率转换效率，创下了FA基2D钙钛矿太阳能电池的最高记录。此外，与(PDA)(MA)₃ Pb ₄i ₁₃，含MA的模拟物和著名的稳定的2D钙钛矿相比，(PDA)(FA)₃Pb₄I₁₃膜及其衍生器件均表现出极高的热稳定性。

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https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202006970

17. Adv. Mater.：用于超快速充电和长周期锌离子电池的可批量生产、准零应变、富水晶格无机开放框架

低成本、高安全的锌离子水电池是一种极具吸引力的电网规模储能技术。然而，他们的发展一直受到缺乏允许快速Zn²⁺插入和可伸缩的合成的稳定的阴极材料。研究者们报道了一种富水晶格、无机‐开放框架(IOF)，可批量生产，提供高容量(228 mAh g⁻¹)和能量密度(193.8 Wh kg⁻¹或513 Wh L⁻¹)的磷钒酸盐阴极。丰富的晶格水起着“电荷盾牌”的作用，使低Zn²⁺迁移能量障壁(0.66 eV)甚至接近LiFePO4中的^Li+。这种快速的内在离子扩散动力学，加上纳米结构效应，使得超快充电(1.9分钟内达到71%的充电状态)和超高功率密度(在107 Wh kg⁻¹时达到7200 W kg⁻¹)成为可能。同样重要的是，IOF具有准零应变特性(在(去)锌处理时晶格变化小于1%)，这确保了超高的循环耐久性(3000次循环)和100%的库伦效率。电池级能量和功率密度达到≈90wh kg⁻¹和≈3320 W kg⁻¹，远远超过商用铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池。富水点阵IOFs可能为探索稳定快速充电的锌离子电池提供了新的机会。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003592

18. Adv. Mater.：大区域有机光电在材料、溶液工艺和长期稳定性方面的进展

基于体异质结的有机太阳能电池(BHJs)是一种极具吸引力的能量转换装置，可以通过分离激子和收集载流子从吸收的阳光中产生电能。近年来，非富勒烯受体的发展取得了重大突破，使功率转换效率(PCEs)显著提高，超过17%。然而，大多数研究都集中在追求小面积(<1 cm²)单元电池的高效率，通常采用旋转涂层。对于从实验室规模的单元电池到工业产品的有机光伏的实际应用来说，开发有效的技术是至关重要的，它可以在最大限度减少性能损失的情况下扩展器件的活性区域，并确保运行稳定性。在本进度报告中，研究者们概述了从小区域实验室规模设备到大区域工业规模模块的材料和加工技术的最新进展。首先，介绍了满足活性层厚度高耐受性和大区域适应性要求的材料的发展。其次，讨论了在大活性区域中使用各种涂层技术的形貌控制。第三，最近的研究进展也强调了对OPV降解机制的理解和改善设备长期稳定性的研究以及可靠的评估程序。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202002217

19. Joule：非富勒烯有机体积异质结太阳能电池的自激解离

研究者们报道了在非富勒烯太阳能电池中发生在供体-受体界面的自激解离，以完全分离电子-空穴对，从而发展高效的光伏作用。通过原位监测，在光电流的磁场作用下，D:A (PM6:Y6)界面的解离，可以观察到随着激子的逐渐增加光激发强度的增加，一旦非富勒烯Y6分子被光激发，D:A界面的解离变得异常容易。这是一种通过逐渐增加光照来识别的自激解离现象，同时利用光电流的磁场效应来监测解离。我们在1mhz的光激依赖磁电容发现，光激Y6分子产生偶极极化信号，导致PM6:Y6系统的光致体极化。从本质上说，自激离解是通过光致偶极极化的非富勒烯Y6分子完全分离D处的电子-空穴对，这为非富勒烯有机太阳能电池的高效光电发展提供了一个界面。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435120304414

20. Nat. Commun.: 混合阳离子卤化物钙钛矿的相变抑制和玻璃相特征

阳离子工程提供了一条控制杂化卤化物钙钛矿结构和性能的途径，同时已经实现了基于Cs、甲铵和甲酰胺混合物的最高性能的太阳能电池。研究者们报道了对混合甲基铵/二甲基铵（MA_1-xDMA_xPbBr₃）杂化钙钛矿(0≤x≤1)的结构相变、结构相和偶极动力学进行了多技术实验和理论研究。结果表明，即使是少量的二甲基铵阳离子也能显著地抑制立方相的结构相变，增强其无序性和稳定性。当二甲基铵浓度接近MAPbBr₃的溶解度极限时，研究人员观察到结构相变的消失和玻璃偶极相的迹象。研究人员揭示了电偶极子受挫引起的分子阳离子混合时介电常数的显著可调性。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18938-z

21. Adv. Energ. Mater.：钙钛矿太阳能电池:在环境空气中使用快速近红外加热制造高效全槽模大面积钙钛矿太阳能电池

当前，高效钙钛矿太阳能电池主要通过旋涂工艺制造，这限制了钙钛矿太阳能电池商业批量生产的可能性。在这项工作中，研究者们通过缝模涂布工艺与近红外辐射加热相结合，可以在空气中快速制造钙钛矿型太阳能电池。钙钛矿前体溶液的组成可通过添加正丁醇进行调节，正丁醇具有低沸点和低表面张力，可增加近红外能量吸收，促进溶剂体系的蒸发和成膜，并加速结晶。钙钛矿。可以在18 s内制备高质量的均匀钙钛矿薄膜。此外，所有缝模涂布工艺都证明可以在12 cm×12 cm的面积上进行制备，除环境空气中的电极外，该设备的四层均匀薄膜彼此重叠。当所有缝隙涂膜都用于制造器件时，功率转换效率达到约11％。这种简便的工艺可以极大地降低成本，时间并绕过后退火工艺，从而在环境空气中制造出高效的大面积钙钛矿型太阳能电池。