能源周报：Science、Nat. Mater.、JACS、Angew、AM、Joule、Matter等大合集！

研之成理 2022-05-13

The following article is from 文献精选 Author 能源小分队

温馨提示：本推文包含18篇文献，预计阅读时间约18min，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. J. Am. Chem. Soc.：水系锌金属电池的溶剂化结构设计

水系锌电池由于低成本和高能量密度而成为用于大规模储能的有前途的储能装置。然而，它们的寿命受到水分解和锌枝晶生长的限制。在这里，我们通过在ZnCl₂-H₂O中添加二甲基亚砜（DMSO）来抑制稀释水系电解质中的水分解和锌枝晶的生长，其中DMSO取代了Zn²⁺溶剂化鞘中的H₂O，这是因为DMSO的Gutmann供体数比H₂O高。DMSO与Zn²⁺的优先溶剂化以及H₂O-DMSO的强相互作用抑制了溶剂化H₂O的分解。

此外，溶剂化DMSO的分解形成Zn₁₂（SO₄）₃Cl₃（OH）₁₅·5H₂O，ZnSO₃和ZnS富集固体电解质中间相（SEI）防止锌枝晶生成并进一步抑制水分解。ZnCl₂-H₂O-DMSO电解质可使Zn || Ti半电池中的锌负极在400个循环（400小时）内达到99.5％的高平均库仑效率，在Zn：MnO₂容量比为2:1的全电池中，能量密度为212 Wh/kg(以正极和负极的质量计算)，在8C时500个循环后容量保持率在95.3%以上。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c09794

2. 用于钠离子电池的极高容量硬碳的MgO模板法合成

通过使用MgO模板技术加热葡萄糖酸镁和葡萄糖的冷冻干燥混合物，成功合成了钠离子电池用的超高容量硬质碳，可提供478 mAh g^-1的容量。系统地研究了合成条件和纳米结构对硬碳中电化学储钠特性的影响，以最大程度地提高可逆容量。纳米MgO颗粒在碳基质中形成，该碳基质是通过在600°C下对混合物进行预处理而制备的。通过MgO的酸浸和1500°C的碳化，所得的硬碳具有478 mAh g^-1的超大可逆容量，在第一个循环中的库仑效率高达88％。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202013951

3. Adv. Mater.：固态钾/钠/锂电池中氟化石墨正极的反应机理及结构演化

氟化石墨（CF_x）是用于碱金属一次电池的超高能量密度正极材料。但是，它们通常不能循环充电。为了阐明CF_x正极的反应机理，采用了原位透射电子显微镜表征和理论计算分析，发现这是一种插入钾 / 钠 / 锂离子的两相反应机理。在非晶碳基质中均匀生成结晶氟化钾（结晶氟化钠纳米颗粒和非晶氟化锂），在放电过程中保持不变的体积。CF_x中钾 / 钠 / 锂离子迁移的扩散系数分别为≈2.2–2.5×10^–12、3.4–5.3×10^–12和1.8–2.5×10^–11cm² s^-1。液态电池中钾 / 钠 / 锂离子的扩散率通过原位透射电子显微镜（TEM）结果的分析，进一步设计了新型可充电全固态Li / CF_x电池，该电池在第二个循环中显示出一部分可逆的放电比容量。这些发现表明，与传统的液态电解质相比，固态电解质提供了不同的反应过程，并使CF_x在固态锂电池中可以部分循环充放电。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202006118

4. Joule：高性能可印刷氧化银-锌柔性充电电池

柔性电子技术的兴起要求具有成本效益和可扩展性的电池，并具有良好的机械和电化学性能。在这项工作中，我们开发了可印刷的聚合物基氧化银-锌电池，该电池具有柔韧性，可充电性，高面积容量和低阻抗的特点。使用弹性体复合材料，可以通过高通量，可缩放和逐层丝网印刷工艺来制造集流体，电极和隔膜，并以堆叠结构进行真空密封。电池的尺寸和容量是可定制的，首次使用时可获得的最高单位面积容量为54 mAh / cm²。X射线衍射分析，阻抗谱和变形测试被用来表征电池性能。这些电池用于为柔性电子墨水显示系统提供动力，该系统需要大电流消耗，并且在相同的脉冲放电条件下，与商用锂电池相比，表现出卓越的性能。所开发的电池为多种电子设备提供了实用的解决方案，并且对高性能柔性电池的未来发展具有重大意义。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S254243512030516X?via%3Dihub

5. Adv. Funct. Mater.：由可伸缩充电电池驱动的独立可伸缩电子设备平台

可伸缩电子设备被认为是可穿戴和可植入医疗设备中的一项关键技术。尽管关键的可拉伸组件已经取得了重大进步，但是将可拉伸电源和可拉伸印刷电路板（SPCB）集成在一起的可拉伸电子平台仍然是一个巨大的挑战。在此，提出了一种由可拉伸薄膜电池供电的本质上可拉伸的电子设备平台，以便该平台可以独立使用。可拉伸电池用作制造设备平台的基板，在该平台上印刷SPCB并通过通孔直接连接，从而可以增加集成设备的密度。为了实现本质上可拉伸的电池和高性能电路板，设计了一种可拉伸，自修复和压敏聚合物复合材料的新颖概念。该平台是防水的，并在极端物理变形下保持其稳定的电气性能。作为概念证明，展示了可以在水下在大应变（125％）下工作的平台上集成的发光二极管。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202003608

6. ACS Energy Lett.：竞争溶剂诱导负极和正极对400 Whkg^-1锂电池的并行保护

不稳定的电极/电解质界面是Ah级锂金属电池的主要障碍之一，缺乏一种可以同时在正极和负极上构建稳定界面的有效方法。在此，在调节电解质溶剂化的策略基础上，引入氟醚作为去稳定剂，以扰乱锂离子溶剂化鞘层并削弱锂离子与碳酸酯类溶剂的羰基之间的相互作用，从而使LiPO₂F₂从电解质中重结晶，使在负极和正极上的表面保护同时发生。LiPO₂F₂分解形成Li₃PO₄和LiF，可在4.6 V高压下重建电极/电解质界面并防止碳酸盐溶剂氧化。采用该策略，锂对称电池可承受10 mAh cm^-2 的锂剥离/电镀超1000小时；组装成的负极/正极质量比为2.0，电解质注入比为2.49g/Ah的3.62 Ah袋式电池的能量密度为430 Wh kg^-1，并且具有超长的使用寿命。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c02351

7. Nat. Mater.：燃料电池用含磷聚（五氟苯乙烯）的制备及应用

现代电化学能量转换装置的广泛应用需要更先进的质子导体。含磷聚合物被认为是燃料电池的无水质子导体。然而，膦酸官能团的酸酐形成降低了质子导电性，这阻碍了磷酸化聚合物在燃料电池应用中的应用。在这里，本文报告了一种不生成酸酐并因此保持质子导电率高于200℃的聚（2,3,5,6-四氟苯乙烯-4-膦酸）。本文在燃料电池电极中使用含磷聚合物，在膜电极组件中使用离子对配位膜。在H₂/O₂条件下，这种协同集成的燃料电池在160°C和240°C下的峰值功率密度分别达到1130 mW cm^-2和1740 mW cm^-2，其性能大大超过了聚苯并咪唑和金属磷酸盐基燃料电池。本文的研究结果表明，在高温和干燥的操作条件下，一种在高性能燃料电池中使用含磷聚合物的途径。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41563-020-00841-z

8. J. Am. Chem. Soc.：水溶液锌金属电池的溶剂化结构设计

水溶液锌电池具有成本低、能量密度高等优点，是一种很有前途的大规模储能装置。但是，它们的寿命受到水分解和锌枝晶生长的限制。在这里，本文通过在ZnCl₂–H₂O中添加二甲基亚砜（DMSO）来抑制水还原和锌枝晶生长，由于DMSO的Gutmann施主数（29.8）高于H₂O（18），DMSO取代了Zn²⁺溶剂化中的H₂O，DMSO与Zn²⁺的优先溶剂化作用和较强的H₂O–DMSO相互作用抑制了溶剂化H₂O的分解，另外，溶剂化DMSO的分解形成Zn₁₂(SO₄)₃Cl₃(OH)₁₅·5H₂O、ZnSO₃和ZnS丰富的固体电解质界面（SEI）防止锌枝晶和进一步抑制水分解。ZnCl₂–H₂O–DMSO电解液使Zn|Ti半电池中的Zn阳极在400个循环（400小时）内达到99.5%的高平均库仑效率，而Zn||MnO₂全电池的低容量比为2:1，可提供212 Wh/kg的高能量密度（基于阴极和阳极），在8℃下500次循环中保持95.3%的容量。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/jacs.0c09794

9. Adv. Funct. Mater.封面：面向离子传输的金属-有机框架的分子尺度界面工程使高性能固体锂金属电池成为可能

金属-有机骨架（MOF）作为固体电解质（SEs）因其作为离子通道的合理设计而受到广泛关注。晶体界面在离子输运过程中起着重要的作用，因此对固体电池的性能至关重要。然而，在SEs中，MOFs的界面效应还没有得到充分的认识，尤其是在分子水平上，也没有被工程化。本文以不同分子（Lewis碱）为载体，设计了一种优化的界面，并以工程MOFs为例分析了界面对离子输运的影响。结果表明，用长链Lewis碱（LCLB）修饰的MOFs的离子电导率有了很大的提高。由MOFs组成的SEs与LCLB的界面电阻明显降低。最重要的是，与没有界面工程的SSB相比，相应的Li|SE|LiPO₄固态电池（SSB）的比容量提高了47%，在5C下的寿命更长。这些结果为理解界面上的离子输运提供了新的思路，并提示了界面工程MOFs作为高级SEs的可行性。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202070329

10. ACS Energy Lett.：揭示乙烯-碳酸酯溶剂化壳层在可充电金属离子电池中的新作用

电解质在控制金属离子电池性能方面起着至关重要的作用。然而，电解质组分的分子行为及其对电极的影响还不完全清楚。在此，本文对最常用的碳酸乙烯酯（EC）助溶剂在本体和电解质电极界面的作用提出了新的见解。本文发现了一种有助于稳定电解质的新现象，除了众所周知的分解金属盐和形成固体电解质界面（SEI）的作用外。作为一个范例，本文证实了与其他类型的溶剂（如甲基碳酸乙酯）相比，EC可以优先形成Li⁺-EC对，然后改变电解质中Li⁺与溶剂的相互作用。Li⁺-EC对可以控制电极界面的去溶剂化结构，因此由于Li⁺-EC具有较高的稳定性，可以抑制Li⁺溶剂的分解。本文的观点在锂、钠和钾离子电池的不同电解液中得到了证实，在锂-溶剂对不太稳定的情况下，SEI对于稳定电极是有限的。本文的发现为EC效应提供了一个一般性的解释，并为设计更可靠的金属（离子）电池电解质提供了新的指导。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c02140

11. Adv. Funct. Mater.：通过光辅助两步顺序沉积的实现钙钛矿太阳能电池效率超过22%

利用添加剂作为晶化剂或钝化缺陷是获得高性能钙钛矿型太阳能电池（PSCs）的最有效方法之一。三碘化物离子是一种有效的添加剂，可以改善钙钛矿薄膜的结晶度、晶粒度和形貌。然而，这种三碘离子的产生和控制具有挑战性。本文提出了一种利用光辅助工艺在前体溶液中制备三碘化物离子的有效方法，并将其应用于PSCs。结果表明，碘化甲脒（FAI）溶解的异丙醇（IPA）溶液在LED光下可快速合成三碘离子。具体而言，光辅助FAI–IPA溶液有助于形成结晶度高、晶粒尺寸大、陷阱密度低的钙钛矿薄膜，从而使器件性能提高22%。这项研究表明，在FAI溶解的IPA溶液中光辅助工艺可以作为制备高效PSC的替代策略，并且可以显著缩短处理时间。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202006718

12. Adv. Mater.封面：小分子掺杂对共轭聚合物导电性能的影响

掺杂能力主要由共轭聚合物（CPs）的最高占据分子轨道（HOMO）和掺杂剂的最低未占据分子轨道（LUMO）之间的能级偏移来控制。当直接使用NOBF₄与CP形成较大的能量偏移时，可获得较差的掺杂效率，而本文所设计的掺杂策略则可通过依次使用2,3,5,6-四氟-7,7,8处理NOBF₄到预掺杂CP来显著提高掺杂效率（导电率），8-四氰基喹诺基-二甲基乙烷（F₄TCNQ），建立相对较小的能级偏移。结果表明，级联掺杂策略要求每种掺杂剂的接受位点进一步提高掺杂效率，并在能量上提供快速反应动力学。通过优化设计的掺杂策略，获得了优异的导电性（>610 S cm⁻¹），光谱分析（包括霍尔效应测量）支持通过设计的级联掺杂更有效地产生电荷载流子。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202070364

13.Science.: 通过增强空穴提取，集成钙钛矿/硅串联太阳能电池的效率>29％

将硅与金属卤化物钙钛矿配对的串联太阳能电池是超越单结电池效率极限的有前途的选择。研究者们报告了集成的钙钛矿/硅串联结构，其认证的电源转换效率为29.15％。钙钛矿吸收层的带隙为1.68 eV，通过快速空穴提取和空穴选择性界面处的非辐射复合最小化的组合，在光照下保持相稳定。通过自组装的甲基取代咔唑单层作为钙钛矿电池中的空穴选择层，可以实现加速空穴提取与1.26的低理想因子和高达84％的单结填充因子，同时可实现高达1.92伏的串联开路电压。在没有封装的情况下，在空气中，串联运行300小时后仍能保持其初始效率的95％。

原文链接：

https://doi.org/10.1126/science.abd4016

14. Adv. Mater.：MACl在依次沉积的用于高效太阳能电池的无溴钙钛矿吸收剂中的作用

迄今为止，甲基溴化铵/氯化甲基铵（MABr / MACl）或甲基碘化铵（MAI）/ MACl的组合是最稳定的添加剂，用于稳定通过顺序沉积法制得FAPbI₃。但是，由于添加了溴化物而导致的带隙扩大以及这些添加剂在碘化铅（PbI₂）转化中功能仍然值得考虑。在本文中，研究者们系统研究了MACl在顺序沉积的无Br， FA基钙钛矿中的作用。发现MACl可以很好地调节PbI₂ / FAI反应，在室温下调节相变，并调节热退火过程中与中间相关的钙钛矿的结晶和分解。与FAPbI₃相比，具有MAC1的钙钛矿表现出更大的晶粒，更长的载流子寿命和降低的陷阱密度。因此，所得的太阳能电池在反向扫描下具有23.1％的最佳功率转换效率（PCE），而稳定的功率输出为23.0％。此外，在没有封装的氮气氛围中，100 mW cm^-2的白色照明（氙气灯）下，它的光稳定性大大提高。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202007126

15.Adv. Mater.：亚带隙外量子效率光谱揭示钙钛矿太阳能电池的降解和自愈机制

已经确定了离子解离可以决定钙钛矿太阳能电池（PVSC）的固有稳定性，但是潜在的降解机制仍然难以捉摸。在此，研究者们通过结合高度敏感的亚带隙外部量子效率（s-EQE）光谱，阻抗分析和理论计算，可以监控降解过程中PVSC中缺陷状态的演变。已发现，PVSC的降解可分为三个步骤：

1）从钙钛矿晶格中解离离子；

2）解离离子的迁移；

3）与金属电极反应消耗I-。

其中，发现步骤（3）是至关重要的，因为它将加速前两个步骤并导致持续退化。通过用化学上更坚固的铟锡氧化物（ITO）代替金属，发现在光浸泡下解离的离子只会在钙钛矿/ ITO界面处饱和。重要的是，解离的离子随后将在黑暗条件下恢复到相应的空位，以修复钙钛矿和光伏性能。无需接触ITO接触PVSC即可消耗掉的此类移动离子，会导致白天/夜晚自然运行中的收获－休息－恢复周期。可以预见，本文报道的固有钙钛矿材料降解机理将导致朝着高度稳定的PVSC的更清晰的研究方向。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202006170

16. Joule.：用于高效太阳能电池的环境空气处理的CsPbI₃层表面工程

CsPbI₃钙钛矿具有理想的带隙，不需要为Si串联太阳能电池使用混合卤化物，并且由于其无机成分而具有较高的热稳定性。但是，CsPbI₃的功率转换效率（PCE）低于带隙相同的有机阳离子基卤化物钙钛矿的功率转换效率。决定CsPbI₃ PCE的主要因素是其在基底上的薄膜的表面形态和缺陷钝化。在这项研究中，研究者们通过控制结晶过程的中间阶段，依次滴加甲基氯化铵（MACl）溶液（SDMS）来获得高度均匀且针孔最小的薄膜，然后在环境空气中使用碘化辛基铵表面钝化。SDMS加速了CsPbI₃钙钛矿层的结晶过程，导致形成了均匀且致密的表面，几乎没有针孔。因此，我们制造了具有出色PCE（20.37％）的CsPbI₃太阳能电池。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.11.020

17. Matter.：光伏效率超过18％的二维钙钛矿分子工程

具有出色的稳定性和光电性能的二维（2D）钙钛矿引起了人们对于钙钛矿太阳能电池（PSC）使用的极大兴趣。迄今为止，由于2D量子阱中较高的复合损失，因此，最先进的2D-PSC的功率转换效率（PCE）仍然不能令人满意。在这里，基于一系列具有不同链长的烷基铵间隔基（乙胺到己胺），研究者们提出了一种通过分子范德华相互作用的策略，以实现Ruddlesden-Popper 2D钙钛矿中的修饰结晶，相分布和量子受限行为（n = 4）。 通过使用最佳的戊胺（AA）间隔基，已经实现了具有良好对齐的相位排列，具有更少的不利n值种类和减降低的激子结合能的高质量2D钙钛矿，从而导致通过不同n值组分的足够电荷转移。基于（AA）₂MA₃Pb₄I₁₃的器件产生的最佳PCE为18.42％，显示出令人印象深刻的1.25 V开路电压和超过0.80的填充系数。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.11.011

18. Matter.: 苯肼与卤素离子协同控制的照明耐久性和高效锡基钙钛矿太阳能电池

有机-无机杂化锡基钙钛矿因其更合适的带隙和环境友好特性而引起了广泛的关注，但Sn²⁺的自然氧化使太阳能电池的照明稳定性和效率不尽人意。在这里，研究者们成功地证明了通过结合实验和理论计算，协同引入苯肼阳离子（PhNHNH₃⁺）和卤素阴离子（Cl^–和Br^–）可以大大改善FASnI₃（FA代表NH₂CH = NH₂⁺）的照明稳定性。最终的器件实现了13.4％（经认证的12.4％）的功率转换效率，并具有出色的长期耐用性；也就是说，经过优化的设备在AM1.5G单日照下在330小时内可保持原始效率的82％。该方法为提高锡基钙钛矿的照明稳定性和效率提供了一种通用的方法。