能源周报：Nature、Nat. Energy、AEM、AFM等大合集！

温馨提示：本推文包含19篇文献，预计阅读时间约19min，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. Energy：超低温循环锂金属电池电解质溶剂化的优化

锂金属电池有望在超低温（低于−30℃）下工作时，将电池级能量密度提高到300Whkg⁻¹以上。能够在这些极端温度下进行充电和放电的电池是非常理想的，因为它们固有地减少了对外部加热的需求。在这里，本文证明了电解质的局部溶剂化结构决定了超低温下的电荷转移行为，这对于实现高锂金属库仑效率和避免枝晶生长至关重要。这些见解应用于锂金属全电池，其中高负荷3.5mAhcm⁻²硫化聚丙烯腈（SPAN）阴极与1倍过量锂金属阳极配对。当分别在−40和−60°C下循环时，电池保留了84%和76%的室温容量，在50次循环中表现出稳定的性能。这项工作提供了超低温锂金属电池电解液的设计标准，并代表了低温电池性能的决定性步骤。

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https://doi.org/10.1038/s41560-021-00783-z

2. Nat. Commun.：高压长寿命固态钠离子电池用稳定阴极固体电解质复合材料

可充电固态钠离子电池（SSSB）在更安全、更高能量密度的储能方面有着巨大的应用前景。然而，现有的硫化物基固体电解质与高压氧化物阴极之间的电化学稳定性较差，限制了它们的长期循环性能和实用性。在这里，本文报道了离子导体NaY_1-xZr_xCl₆（NYZC）的发现，它既具有电化学稳定性（高达3.8V vs.Na/Na⁺），又与氧化物阴极具有化学相容性。在室温下，其离子电导率高达6.6×10⁻⁵Scm⁻¹，比氧化物涂层高几个数量级，这归因于丰富的Na空位和协同的MCl₆旋转，导致极低的界面阻抗。由NaCrO₂+NYZC复合阴极、Na₃PS₄电解液和Na-Sn阳极组成的SSSB在室温下具有97.1%的第一循环库仑效率，在40°C下可循环1000多次，容量保持率为89.3%。这些发现突出了卤化物在SSSB应用中的巨大潜力。

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https://doi.org/10.1038/s41467-021-21488-7

3. Adv. Energ. Mater.：固态钠金属电池均质钠离子通量动力学的各向同性硫化聚丙烯腈中间层

无机固体电解质钠金属电池以其高安全性和优异的电化学性能在下一代无锂储能系统中受到广泛关注。在此，与传统上使用的聚合物/陶瓷/聚合物三明治电解质相比，提出了一种高效、绿色、可扩展的粉末抛光合成方法，制备了一种热解聚丙烯腈改性钠超离子导体（NASICON）电解液，以减轻集成复合材料SSE的极化，改善电解液与钠阳极的界面接触。此外，在优选的各向同性硫化聚丙烯腈（SPAN）中间层中引入S可引发聚丙烯腈与化学键合短链S-S段的脱氢和环化反应，这些短链S-S段可与Na⁺键合以重新分配界面电场并均匀输送的Na⁺通量，导致钠沉积行为从枝晶生长模式向侧向扁平生长趋势转变。共轭聚合物主链具有离域自由基，可以激活形成的短链硫化物重新连接到主链上，从而保持优异的结构稳定性。得益于合理的界面设计，Na/SPAN-NASICON/Na电池的临界电流密度达到了创纪录的1.4 mA cm^-2。此外，SPAN用作组装固态Na/SPAN-NASICON/SPAN Na-有机硫电池的阴极，显示出优越的容量和循环稳定性。合理的基于跨度的结构设计策略为固态碱金属电池的潜在应用提供了一条途径。

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https://doi.org/10.1002/aenm.202003469

4. Adv. Energ. Mater.：调节P2层状阴极材料中钠的占据位置以提高电化学性能

P2层状阴极材料中不同的钠占据位可以重组钠离子的分布，改变钠离子/空位的超结构，这对钠离子在充放电过程中的输运和储存行为有着重要的影响，但目前还没有专门的研究和深入的了解。在此，通过诱导Sb⁵⁺离子对过渡金属正下方的Na位产生强烈排斥作用，成功地调节了P2-Na_0.67[Mn_0.66Ni_0.33]O₂阴极中两个不同Na位（过渡金属离子下方的位和c方向氧离子下方的位）的占有率。结果表明，过渡金属离子正下方Na含量的降低有利于P2层状阴极材料的循环稳定性和倍率性能。原位X射线吸收光谱显示可逆Mn^3.3+/Mn⁴⁺和Ni²⁺/Ni³⁺氧化还原偶分别在1.8–2.3和2.3–4.2 V的不同电压区域提供电荷补偿。透射X射线显微镜证实了整个电极颗粒上均匀的氧化还原反应。此外，Sb取代可以通过阻止氧在a-b平面上滑动来抑制高压区的P2-O₂相变，从而确保循环过程中结构的稳定性。

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https://doi.org/10.1002/aenm.202003455

5. Adv. Energ. Mater.：钠离子电池蜂窝状层状正极材料的电子结构工程

本文介绍了O′3型Na[Ni_2/3−xCoxSb_1/3]O₂（Na[Ni_2/3Sb_1/3]O₂-Na[Co_2/3Sb_1/3]O₂固溶体）的合理设计。由于Co^3+/2+氧化还原反应的困难，Na[Ni_2/3−xCoxSb_1/3]O₂化合物的电子结构被设计成通过电化学氧化将Co²⁺氧化成Co³⁺，在氧化物基体中建立导电网络，之后形成的Co³⁺不参与电化学反应，但提高了结构的导电性。密度泛函理论计算表明，在Na_1−y[Ni_2/3−xCoxSb_1/3]O₂脱钠过程中，Co³⁺形成后，禁带能量降低。Na[Ni_2/3−xCoxSb_1/3]O₂（x=1/6）电极在改善导电性的同时使用氧化的Co³⁺物种，在2C（400 mA g⁻¹）下表现出良好的循环性能，容量保持率约为72.5%，甚至在50 C（10 A g⁻¹）下也具有活性。操作X射线衍射和非原位X射线吸收近边缘结构研究表明，与电化学驱动的结构中存在的Na[Ni_2/3Sb_1/3]O₂相比，充电和放电时晶格变化受到抑制。这些发现为钠离子电池正极材料的发展提供了新的策略，为其结构转变和先进正极材料的电子性质提供了重要的见解。

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https://doi.org/10.1002/aenm.202003399

6. Adv. Funct. Mater.：协同双添加剂电解液界面改性提高钠离子电池层状阴极的循环性能

电解液添加剂在决定电池循环稳定性和安全性等关键性能方面起着重要作用。与材料发展相比，钠离子电池电解质和界面相的研究尚处于起步阶段。本文首次将丁二酸酐（SA）作为碳酸氟乙烯酯（FEC）的协同成膜添加剂进行了研究，并显著提高了双添加剂Na/Na_0.6Li_0.15Ni_0.15Mn_0.55Cu_0.15O₂（NLNMC）电池的使用寿命，在1 C下的400次循环中保持87.2%的容量保持率。相比之下，仅添加两种添加剂中的一种或不添加任何添加剂的电池的电化学性能要差得多。加入SA后，循环NLNMC材料表面的界面层变得均匀、稳定，其中含有较多的富氧有机物和较少的NaF。电化学阻抗谱（EIS）和能谱（EDS）结果表明，SA的加入对钠阳极部分的界面层也有影响。此外，在线微分电化学质谱（OEM）测试表明，与仅使用FECs相比，双添加剂电池在最初的两个循环中产生较少的CO₂，这表明SA在实际应用中的另一个优势

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https://doi.org/10.1002/adfm.202010500

7. Adv. Funct. Mater.：将固体电解质的降解与硫代磷酸酯复合正极中的载流子向固态锂硫电池的运输联系起来。

固态锂硫电池（SSLSB）可能会导致储能模式发生变化。使用新兴的高导电性固体电解质可实现高能量和功率密度。然而，由于需要电解质和导电添加剂的混合，以补偿正极活性材料S8和Li₂S的绝缘性质，导致了强烈的电解质降解。因此，最重要的是更好地了解在正极组分之间具有极高界面密度的正极复合材料的电化学和传输性能。在这里，通过使用球磨的硫银锗矿Li₆PS₅Cl和碳的复合材料作为模型电极，综合研究了正极负载、导电相体积分数、温度、外加电位对复合材料的稳定性、可逆性和输运性能的影响。比较通过传输线模型分析电解质降解的起始电位和复合材料的有效离子电导率的急剧下降，以及实际容量和有效的载流子传输之间取得平衡，证明成功提高了固态锂硫电池的容量保持能力。在室温下进行100次循环后，具有3.68 mAh cm^-2的高面积容量。这种分析手段适用于任何电绝缘固态复合材料。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202010620

8. Adv. Funct. Mater.：“天然丝绸”改性隔膜对高性能锂负极锂离子的调节作用

金属锂负极由于其高理论比容量和低电化学势而长期以来一直是二次电池领域的“圣杯”。但是其固有的不受控制的锂枝晶生长会削弱其优势，这会缩短循环寿命并引发安全隐患。在这项工作中，开发了天然丝绸衍生物的功能改性层，以通过便捷的自动转移途径保护锂负极。通过提供丰富的官能团位点，可以有效地使负极表面的锂离子通量均匀化。蛋白基修饰层还有助于在锂负极上原位形成富含Li₃N的固体电解质界面。因此，实现了具有无枝晶形态和显着增强的循环稳定性的高性能锂金属负极：当与LiFePO₄正极配对时，整个电池在5 倍率时可获得3000个循环的长期循环稳定性。当与硫正极（5 mg cm^-2）配对使用时，在1 倍率下可获得400个循环以上的长寿命。这项工作为高性能锂负极的界面改性提供了一种简便实用的方法，并为先进电池中基于生物质的材料的应用提供了新的视角。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202100537

9. Adv. Funct. Mater.：超薄且不易燃的双盐聚合物电解质，用于高能量密度锂金属电池

具有锂金属负极和富镍LiNi_xMn_yCo_zO₂（x + y + z = 1，NMC）正极的可充电电池有望提供高能量密度的存储解决方案。但是，商用碳酸盐基电解质（CBE）会引起锂金属和NMC的界面反应恶化，从而导致锂枝晶的形成和NMC的降解。此外，碳酸盐基电解质具有热稳定性和易燃性，显示出严重的安全隐患。在这项研究中，通过轻质的聚四氟乙烯框架，聚（偏二氟乙烯-共六氟丙烯）聚合物基质，双盐和己二腈/氟代碳酸亚乙酯功能性增塑剂，提出了一种超薄且不可燃的双盐聚合物电解质（DSPE）。如此获得的DSPE具有20 µm的超低厚度，0.45 mS cm^-1的高室温离子电导率和较大的电化学窗口（4.91 V vs. Li / Li ⁺）。与功能增塑剂协同作用的双盐用于在负极和正极上制造稳定的界面层。深入的实验和理论分析表明，DSPE与负极/正极之间形成稳定的界面。结果，DSPE有效地防止了1200 小时后Li / DSPE / Li对称电池的短路，这表明锂枝晶得到了有效抑制。此外，Li / DSPE / NMC电池在2倍率时具有出色的循环稳定性，在1000次循环中可保持112 mAh g^-1的高容量。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202010261

10. Adv. Funct. Mater.：受限电催化多硫化物完全转化的高容量稳定钠硫电池

放电过程中有效的多硫化物捕获和可逆的硫回收对于充分利用室温钠硫电池的潜力至关重要。在此，基于核-壳设计策略，提出了多硫化钠准固态可逆转化的结构和化学协同操作。硫被封装在三维互连碳纤维的多孔中，作为核心结构。掺杂Fe（CN）₆^-4的聚吡咯薄膜可作为氧化还原活性的极性壳层，用于锁定多硫化物并促进多硫化物的完全转化。重要的是，短链Na₂S₄多硫化物直接还原为Na₂S，在核/壳界面处留下一小部分可溶性中间体作为阳离子转移介质，并释放了固体Na₂S₂不完全产物的形成。此外，具有开放的Fe相关的氧化还原介体可电催化降低Na₂S的氧化能垒，并使电沉积Na₂S具有高可逆性。在通用聚合物护套下的可调准固态可逆硫转化率大大提高了硫的利用率，在200个循环之后，在200 mA g^-1的容量下可提供1071 mAh g^-1的卓越容量和700 mAh g^-1的稳定高容量。受限的电催化作用为调节硫的电化学途径提供了一种策略，并确保了高效的硫电化学。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202100666

11. Adv. Funct. Mater.：用于电极-电解质界面涂层的液态合金固态电池

固态碱金属电池的最新研究成果正在将能量密度的极限推向更高的水平。但是，固态电池的发展仍然受到许多固有局限性的阻碍，其中，固体电解质和金属负极之间的不相容性是一个引起广泛研究关注的关键问题。Na-K液态合金电极设计用于与固体电解质形成电极-电解质界面的涂层。与固态电解质上的固体碱金属相比，液态金属负极在电极和电解质之间的电化学接触和物理界面上的接触大大增强。液体金属电解质的对称电池比碱金属电极表现出低得多的过电势和更好的循环性。使用重氮酸钠和铁氰化钾离子正极，在500个循环中具有出色的可循环性，具有合理的容量衰减能力和良好的全电池倍率性能。通过调节聚合物电解质中的盐和填料种类，可以进一步提高液态金属在电解质上的润湿性，并且提高的离子电导率可以进一步改善这种设计的电池性能。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202010863

12. Adv. Funct. Mater.：空心钼酸盐微球作为催化剂主体，在高硫负载和稀电解质下提高硫正极的电化学性能

锂硫电池具有很高的能量密度。但是，它的应用受到几个瓶颈的严重阻碍，包括严重的穿梭行为和硫正极的缓慢氧化还原动力学，特别是在高硫负载和稀薄电解质的条件下。在本文中，引入空心钼酸盐（CoMoO₄，NiMoO₄和MnMoO₄）微球作为催化主体，以解决这些问题。钼酸盐对可溶性多硫化锂的转化具有很高的固有电催化活性，独特的中空球形结构可分别为电催化和抑制穿梭提供丰富的位点和空间限制。同时，事实证明，钼酸盐对多硫化物的独特吸附表现出“火山型”特征，并遵循萨巴蒂耶原理。具有中等吸附性的NiMoO₄空心微球具有最高的电催化活性，有利于提高硫正极的电化学性能。特别是，在高硫负载（8.18 mg cm^-2）和低电解质/硫比(E/S, 4 µL mg⁻¹)下，S / NiMoO₄复合材料可以实现7.41 mAh cm^-2（906.2 mAh g^-1）的高面积容量。这项工作为寻找正确的规律提供了新的视角，这些规律用于选择和设计锂硫电池中的有效主体材料。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202010693

13. Nature: 通过改善载流子管理，实现高效钙钛矿太阳能电池

金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSC）是一种新兴的光伏技术，具有取代成熟的硅太阳能电池市场的潜力。在过去的几年中，由于制造方法，化学成分和相稳定方法的发展，器件性能有了极大的提高，使PSC成为最高效，成本最低的可溶液处理的光伏技术之一。但是，这些器件的光收集性能仍然受到过多载流子复合的限制。尽管付出了很多努力，但性能最佳的PSC的性能还是受到相对较低的填充因子和高开路电压缺陷（辐射开路电压限制减去高开路电压）的限制。电荷载流子管理的改善与填充因子和开路电压密切相关，因此为提高PSC的器件性能并达到其理论效率极限提供了一条途径。在这里，研究者们报告了一种通过增强电荷载体管理来改善PSC性能的方法。首先，通过调节二氧化锡（SnO₂）的化学浴沉积来开发具有理想膜覆盖率，厚度和成分的电子传输层。其次，将钝化策略在本体和界面之间解耦，从而改善了性能，同时使带隙损失最小。在正向偏置中，我们的器件显示出高达17.2％的电致发光外部量子效率和高达21.6％的电致发光能量转换效率。作为太阳能电池，它们可实现25.2％的认证功率转换效率，相当于其带隙热力学极限的80.5％。

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https://doi.org/10.1038/s41586-021-03285-w

14. Adv. Energ. Mater.: 使用结构相似的非富勒烯受体与不同侧翼侧链实现高效的三元有机太阳能电池

在这项工作中，研究者们系统地研究了三种结构相似的非富勒烯受体(分别为BTP‐Ph、BTP‐Th和BTP‐C11)的性质和性能，它们在Y6分子的噻吩基β位置上具有不同的侧链。研究了这些侧链对基于PTQ10供体聚合物的共混形貌和器件性能的空间位阻和电子效应。发现侧链上的噻吩和苯单元引入更多的空间位阻，使分子结晶度略有降低。然而，一个有趣的匹配趋势与PTQ10供体似乎更好地匹配较少结晶的分子被观察到。总的来说，PTQ10:BTP‐Ph提供了最高的17.1%的性能，这是由于三种混合物之间适当的相分离。接下来，通过将具有更好分子包装的BTP‐Th/BTP‐C11整合到PTQ10:BTP‐Ph中，探索了一种三元策略，与二元混合物相比，这种策略成功地扩展了光子响应，增强了电荷输运，并抑制了电荷重组。由于这些协同效应，基于PTQ10:BTP‐Ph:BTP‐Th的三元器件的功率转换效率达到了17.6%，填充系数达到了78.8%，是迄今为止基于PTQ10器件的最高值。

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https://doi.org/10.1002/aenm.202100079

15. Adv. Funct. Mater.: 通过添加N,1 -氟甲酰胺碘化物和具有吸电子氟基团的新型添加剂来提高钙钛矿太阳能电池的性能

添加剂被广泛应用于高效钙钛矿太阳能电池(PSCs)中，合理的添加剂设计为PSCs的各种突破做出了重要贡献。研究者合成了一种N,1-氟甲酰胺碘化物(F‐FAI)的新型添加剂，其阳离子以具有吸电子功能的氟基团取代胍基(GA⁺)中的一个氨基，并应用于PSCs的添加剂。氟的吸电子作用促进了N,1 -氟甲脒(F - FA)的分子极性，增强了N,1 -氟甲脒(F - FA+)与MAPbI₃的相互作用。与非极性GA⁺相比，F‐FA⁺提高了MAPbI₃的结晶度，钝化了缺陷，降低了费米水平。因此，可打印的PSCs中的电荷转移和内建场得到了增强。此外，F‐FAI还促进MAPbI3的电荷传输。有了这些优点，添加F - FAI后，具有更高开路电压和填充系数的可打印PSCs的功率转换效率达到17.01%，优于那些添加了碘化胍添加剂的器件的15.24%的效率。

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https://doi.org/10.1002/adfm.202010603

16. Adv. Funct. Mater.: 面向实验的高分子机器学习：非富勒烯有机太阳能电池

尽管共轭材料具有提高有机光伏（OPV）的功率转换效率（PCE）的能力，但对大多数未开发材料的全面调查超出了大多数研究人员的能力范围。在这种情况下，使用机器学习（ML）的数据驱动方法是一种有效的替代方法。但是，要弥合实验观察与数据科学之间的鸿沟需要进行许多改进。在这项研究中，研究者们使用基于实验数据集的随机模型，聚合物和非富勒烯小分子受体OPV的ML均达到0.85的高相关系数，并对200,932种通过偶联偶联产生的共轭聚合物进行了虚拟筛选。此外，为了评估ML模型的有效性，设计合成了一系列共轭聚合物（基于苯并二噻吩和噻唑并噻唑），并用不同的烷基链进行了表征。其中，PBDTTzEH：IT-4F的PCE为10.10％，这与关于烷基链选择的ML预测非常吻合。因此，当前的研究表明，可以使用相对较少的实验数据点（566）并筛选众多分子结构，从而将ML用于开发OPV。

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https://doi.org/10.1002/adfm.202011168

17. Adv. Funct. Mater.: 四极矩通过高效有机太阳能电池中的高挥发性小分子诱导的形态学控制

开发新型固体添加剂已被视为实现具有良好稳定性和可重复性的高效有机太阳能电池的有前途的策略。在此，研究者们将具有高挥发性和强四极矩设计的小分子2,2'-（全氟-1,4-亚苯基）二噻吩（DTBF）用作固体添加剂，以实现有机太阳能中的有源层形态控制。系统理论仿真显示了DTBF及其类似物的电荷分布以及它们与活性层材料的非共价相互作用。得益于更重要的电荷-四极相互作用，DTBF的引入和挥发有效地诱导了活性层中更规则和更稠密的分子堆积，从而增强了光电性能。因此，在经过DTBF处理的设备中，可以获得超过17％的高效率，这比控制设备要高。DTBF在不同的活性层系统中的进一步应用有助于更深入地理解此类添加剂。这项研究强调了一种通过精细控制挥发性固体添加剂的四极矩来优化活性层形态的简便方法。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202010535

18. Adv. Funct. Mater.: 基于梯度分子掺杂的CsFA钙钛矿太阳能电池能带工程

具有铯（Cs），甲基铵（MA）和甲脒（FA）（CsMAFA）的多阳离子组成的钙钛矿具有高功率转换效率，但是它们的热稳定性受到限制。为了承受湿热加速老化，不含MA的成分（例如CsFA）受到关注，但它们的载流子扩散长度较短，因此在光伏器件中的性能较低。研究者们报道了一种能克服基于CsFA的钙钛矿型太阳能电池中有限的载流子扩散的能带工程策略。 一项联合的实验计算研究表明，用n型分子掺杂剂处理钙钛矿会增加能带弯曲，从而使整个有源层上的电场成形，从而克服了有限的扩散传输。使用这种策略，可以制造出具有20.3％的稳定功率转换效率的CsFA太阳能电池器件，这对于使用CsFA有源层的器件而言具有很高的价值。

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https://doi.org/10.1002/adfm.202010572

19. Adv. Funct. Mater.: 共蒸发的MAPbI₃太阳能电池在85°C时具有出色的本征长期热稳定性

热稳定性是评估钙钛矿太阳能电池（PSC）长期稳定性的关键标准。即使在采用Spiro-OMeTAD作为空穴传输材料（HTM）的n-i-p结构中，未封装的共蒸发MAPbI₃（TE_MAPbI3）PSC也表现出卓越的热稳定性。在85°C的连续热老化下，TE_MAPbI₃ PSC在1000和3600 h后分别保持其初始功率转换效率（PCE）的≈95％以上和≈80％以上。TE_MAPbI₃ PSC在长时间的热老化过程中表现出出色的结构坚固性，无针孔或晶粒尺寸明显变化以及与HTM的完整界面。在此，研究者们评估了驱动TE_MAPbI₃稳定性的主要因素。事实证明，出色的TE_MAPbI3热稳定性与钙钛矿的生长过程有关，该过程导致形成致密且几乎无应力的薄膜。另一方面，具有相同架构的未封装PSC，但结合溶液处理的MAPbI₃或Cs_0.05（MA_0.17FA_0.83）_0.95Pb（I_0.83Br_0.17）₃作为活性层，则显示PCE完全降解在相同的热老化条件下500小时后。这些结果表明，除了化学组成外，钙钛矿生长过程的控制还可以大大增强PSC的热稳定性。TE_MAPbI₃令人印象深刻的长期热稳定性具有在运行条件的潜力。

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https://doi.org/10.1002/adfm.202100557

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