能源周报：Nature、Angew、AM、AEM、Joule等大合集！
1. Nat. Commun.：用于高压铝硫电池的离子液体中硫的可逆电化学氧化
硫是金属硫电池中重要的电极材料。它通常与金属负极结合并进行电化学还原以形成金属硫化物。在此，我们首次展示了 AlCl3/尿素离子液体中的可逆硫氧化过程，其中硫被 AlCl4− 电化学氧化形成 AlSCl7。硫氧化的特点是：1) 高度可逆，效率约为 94%；2)可在广泛的高电位范围内工作。因此，基于硫氧化的铝硫电池可以在大约1.8 V 附近稳定循环，这是 铝硫电池中的最高工作电压。硫氧化过程的研究有助于理解硫化学，并为其他高压金属硫电池的设计提供宝贵的灵感，而不仅限于铝硫的配置。
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https://doi.org/10.1038/s41467-021-26056-7
2. ACS Energy Lett.：全面了解全电池锂电镀的成核、自催化生长和剥离效率
同步加速器高能 X 射线衍射用于对工作电池中的异质锂镀层进行无损检测和量化。在这项研究中，LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2/石墨软包电池在6倍率快速充电速率下运行超过1200次循环。量化了锂电镀、锂剥离的量级和空间分布以及金属锂沉积对锂嵌入石墨的影响。放电后检测到完全嵌入的石墨（LiC6），其横向分布与锂镀层密切相关，可作为更高灵敏度的锂镀层指示剂。在延长的循环寿命中，整体金属锂浓度遵循 sigmoidal 曲线，表明两阶段连续成核和自催化生长。由于金属锂的堆积阻碍了锂的有效溶解，锂剥离效率随着循环寿命的增加而呈指数衰减。这些发现提供了对现实快速充电条件下锂电镀和剥离特性的直接见解。
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https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c01640
3. Angew. Chem. Int. Ed.：MXene-铜/钴杂化物通过路易斯酸性熔盐蚀刻用于高性能对称超级电容器
由于其金属导电性、高密度和亲水性，MXenes 作为超级电容器引起了极大的兴趣。在此，我们通过熔盐蚀刻报告了Ti3C2-Cu/Co 杂化物，其中金属原子的存在及其通过表面氧原子与 MXene 的相互作用首次被 XAFS 阐明。Ti3C2-Cu 电极的电化学研究证明了铜的赝电容贡献和在1.0 M H2SO4 中 0.5 A g-1时 为885.0 F g-1 的出色比电容。对称超级电容器 Ti3C2-Cu//Ti3C2-Cu 的工作电压为1.6 V，1 mA cm-2 下的面积电容为 290.5 mF cm-2，并且稳定性超过10000次循环。它在 0.8 mW cm-2 的功率密度下提供了103.3 μWhcm-2 的面能量密度，在此基础上制造了袋式超级电容器。它为设计基于 MXene 的电化学储能材料的熔盐机制和策略提供了更深入的见解。
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https://doi.org/10.1002/anie.202112381
4. Nature: 有机太阳能电池中电荷重组对三重态激子的作用
在有机太阳能电池中使用非富勒烯受体(NFAs)可使能量转换效率高达18%。然而，有机太阳能电池的效率仍然低于无机太阳能电池，后者的能量转换效率通常超过20%。产生这种差异的一个关键原因是，由于非辐射重组，有机太阳能电池相对于光带隙具有较低的开路电压。有机太阳能电池与无机太阳能电池在效率方面的竞争，非辐射损失途径必须被识别和抑制。在这里，研究者们表明，在大多数使用NFA的有机太阳能电池中，开路条件下的大多数电荷重组是通过形成非发射NFA三态激子进行的;在基准PM6:Y6共混中，该比例达到90%，开路电压降低60 mV。我们通过在NFA三态激子和自旋三态电荷转移激子之间进行大量杂交来阻止通过这个非辐射通道的重组。模型表明，从自旋三重态电荷转移激子到分子三重态激子的背电荷转移速率可以降低一个数量级，从而使自旋三重态电荷转移激子重新解离。我们演示了抑制三重态激子形成的NFA系统。因此，这项工作为能量转换效率达到20%以上的有机太阳能电池提供了一条设计路径。
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https://doi.org/10.1038/s41586-021-03840-5
5. Adv. Mater.：挥发性固体添加剂辅助处理，使有机太阳能电池的效率超过18.8%，填充系数超过80%
控制有机半导体的自组装，在本体异质结有源层形成成熟的纳米级相分离，是构建高性能有机太阳能电池(OSCs)的关键和挑战。特别是，非富勒烯受体和p型有机半导体给体之间相似的各向异性共轭结构，增加了操纵它们向适当相分离方向聚集的复杂性。研究者们提出了一种利用二thieno[3,2-b:2 '，3 ' -d]噻吩(DTT)和1-氯萘(CN)的协同效应来调节光活性层形貌的新方法。高结晶度的挥发性固体添加剂DTT可以在铸膜过程中限制非富勒烯受体的过度自组装，在热退火过程中DTT同时挥发，从而实现相分离和分子堆积的细化。因此，采用CN和DTT双重添加剂加工的PTQ10:m-BTP-PhC6:PC71mm三元OSCs的功率转换效率为18.89%，FF为80.6%。
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https://doi.org/10.1002/adma.202105301
6. Joule：有机体异质结太阳能电池层间表面能的纳米级异质分布
溶液处理的有机体异质结(BHJ)太阳能电池(OSC)在重量轻、机械灵活性和低成本生产方面显示出独特的优势。BHJ活性层的纳米级形态决定了器件中的激子和电荷载流子行为，这可以通过底层夹层的表面能(γs)进行调节。然而，参数γs通常是通过接触角(CA)测量计算的，无法描述界面状态在纳米尺度上是均匀的还是异质的。在这里，研究者们展示了一种调节中间层表面能纳米级分布的有效策略，其特征在于基于原子力显微镜的峰值力定量纳米机械映射模式。BHJs的复合分布、分子堆积和相分离受到层间表面能的纳米级异质分布的有利调节，导致最佳PCE为18.27%，认证效率为17.80%。
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https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.09.001
7. Adv. Energ. Mater.：降低铅泄漏的稳定钙钛矿太阳能电池超疏水表面设计
钙钛矿太阳能电池的环境退化和铅泄漏对其商业化提出了巨大的挑战。在这里，研究者们证明超疏水表面的设计是解决这些问题的有效策略，其中硫醇功能化的全氟烷基分子被用来化学修饰铅卤化物钙钛矿膜和金属电极通过蒸汽辅助自组装过程。由于范德华力，自组装单分子层的生成倾向于以密集的方式排列，从而形成排列最紧密的晶体状分子阵列。这种密集阵列具有低表面能的化学特性，不仅可以增强已完成器件的耐水和耐氧性能，还可以降低钙钛矿表面的缺陷密度。这些优点最终将倒置钙钛矿太阳能电池的效率提高到21.79%，并大大提高了长期稳定性。更重要的是，巯基功能化的超疏水阵列可以通过金属-巯基配位效应固定钙钛矿表面大部分配位不足的铅离子，从而抑制水溶性卤化铅钙钛矿的铅渗漏。因此，本文提出了一种制备稳定的钙钛矿太阳能电池的方法，以减少铅的泄漏，这是向实际应用迈出的重要一步。
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https://doi.org/10.1002/aenm.202102281
8. Adv. Funct. Mater.：高性能稳定钙钛矿太阳能电池单体自聚合及与钙钛矿诱导相互作用研究
虽然钙钛矿太阳能电池(PSCs)在功率转换效率(PCE)方面取得了可喜的成果，但长期稳定性一直被认为是其实际应用的主要障碍。在这项工作中，研究者们证明了小单体2-(二甲氨基)甲基丙烯酸乙酯(DMAEMA)与不饱和羧酸酯键在反溶剂中形成钙钛矿，以改善PCE和稳定性。结果表明，DMAEMA自聚合并均匀分布在薄膜中，有助于提高钙钛矿的结晶度。同样重要的是,发现有新成立的交互Pb2+DMAEMA,与碘和三元胺DMAEMA与钙钛矿,这提高了碘化铅(2)垂直分布的均匀性随着电影,从而稳定阶段,以及在很大程度上减少缺陷密度。总体而言，DMAEMA倒置PSCs的开路电压为1.10V，短路电流为23.86 mA cm−2，填充系数为0.82，最终PCE达到21.52%。同时，由于抑制了碘的形成、非配位Pb2+的减少和相分离的抑制，PSC的稳定性显著提高。
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https://doi.org/10.1002/adfm.202105290
9. Adv. Funct. Mater.: 高效稳定的钙钛矿太阳能电池环境稳定性的氟化黑色磷纳米片
特殊的电子和光子特性(如可调谐的直接带隙，高双极性载流子迁移率)使少层黑磷(BP)纳米片/量子点成为一种重要的光电材料。然而，用于金属卤化物钙钛矿太阳能电池(PSCs)的BP大多是通过超声辅助的液体剥离产生的，这不可避免地带来了较差的电子性能，从而导致有益效果有限。此外，研究者们发现，夹在(CsFAMA)Pb(Br/I)3钙钛矿和spiro-OMeTAD之间的BP纳米片的固有不稳定性对PSCs的性能稳定有有害影响。为了解决上述问题，提出了一种可行的策略，即通过一步电化学分层合成高质量的氟化BP (F-BP)纳米片。除了P-Pb协调,有一种强烈的氢键之间的F−和MA+/FA+F−之间以及离子键和Pb2+钙钛矿/F-BP接口,从而导致更少的界面陷阱比钙钛矿/BP负责F-BP功率转换效率(22.06%)最高的设备。更重要的是，由于氟吸附原子的抗氧化和抗水化行为，F-BP器件具有良好的环境稳定性，从而显著提高了湿度和货架期稳定性。总体而言，研究结果为同时提高基于bp的PSCs的光伏性能和长期稳定性提供了一种有前景的策略。
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https://doi.org/10.1002/adfm.202106779
10. Adv. Funct. Mater.: 多金属氧基材料的构建消除多种铅基缺陷和提高钙钛矿太阳能电池的热稳定性
低缺陷的高质量钙钛矿薄膜对钙钛矿太阳能电池的功率转换效率和长期稳定性起着重要的作用。研究者们提出了在钙钛矿前驱体溶液中使用稳定的多金属氧酸盐基材料CoW12@MIL-101(Cr)来同时去除Pb0和钝化Pb2+的有效策略。通过与金属-有机框架的相互作用，优化了CoW12的可控氧化能力，形成了形貌规则、晶粒尺寸大、缺陷密度低的掺杂钙钛矿膜。通过原位热重-傅里叶变换红外光谱分析进一步研究了前驱体溶液中的溶剂效应和中间物质的形成。此外，冠军掺杂器件的PCE提高到21.39%，稳定性极佳，在N2气氛中85°C加热和在环境条件(25°C, 40%湿度)下储存1000 h后，PCE分别保持原来的85%和89%。
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https://doi.org/10.1002/adfm.202105884
11. Angew. Chem. Int. Ed.: 具有增强的锂离子传输能力的离子液体电解质能够为高性能锂氧电池提供稳定的锂沉积
双（三氟甲磺酰基）酰亚胺基离子液体（TFSI-IL）电解液可以赋予锂氧电池较低的充电过电位。然而，较弱的锂离子传输能力（LTA）导致锂离子沉积不均匀。在此，在Sand公式的指导下，通过引入氢氟醚（HFE）和优化电解液成分比以调节溶剂化环境，TFSI-IL电解液的LTA大大提高，从而实现稳定的锂沉积。在最佳电解液中，由于HFE对离子聚集网络的切片作用，溶剂化环境从Li(TFS)2-离子对转变为离子聚集团簇。因此，Sand公式的输运参数同步增强，从而产生高度稳定的锂沉积行为，库仑效率（~97.5%）和循环速率（1 mA cm–2）显著提高。此外，Li-O2电池的循环稳定性可以大大提高（75次循环后的Sand过电位升高为64 mV）。这为TFSI-IL电解液的实际应用提供了新的视角。
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https://doi.org/10.1002/anie.202111360
12. Angew. Chem. Int. Ed.: 安全金属锂电池的抗疲劳界面层
锂枝晶的电镀/剥离会破坏静态固体电解质界面（SEI），并在锂阳极中引起显著的动态体积变化，从而导致较差的循环性和严重的安全危害。在此，本文设计了一种具有滑环结构的坚韧聚合物作为锂阳极的自适应界面层。具有动态交联网络的滑环聚合物在保持其韧性和抗断裂性的同时自由移动，这使其能够耗散界面层上锂树枝晶引起的张力。此外，滑环聚合物具有高度的可伸缩性、弹性，并显示出超快的自愈能力，这使得即使是粉碎的锂也能在连续循环过程中保持凝聚而不解体。高临界电流密度（6 mA cm-2）证明，锂阳极对锂枝晶形成的抑制作用显著改善，并具有高表面积容量LiFePO4、高压NCM和S阴极的全电池的稳定循环。
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https://doi.org/10.1002/anie.202111199
13. Adv. Mater.: 碳酸盐电解液中大功率高能钠/钾金属电池钠/钾保护层的设计原则：以Na2Te/K2Te为例
钠（钾）金属阳极结合了低成本、高理论容量和高能量密度，在钠（钾）金属电池中显示了良好的应用前景。然而，Na（K）表面的枝晶生长阻碍了其实际应用。在此，密度泛函理论（DFT）结果预测Na2Te/K2Te有利于Na+/K+的迁移，并且由于Na+/K+迁移势垒较低，Na+/K+扩散系数超高达3.7×10-10cm2 s-1/1.6× 10−10 cm2 s-1（300 K）。然后将纳米Te粉直接涂在金属钠表面，制备Na2Te保护层。这个Na@Na2Te在低成本碳酸盐电解液（1 mA cm-2, 1 mAh cm-2）中，以及相应的Na3V2(PO4)3//Na@Na2Te全电池在未曾有的29687 W kg−1功率密度下具有223 Wh kg-1的高能量密度，以及在20 C下进行3000次循环后具有93%的超高容量保持率。此外K@K2Te基钾金属全电池也显示出20 577 W k g-1的高功率密度，能量密度为154 Wh kg−1.这项工作为稳定钠（钾）金属阳极开辟了一条新的、有希望的途径，其界面层简单、成本低。
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https://doi.org/10.1002/adma.202106353
14. Adv. Mater.: 锂硫电池单原子金属嵌入三维电极中的工程d-p轨道杂化
单原子金属催化剂（SAC）被用作硫阴极添加剂，以提高电池性能，尽管控制催化活性的材料选择和机理尚不清楚。结果表明，单原子金属和硫物种之间的d-p轨道杂化可以作为理解锂硫电池中SACs催化活性的描述符。研究发现，原子序数较低的过渡金属，如Ti，具有较少的填充反键态，从而有效地结合多硫化锂（LIPS）并催化其电化学反应。采用可控氮配位法制备了一系列嵌入三维电极中的单原子金属催化剂（Me=Mn、Cu、Cr、Ti）。其中，单原子Ti嵌入电极对LiPSs还原/Li2S氧化的电化学屏障最低，催化活性最高，与理论计算吻合良好。由于导电传输网络上单原子Ti的高活性催化中心，在低催化剂负载量（1 wt.%）和高面积硫负载量（8 mg cm-2）下实现了高硫利用率. 这些3D电极具有良好的弯曲机械稳定性，适用于制造可弯曲/可折叠锂硫电池，用于可穿戴电子设备。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202105947
15. Nat. Commun.: 协同开发生产高压准固态锂金属电池
目前的锂电池技术在能量含量方面受到限制。因此，考虑了几种方法来提高这些储能装置的能量密度。在这里，本文报告了一种基于杂原子的凝胶聚合物电解质与混合阴极的组合，该混合阴极由富锂氧化物活性材料和石墨导电剂组成，以生产高能“穿梭继电器”锂金属电池，其中，通过电解液在高电压下的阴离子穿梭产生额外的容量。在全氟电解质中通过原位聚合制备的凝胶聚合物电解质显示出足够的离子导电性（在25°C约2 mS cm−2），氧化稳定性（高达5.5V vs Li/Li+）、与Li金属的相容性和安全性（即不易燃性）。聚合物电解质允许在从富锂氧化物（即摇椅机制）中去除锂离子后，将六氟磷酸盐阴离子可逆插入导电石墨（即双离子机制）。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-021-26073-6