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. Nanotechnol.：用于超快电化学电容的小于1.2纳米轨道的二维量子薄膜
密集、厚且快速离子导电电极是具有高体积功率/能量密度的超快电化学电容器的关键但具有挑战性的组件。在这里，我们报告了一种针对重新堆叠的二维 1T-MoS2量子片的厚度可调（1.5-24.0 微米）致密电极膜的剥离-碎裂-重新堆叠策略。这些薄膜具有独特的结构，具有极高密度的窄（小于 1.2 纳米）和超短（大约6.1 纳米）疏水纳米通道，用于限制离子传输。其中，在2000μs−1下测试的14微米厚薄膜不仅可以提供0.63Mvcm−2的高面电容，还可以提供比其他电极高一个数量级的437Fcm−3的体积电容。密度泛函理论和从头算分子动力学模拟表明，纳米尺度的通道在实现超快离子传输和增强电荷存储方面起着至关重要的作用。这项工作为在厚而致密的薄膜中产生快速离子传输通道提供了一种通用的策略，用于能量存储和过滤应用。https://doi.org/10.1038/s41565-021-01020-02. Nat. Mater.：具有无序和可塑性的两性离子材料及其作为非挥发性固体或液体电解质的应用两性离子材料可以表现出独特的特性，并且可以通过改变共价键合的阳离子和阴离子部分而高度可调。尽管到目前为止报道的性能和潜在用途很广泛，但对于电解质应用，它们迄今主要用作添加剂或制造聚合物凝胶。然而，两性离子作为电解质基质材料提供了前景，这种材料不挥发，带电，但不会迁移。在这里，我们报道了一类显示出分子无序和可塑性的两性离子，这使得它们可以用作固态导电基质。我们用差示扫描量热仪、扫描电子显微镜、固体核磁共振和X射线等技术对这些材料的热、形貌和结构进行了表征。我们报道了两性离子与锂盐和锂功能化聚合物结合形成固体或高含盐量液体电解质的物理和输运性质。我们证明了两性离子电解质可以实现高的离子传输，并支持稳定的锂金属电池循环。利用无序两性离子材料作为电解质基质实现高离子电导率的能力，再加上改变化学和物理性质的广泛范围，对于未来非挥发性材料的设计具有重要的意义，这种材料在传统的分子和离子溶剂体系之间架起了一座桥梁。https://www.nature.com/articles/s41563-021-01130-z3. Adv. Mater.：超高速超长寿命水系锌离子电池有机-无机双储能复合正极开发高容量、高工作电压的正极材料对水系锌离子电池的发展至关重要。然而，经典的大容量材料(如钒基材料)的放电电压较低，而工作电压较高的有机正极通常容量较低。为此，我们设计了具有双重储能机制的有机(乙二胺)-无机(氧化钒)杂化正极，即EDA-VO，用于超高速、超长寿命的锌离子电池。乙二胺(EDA)的嵌入不仅可以增加氧化钒的层间距，改善锌离子在V-O层状结构中的迁移性，而且可以作为双齿螯合配体参与锌离子的储存。该混合动力电池具有高比容量(0.5A g-1的电流密度时为382 mA h g-1)、高电压(0.82V)和出色的长期循环稳定性(5 A g-1时超过10000次循环)。辅助密度泛函理论(DFT)计算表明，该正极具有显著的电子导电性，在EDA-VO中最佳的锌离子扩散路径具有0.78 eV的超低扩散势垒。构建具有双重储能机制的有机-无机杂化正极材料，为高能二次电池开辟了新的研究方向。https://doi.org/10.1002/adma.2021054524. Nat. Commun.：全固态锂电池Li10GeP2S12|LiNi1-x-yCoxMnyO2界面稳定性机理研究尽管全固态电池的性能在大规模应用中还不能令人满意，但人们对其进行了深入的研究。在这种背景下，Li10GeP2S12固体电解质与LiNi1-x-yCoxMnyO2正极活性材料的结合被认为是有前途的，尽管热力学不稳定的电极/电解液界面导致的电池性能仍不令人满意。在这里，我们报告了电化学和光谱研究，以监测循环过程中的界面演变，并了解反应性和降解动力学。我们发现扩散控制反应的Wagner型模型很好地描述了降解动力学，表明电子输运限制了电极-电解质界面处形成的降解层的生长。此外，我们还发现，在中等电位和高电位下，界面退化速率随着荷电状态和两种氧化机制的存在而增加。高电荷态(>80%)会引发正极的结构不稳定和析氧反应，导致更严重的退化。https://doi.org/10.1038/s41467-021-26895-45. Nat. Commun.：含氟共价有机骨架膜调节的水平排列锌片电沉积物用于高倍率和耐用的水系锌离子电池可充电水系锌离子电池由于其低成本、无毒和本质安全性，为现有锂离子电池提供了有希望的补充。然而，锌负极存在锌枝晶生长和电解液腐蚀，导致可逆性差。在这里，我们开发了一种超薄的氟化二维多孔共价有机框架 (FCOF) 膜作为锌表面的保护层。FCOF 中的氟与锌之间的强相互作用降低了 Zn (002) 晶面的表面能，从而在电沉积过程中实现了 (002) 晶面的优先生长。结果，锌沉积物显示出水平排列的片晶形态，优选 (002) 取向。此外，含氟纳米通道促进离子传输并防止电解质渗透以提高耐腐蚀性。FCOF@Zn 对称电池在 40 mA cm−2 的超高电流密度下可实现超过 750小时的稳定性。高面积容量的全电池在高锌利用率条件下表现出数百次循环。https://doi.org/10.1038/s41467-021-26947-96. Energ. Environ. Sci.：通过电和热控制来管理快速充电电池的成本和退化风险的途径锂离子电池的充电速度受到镀锂和热损伤风险的限制，这两种风险都会对电池的使用寿命产生负面影响。这项工作分析了如何使用电和热控制来最小化充电时间和管理退化风险。为了实现这一点，开发了电化学-热模型来引入恒定风险的快速充电协议，该协议最大化充电电流，同时将电池保持在选定的预定义设计极限内，以最小化退化风险。结果表明，一个典型的NMC/石墨电池在10分钟内可以完成80%的充电，电池成本低于100$ 每千瓦时(相当于80μm厚的负极)，充电的风险适中。我们还演示了扩展允许的风险(即，更高的温度、更大的电流速率和更低的负极电位限制)如何实现经济实惠的快速充电电池设计。https://doi.org/10.1039/D1EE02286E7. Adv. Energ. Mater.：氧化还原介导的镍-金属氢化物液流电池每种电池技术都有其固有的优缺点，例如，镍金属氢化物(MH)电池提供了相对较高的比能量、功率和安全性，使其成为混合动力汽车的首选电源，而水系有机液流电池(AORFB)具有可持续性、活性物质易于更换以及能量和功率的独立可扩展性，因此非常适合固定储能。在此，提出了一种新的电池技术，它利用氧化还原介导的反应将上述电池技术融合在一起，本质上具有每种单独技术的主要特征，例如，固体活性材料的高能量密度，易于回收，以及能量和功率的独立性。为了实现这一点，氢氧化镍和镍金属氢化物被限制在水系有机液流电池的正负极储存池中，该水系有机液流电池分别使用亚铁氰化钾碱性溶液和2，6-二羟基蒽醌和7，8-二羟基吩嗪-2-磺酸的混合物作为阴极液和阳极液。根据蓄电池组的容量，能量密度达到128WHL-1，这为理论极限378WHL-1留下了很大的改进空间。这项新的电池技术为氧化还原液流电池开辟了前所未有的新市场机会，例如家庭储能和重型车辆运输。https://doi.org/10.1002/aenm.2021028668. Angew. Chem. Int. Ed.：吡啶基聚合物诱导的界面螯合用于高效和耐用的空气处理钙钛矿太阳能电池在空气中制备的钙钛矿太阳能电池(PSC)中，聚合物掺杂是精确控制钙钛矿成核和晶体生长、提高电子质量的重要途径。本文研究者们设计了一种全新的具有动态2,6-吡啶二乙氧胺(PDCA)配位单元和大量氢键的自愈合聚硅氧烷(SHP)，并将其加入钙钛矿薄膜中。PDCA单元显示出强烈的分子间Pb2+-n酰胺、I-n吡啶和Pb2+-o酰胺配位相互作用，有望提高结晶度和钝化晶界。此外，SHP中丰富的氢键为疲劳PSCs的晶界裂纹提供了自愈合的条件。值得注意的是，掺杂的器件表现出19.50%的最高效率和不明显的迟滞，几乎可以与控制气氛中实现的媲美。这种基于杂环的大分子掺杂策略将为实现高效、持久的晶体半导体铺平道路。https://doi.org/10.1002/anie.2021126739. Adv. Mater.：与有序分子填料兼容的高混溶性使全小分子有机太阳能电池的效率达到16.2%在全小分子有机太阳能电池(ASM-OSCs)中，高短路电流(Jsc)通常需要小的相分离，而高填充因子(FF)通常在高度有序的填充系统中实现。但是在ASM-OSCs中，小域和有序包装总是相互收缩，导致Jsc和FF相互制约。在本研究中，研究者们提出通过调节homo-和杂分子相互作用来同时获得良好的混溶性和有序填充的策略来缓解先前的困境。通过将小分子供体中的烷基硫醇化侧链从对位移动到间位，表面张力和分子平面度同步增强，与受体BTP-eC9具有良好的混溶性和较强的自组装能力。最终实现了具有多尺度域和高度有序排列的优化形态。该器件具有较长的载流子寿命(39.8 us)和快速的电荷收集(15.5 ns)。ASM-OSCs的记录效率为16.2%，FF为75.6%，Jsc为25.4 mA cm−2。这些结果表明，同时获得良好的混溶性和高结晶度的策略可能是一种高效的ASM-OSCs光伏材料设计原则。https://doi.org/10.1002/adma.20210631610. Nat. Commun.：在有机太阳能电池中增加施主-受主间距以降低电压损失源自有机材料中不可避免的电子-声子耦合的高电压损失(Vloss)将有机太阳能电池的功率转换效率限制在低于无机或钙钛矿太阳能电池的值。在这项工作中，研究者们证明该Vloss实际上可以通过控制供体(D)和受体(A)材料之间的间距（DA间距）来抑制。表明，在典型的有机太阳能电池中，DA 间距通常太小，这是电荷载流子 (knr) 非辐射衰减过快的根源，并且可以通过设计非共轭基团来增加它，即单组分 DA 系统中的烷基链间隔和高效本体异质结系统中的侧链。增加 DA 间距使我们能够显着降低 knr 并提高器件电压。这为打破有机太阳能电池的性能瓶颈指明了一个新的研究方向。https://doi.org/10.1038/s41467-021-26995-111. Adv. Energ. Mater.: 无空穴导体可印刷介观钙钛矿太阳能电池电压损失最小化基于介孔二氧化钛、介孔氧化锆和多孔碳的无机支架的无空穴导体可印刷介观钙钛矿太阳能电池因其优异的稳定性和低制造成本而备受关注。然而，在这种无空穴导体的器件中，光生空穴的传输主要由扩散辅助的电荷载流子运动主导，而驱动力不足。加强内置电场（BEF）是促进定向载流子传输的有效策略。在此，研究者们通过使用优化的两步沉积方法，通过梯度自掺杂在不同层中产生钙钛矿的功函数差异（Δμ）来增强 BEF。增强的 BEF 改善了空穴传输和提取，并显着降低了器件中的载流子复合损失。因此，在没有任何添加剂或复杂工艺的情况下，平均开路电压提高了 60 mV 以上，功率转换效率达到了17.68%。该策略为制造具有降低载流子复合损失的高效可印刷介观钙钛矿太阳能电池提供了一种新方法。https://doi.org/10.1002/aenm.20210222912. Adv. Energ. Mater.：用于高 Voc 三阳离子钙钛矿太阳能电池的基于苯乙胺的界面偶极工程使用2D钙钛矿（如苯乙胺卤化物 (PEAX)）对 3D 杂化钙钛矿进行表面改性，可提高钙钛矿太阳能电池 (PSC) 的整体功率转换效率 (PCE) 和稳定性。该效应基于表面钝化现象，其中PEAX与钙钛矿和空穴传输层(HTL)直接接触。然而，研究者们观察到当含有 PEAX 的 PSC 不与底层（钙钛矿）或顶层（HTL）直接接触时，其 PCE 显着增加。此外，当 PEAX 不使用聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 与 HTL 接触时，PSC 的 PCE 最高 (>22%)。光电发射测量表明，空穴传输材料（为研究合成的供体-受体-供体分子）的最高占据分子轨道向更深层次的移动导致钙钛矿/HTL 界面处的空穴转移增加，从而改善设备性能。提出 PEAX 充当钙钛矿和 HTL 之间排列的偶极子，导致能级发生变化。PEAX/PMMA 在界面处的组合使高开路电压 (1.19V) 接近三阳离子 (Cs-MA-FA) 钙钛矿（带隙，1.51 eV）的 Shockley-Queisser 极限。
https://doi.org/10.1002/aenm.20210285613. Adv. Energ. Mater.：自发构建多维异质结构使无机钙钛矿太阳能电池的增强空穴提取效率超过20%CsPbI3−xBrx基无有机钙钛矿已成为超级明星光伏材料，不仅因为其优异的光电性能，而且还因为其出色的热稳定性和化学稳定性。不幸的是，其非辐射复合导致的显着能量损失已成为进一步提高器件性能的主要障碍。在这里，研究者们开发了一种在室温下自发形成的 2D/3D 多维结构。结果表明，在 CsPbI3−xBrx顶部形成的Ruddlesden-Popper 2D（n = 1）钙钛矿在介导载流子传输、维持纳秒级长寿命电荷分离状态和提高载流子注入效率方面发挥着积极作用。空穴传输层，从而提高空穴提取效率，大大减少了严重的界面非辐射电荷复合。此外，未配位的 Pb2+ 被有效钝化，导致钙钛矿薄膜内的表面陷阱密度显着降低并延长电荷寿命。因此，上述组合将太阳能电池效率从 19.05% 提高到 20.31%，开路电压从 1.17 V 提高到 1.23，相当于能量损失从 0.54 eV 降低到 0.49 eV。此外，优化的太阳能电池表现出更好的长期和热稳定性。https://doi.org/10.1002/aenm.20210300714. ACS Energy Lett.：混合相低维钙钛矿辅助界面铅定向管理的稳定钙钛矿太阳能电池，效率超过24%钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性受到界面处存在的 Pb-I 反位和不协调的 Pb0 缺陷的影响。铅基缺陷的定向管理可以降低缺陷密度和电压损失。在这项工作中，研究者们为了解决界面处的 Pb 基缺陷以进一步稳定钙钛矿表面，我们提出了通过两性杂环阳离子设计低维钙钛矿 (LDP) 的策略，该策略可以增加缺陷形成能并抑制Pb-I反位缺陷的产生。混合相 LDP 的生长可以在钙钛矿薄膜表面引入与未配位 Pb2+ 的强相互作用，从而实现处理不同类型表面终止端的能力。改进后的设备效率提高了 24.07%（稳定效率为 23.25%），整体稳定性也得到了提高。这为推动基于铅基界面缺陷定向管理的钙钛矿光伏器件的实际应用开辟了方向。
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c0187815. Angew. Chem. Int. Ed.：用于高性能倒置钙钛矿型太阳能电池的分子内非共价相互作用无掺杂空穴传输材料分子内非共价相互作用（INIs）已成为访问具有增强的主链平面性和电荷传输特性的有机半导体的一种强有力的策略。在此，本文通过构建两个具有高性能钙钛矿太阳能电池（PVSC）INI集成主干的小分子HTM，应用INI策略开发无掺杂空穴传输材料（HTM）。在将非共价S··O相互作用并入由二硫代酚核和两个三苯胺端组成的简单结构主链后，得到的HTM BTORA和BTORCNA显示出自平面化主链、调谐的能级、增强的热性能、适当的膜形态和有效的缺陷钝化。更重要的是，高薄膜结晶度使材料具有大量空穴迁移率，从而使其成为有希望的无掺杂HTM。因此，基于BTORCNA的倒置PVSC提供了21.10%的显著功率转换效率，并鼓励长期设备稳定性，显著优于基于BTRA的无S··O相互作用的设备（18.40%）。这项工作为设计高性能PVSC的高本征迁移率电荷传输层提供了一种通用和实用的方法。https://doi.org/10.1002/anie.20211374916. Adv. Energ. Mater.: 高速锂离子电池用铌酸镍阳极快速充电是下一代锂离子电池的关键要求之一，然而，典型电极材料的锂离子扩散速率有限。活性电极材料的纳米化是提高锂离子有效扩散传输速率的常用策略，但它也会降低电池的体积能量/功率密度和稳定性。在这项工作中，铌酸镍NiNb2O6首次被证明是一种新型的锂离子电池固有的高速阳极材料，无需实现纳米结构。NiNb2O6主体晶体结构仅表现出单一类型的锂离子插层通道，并且可以在低电流密度下以约244mAh g−1的容量完全锂化。有趣的是，在300 K下10-12 cm2 s-1的高扩散系数使其可在高电流密度下快速（放电）充电，从而导致在10和100C下140和50 mAh g−1的高容量。锂化过程中的最小体积变化是NiNb2O6中稳定可逆锂化过程的起源，并导致20分钟后在100℃下进行1000次循环81%的容量保留。最后，针对LiFePO4和Li[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2（NCM811）阴极的全电池系统证明了铌酸镍阳极在实际电池装置中的良好储能性能。https://doi.org/10.1002/aenm.20210297217. Adv. Energ. Mater.：固体转换硫阴极衰减机理的研究及长周期锂硫电池的设计硫阴极表面形成的阴极-电解质界面（CEI）在决定锂硫电池能否通过固相转化反应发挥方面起着至关重要的作用，固相转化反应可有效阻止多硫化物的溶解。然而，对于锂硫电池CEI的演变和失效机理还缺乏系统的研究。在这里，本文发现形成的CEI的完整性与硫含量和电解液量密切相关。当还原产物（Li2S/Li2S2）的体积超过碳主体的最大体积时，形成的CEI无法承受重复锂化/脱锂后的体积变化。CEI的反复断裂和修复不断消耗电解质和活性物质。因此，为了通过固相转化实现延长循环稳定性，硫含量和主体内部空间应匹配良好。基于上述认识，设计的硫石墨全电池在2000次循环中表现出优异的循环性能。这项工作揭示了锂硫电池固相转化反应的失效机理，为设计长寿命、高硫含量的正极材料提供了一些启示。https://doi.org/10.1002/aenm.20210277418. Adv. Funct. Mater.：通过定制的能带对齐进行界面建模：面向电化学稳定全固态锂金属电池锂金属阳极（LMA）和无机固体电解质（SSE）之间的界面不稳定性是全固态锂金属电池（ASSLB）中的一个关键问题。以前的研究主要集中在界面改性方法，以实现ASSLB的长期循环稳定性。然而，在没有深入理解LMA–SSE接口的情况下，策略制定仅限于现象学解决方案。此外，可充电电池是通过电场中电荷的行为来操作的，这一事实常常被忽视。本文首次证明，基于能带理论的界面建模确实有效地克服了SSE对LMA固有的脆弱性。钛化合物自诱导中间层（TSI）可防止由于LMA到SSE表面的不良电子传输而导致的界面劣化，TSI可形成界面能垒。带有TSI的锂对称电池成功地保持了1000个周期的恒定过电位，阻抗显著降低，而没有界面修饰的电池显示出不稳定的电压分布，并且容易因重复充放电过程而失效。这种新引入的方法是一种信息工具，可大大加强对所有固态电池界面现象的基本理解。此外，创新的界面修改有望满足汽车应用的严格稳定性要求。https://doi.org/10.1002/adfm.20210755519. Adv. Funct. Mater.：容纳30 Li+共价有机骨架作为超长循环高容量锂离子电池电极共价有机框架（COF）由于其结构多样性、有序多孔结构和化学稳定性，作为先进储能材料的一种简便、通用的设计平台，已引起广泛关注。在本研究中，合成了一种可容纳30个锂离子的氧化还原活性COF（TP–OH–COF），作为一种超长可循环大容量锂离子电池电极材料。TP–OH–COF是在溶剂热条件下使用三甲酰基氯代苯三酚和2,5-二氨基对苯二酚二盐酸盐合成的。TP–OH–COF中如此特殊的锂离子含量的调节是通过交替地栓系孔壁上的氧化还原活性羟基和羰基位点来实现的。由于这一独特的化学/结构特征，TP–OH–COF在快速电流密度为5.0 A g–1的条件下进行8000次循环后，可提供764.1 mAh g–1的高比容量和63%的容量保持率。https://doi.org/10.1002/adfm.20210879820. Adv. Funct. Mater.：用于高性能锂离子电池的碳纳米管上生长的超薄铝纳米片高容量金属铝被认为是一种很有前途的锂离子电池负极材料，但在锂化和脱锂过程中会发生粉化和副反应，这取决于纳米结构的合理设计和可控合成。本文提出在碳纳米管上生长超薄铝纳米片（Al-NS）作为锂离子电池的负极材料。基于择优的Al（111）晶面曝光和小于5nm的相当有限的厚度，在1C时电池显示出990 mAh g-1的高可逆容量，在24C时具有524.6 mAh g-1的优良速率容量，在5、10和20C的高C速率下进行500次循环后，长期稳定性几乎没有容量衰减。基于密度泛函理论的第一性原理计算表明，Al（111）的高杨氏模量用于快速锂离子扩散的刻面和碳纳米管复合材料设计实现了高速率性能，并缓解了放电/充电过程中的巨大体积变化。结果表明，超薄铝纳米片是一种低成本、高性能的锂离子电池负极材料。https://doi.org/10.1002/adfm.20210911221. ACS Energy Lett.：用于无阳极锂电池均匀锂沉积的高介电聚合物涂层在阳极或无阳极配置中使用锂金属被认为是提高当前锂离子电池系统能量密度的最有希望的方法。然而，由于安全问题和低库仑效率，不受控制的锂树枝状生长阻碍了金属锂作为阳极的实际应用。在这项工作中，本文表明，当在集电器上涂覆高介电性SEI时，它可以通过降低表面之间的过电位、降低局部电流密度和抑制锂突出来有效地促进锂的均匀沉积。使用聚偏二氟乙烯（PVDF）基介电介质，证明通过结晶度控制改变PVDF的介电性能可以调节锂沉积机制。此外，当PVDF薄膜的介电性能通过包含介电纳米颗粒来调整时，在其薄膜形成过程中诱导了高介电β-PVDF相的选择性形成(LiF@PVDF)，在无阳极半电池装置中协同促进锂的均匀沉积/剥离。https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c02224更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。 科研绘图交流群，请添加微信：17857127498
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