能源周報：Nature子刊、JACS、Angew、AM、EES、PNAS等大合集

溫馨提示：本推文包含20篇文獻，預計閱讀時間約20min，大家挑感興趣的關注。p.s.文末會附有過去三周周報連結。

1.Advanced materials：Pb-I6八面體使CsPbI3具有高相穩定性，可用於高效的無機鈣鈦礦光伏發電

CsPbI3無機鈣鈦礦表現出一些特殊的性能，特別是晶體結構畸變和量子限制效應，但CsPbI3較差的相穩定性嚴重阻礙了其應用。在此，從PbI6八面體的角度揭示了光活性CsPbI3相變的性質。還開發了一種簡便的方法來穩定光敏相併降低CsPbI3的缺陷密度。CsPbI3用多功能的4-氨基苯甲酸（ABA）修飾，然後使用空間新溴化新斯的明（NGBr）進一步介導薄膜表面（NGBr-CsPbI3（ABA））。吸附在CsPbI3晶界/表面上的ABA或NG陽離子通過增加八面體旋轉的能壘來固定PbI6八面體，從而保持角共享PbI6八面體的連續陣列並在動力學上穩定光敏相CsPbI3。

此外，添加的ABA和NGBr不僅與CsPbI3中的淺層或深層缺陷相互作用，從而大大降低了缺陷密度，而且還改善了CsPbI3與電荷傳輸層之間界面的能級排列。最後，冠軍的基於NGBr‐CsPbI3（ABA）的無機鈣鈦礦太陽能電池可提供18.27％的效率和出色的穩定性。總體而言，這項工作展示了一個有前途的概念，可以實現具有高度相穩定的無機鈣鈦礦，且其缺陷密度得到抑制，從而促進了其光電應用。

原文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202070185

2.Advanced Energy Materials：Ruddlesden-Popper鈣鈦礦:二維Ruddlesden-Popper鈣鈦礦太陽能電池的能量學和能量損失

2D Ruddlesden-Popper鈣鈦礦（RPP）由於其出色的穩定性和競爭效率，正在成為3D鈣鈦礦的潛在挑戰者。但是，關於二維RPP的能量學的基本問題尚未得到很好的理解。在此，（PEA）2(MA)n -1PbnI3n+1 /[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）處的能級以n值為1，3，5，40，和∞被系統地研究。發現在2D RPP界面（n = 3、5和40）形成n-n結，而不是在純2D和3D場景（n=1和∞）中形成p-n結。跨乙基碘化銨配體的電勢梯度會顯著降低表面功函數，促進光生電荷載流子的分離，同時電子會從鈣鈦礦晶體轉移至界面處的配體，從而減少電荷複合，從而使能量損失最小，開路率最高鈣鈦礦型太陽能電池（PSC）中的電壓（Voc）基於2D RPP（n = 5）/PCBM。通過在PSC中的純3D鈣鈦礦和PCBM之間插入薄的2D RPP覆蓋層，進一步驗證了該機制，從而使Voc明顯增加了94 mV。通過Mott-Schottky分析進行的電容電壓測量表明，這種Voc的提高歸因於界面電位的提高。

原文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202070101

3.JACS： 光化學相變可實現光子能量和環境熱量的共同捕獲，從而可用於升級熱能的高能分子太陽能熱電池

發現從環境中同時收集多種形式能源的理化原理將推動當前的可持續能源技術的發展。在這裡，我們探討了光化學相變（一種光化學-熱物理耦合機制），用於共同收集太陽能和熱能。特別是，我們證明了光子能量和環境熱量可以一起存儲並作為高溫熱量按需釋放，這是由工程化分子光開關的室溫光化學晶體-液體轉變實現的。將兩種形式的能量集成到單組分分子材料中，能夠分別提供超過僅基於分子光異構化或相變的傳統太陽能或熱能存儲系統的能量容量。

重要的是，光化學熔融過程中收集到的低熔點亞穩態異構體液體中收集的環境熱量可以通過高熔點母體異構體的重結晶作為高溫熱量釋放。這表明，在這種混合能源系統中，光子能驅動熱能的升級。合理設計的小分子偶氮開關可實現0.3-0.4 MJ/kg的高重量能量密度，並具有長期存儲穩定性。製造了可再充電的太陽能熱電池裝置，其在光觸發後在周圍環境中提供的重量功率密度約為2.7 kW/kg，溫度升高>20oC。我們進一步展示了它們作為除冰塗料的用途。我們的工作展示了一種能源利用的新概念-將太陽能和低品位熱量合併為高品位熱量，這釋放了開發由自然陽光和環境熱結合提供動力的可持續能源系統的可能性。

原文連結： https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.0c03748

4.Advanced Functional Materials：用於所有列印的高壓微超級電容器的可列印金屬電流收集器:通過閃光燒結反應進行瞬時表面鈍化

最近，可按需在集成電路中實現的可列印電源已受到廣泛關注，以促進下一代，無外形尺寸的小型電子系統的發展。在各種儲能單元中，具有平面內設備架構的固態微型超級電容器被認為是可行的候選產品，其特點是循環壽命長，高頻響應快，充電/放電速率快。然而，由於缺乏可維持高壓條件的可印刷集電器材料，迄今為止，幾乎沒有高性能，全印刷的微型超級電容器的報導。在這項研究中，提出了一種包含Ni納米顆粒，Ni薄片和光敏聚合物聚乙烯吡咯烷酮的多維可印刷顆粒混合物。通過閃光燒結工藝，在10−3 s的時間範圍內，形成具有導電錶面鈍化層的高導電印刷金屬集電器。

結果表明，所得的金屬集流體在基於碳電極的設備中在高達3 V的電壓下穩定，從而能夠製造面能量密度為79-23的全印刷固態微型超級電容器面功率密度為0.4-12.8 mW cm-2時。可以簡單地使用數字可編程列印過程按需生成任意設計的設備電路，而無需合併其他互連線。

原文連結： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202070158

5. Advanced Functional Materials：用CaI2作為摻雜劑在低溫下製備彎曲的3D-CsPbI3薄膜，實現高效鈣鈦礦太陽能電池

無機立方CsPbI3鈣鈦礦（α-CsPbI3）由於其熱穩定性和合適的1.73 eV帶隙而被廣泛用於鈣鈦礦太陽能電池（PSC）。但是，α-CsPbI3通常需要較高的合成溫度（>320°C）。此外，它通常會經歷相轉變為非鈣鈦礦結構相（β-CsPbI3），從而導致器件的光電性能較差。在這項研究中，首先發現可以在低溫（60°C）下通過固溶過程製備曲折的3D CsPbI3相（γ-CsPbI3）並將其用於PSC。 γ-CsPbI3具有1.75 eV的合適帶隙和良好的光電性能。但是，γ-CsPbI3是亞穩相，在環境溼度下很容易轉變為β-CsPbI3。為了提高γ-CsPbI3的穩定性，使用半徑相對較小的100 pm鈣離子（Ca2+）來部分替代鉛離子（119 pm）。這項研究證明，Ca2+可以有效提高室溫下γ-CsPbI3的穩定性。通過優化Ca2+的摻雜濃度（CsPb1-x Cax I3，x從0％到2％），摻雜Ca2+的γ-CsPbI3PSC可以實現無滯後的J-V曲線和最大功率轉換效率（PCE）為9.20％。

原文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202003401

6. PNAS：用於稀釋電解質鋰硫電池的化學穩定硫正極

鋰硫電池（LSB）由於具有高的能量密度，低成本，易得，無毒且硫的可持續性高，因此有望成為下一代可充電電池。然而，多硫化物在電解質中的溶解以及鋰負極的庫侖效率低，需要過量的電解質和鋰金屬，這大大降低了鋰硫電池的能量密度。準固態鋰硫電池可以將硫包裹在碳基質的微孔中並通過固體電解質界面進行密封，可以在稀釋的電解質條件下運行，但碳基質中的硫含量較低（<40 wt％），硫的單位化程度較低（ <70％）限制了電池的能量密度。

在這裡，通過C–S和O–S的強烈化學相互作用將硫以分子水平分散在富氧的緻密碳主體中，從而將碳中的硫負載量提高至60 wt％，並將硫利用率提高至〜87％。在全氟化的有機稀釋電解液中，C / S正極在第一次深度鋰化過程中形成固體電解質中間相後經歷了固態鋰化/脫鋰反應，完全避免了穿梭反應。化學穩定的C / S複合材料在貧電解質條件下可保持200次循環，比容量為541 mAh·g-1（基於C / S複合材料的總重量），相當於974 974 Wh⋅kg−1的高能量密度。化學鍵穩定的C / S複合材料的優異電化學性能使其成為用於高能量和長壽命鋰硫電池的有希望的正極材料。

原文連結：https://www.pnas.org/content/early/2020/06/11/2006301117

7. Science Advance：電池負極上金屬鍍層的自發和場致晶體重新取向

當代關注的金屬負極（例如，Li，Al，Na和Zn）在電池充電期間易於形成非平面的枝晶形態的趨勢是實現電池完全可逆性的障礙。通過實驗研究了鋅，銅和鋰的枝晶電沉積的起源，該電極在一端由旋轉圓盤電極界定的三電極電化學電池中。研究發現，離子消耗引起的枝晶生長的現象在稀釋的電解質中是有效的，但與通常用於可再充電電池的高濃度（≥1 M）電解質無關。以鋅為例，研究發現，從平行於電極表面的取向到主要的同向取向，鋅晶粒的自發重定向可以克服在質量傳輸極限處的離子損耗，這似乎有利於與層外的陽離子接觸。這種趨化的過程會導致明顯的織構，增加金屬電沉積的孔隙率。

原文連結：
https://advances.sciencemag.org/content/6/25/eabb1122

8. Advanced Energy Materials ：非晶化的二氧化釩表面助力鉀離子電池

考慮到低成本，電解質中快速的離子遷移和高工作電壓的優點，鉀離子電池（PIB）是鋰離子電池的有前途的替代品。然而，開發能夠可逆地容納鉀離子的合適的電極材料是巨大的挑戰。在這裡，以密度泛函理論（DFT）計算為指導，證明了通過VO2（B）納米棒（SA-VO2）的表面非晶化進行界面工程化的策略，該策略導致了晶體核/非晶殼異質結構的形成，作為鉀離子電池的負極，在大容量，出色的速率性能和長周期穩定性方面實現了卓越的鉀離子存儲性能。 DFT計算表明，在SA-VO2中創建的晶體/非晶異質界面可以大大降低表面能，縮小帶隙，並降低VO2（B）的鉀離子擴散勢壘。這些條件可以增強鉀離子的存儲容量和快速的鉀離子/電子轉移，從而實現大容量和出色的速率能力。利用原位X射線衍射和原位透射電子顯微鏡，再結合非原位顯微和光譜技術，揭示出優異的循環穩定性源於SA-VO2在以上條件下具有優異的相可逆性，可忽略的應變響應和強大的機械性能。

原文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202000717

9. Energy & environmental science：寬溫度鋰金屬電池的液化氣電解質

下一代高能電池的發展要求電解質既要與鋰金屬負極兼容，又要能在寬溫度範圍內提供高功率的高壓正極。在這裡介紹了一種基於氟甲烷的液化氣電解質，其中含有乙腈助溶劑，且鹽濃度更高且實用。在分子動力學模擬中觀察到並經實驗證實的獨特溶劑化結構不僅顯示了在+ 20°C時離子電導率提高了9.0 mS·cm-1，而且鋰轉移數高（tLi+= 0.72）。在-78至+ 75°C的溫度下觀察到優異的電導率（> 4 mS·cm-1），首次證明了在氟甲烷臨界點以上的操作。液化氣電解質還具有出色的鋰金屬穩定性，在3 mA·cm-2和3 mAh·cm-2的侵蝕性條件下，在200個循環中具有99.4％的高平均庫侖效率。此外，即使在-60°C的條件下，在液化氣電解質中也可以看到具有理想的鋰襯底接觸的密集鋰沉積。歸因於優異的電解質性能以及正極和負極上的穩定界面，鋰金屬負極和Li / NMC全電池（高達4.5 V）的性能在-60至+ 55°的寬溫度範圍內都能得到很好的容量穩定性。這項研究為寬溫度電解質設計提供了一條途徑，以使高能量密度鋰金屬電池能夠在-60至+ 55°C的溫度範圍內工作。

原文連結：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/d0ee01446j!divAbstract

13. Angew.: 潤溼現象及其對金屬鋰電極電化學性能的影響

含有交聯聚合物電解質（PEs）的鋰金屬電池（LMBs）是下一代電池的理想選擇。然而，PEs在非均勻Li金屬表面的潤溼行為在大多數研究中被忽略。研究結果表明，在潤溼性依賴的電沉積過程中，具有彎曲邊緣的微尺度缺陷位置起著重要作用。將PEs的潤溼性與粘彈性性質聯繫起來，區分了潤溼性對Li-PE界面附近成核擴散的影響。結果表明，邊緣曲率是決定潤溼現象的主要因素。微尺度缺陷的出現和相分離是不穩定形核的主要原因。

原文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202001816

14. Angewnadte: Li-O2/CO2電池中CO2化學反應的穩定效應

鋰（Li）空氣電池具有極高的理論比能量，然而，即使在純氧（O2）中，傳統的有機電解質和碳陰極對反應中間產物，特別是O2的脆弱性，以及鋰金屬負極的腐蝕性氧化和裂紋/粉化，導致鋰空氣循環穩定性差電池。更糟糕的是，據報導空氣中的水和/或二氧化碳會帶來更嚴重的寄生反應和安全問題。因此，在純O2方面取得了很大的改進，使得車載純氧供應系統成為實用鋰空氣電池的必然，不僅降低了整個系統的能量密度，而且使系統複雜，生產和維護費用昂貴。因此，實現這些系統在露天環境中應用的最終目標是一個很高的要求。與之前的觀點相反，作者們發現CO2可以提高負極和電解液的穩定性，並由此開發出一種高性能的二次充鋰CO2電池。引入的CO2不僅有利於Li負極上鈍化保護膜的原位形成，而且通過捕獲O2抑制了電解液和正極的副反應。此外，正極Pd/CNT催化劑能有效地調節產物形貌，催化Li2CO3的分解，從而延長電池壽命。同時解決了鋰氧電池充電性能差、碳正極、液體電解質和鋰負極不穩定等瓶頸問題，使設計的鋰氧電池達到6628 mAh g-1的放電容量和715次循環的長壽命，甚至優於純鋰氧電池。

原文連結： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202006303

15. JACS: 用拉曼光譜法研究空間解析度為埃的單晶電極雙層中的電場分布

雙電層是電化學反應中極其重要的界面區域，是電化學和表面科學中重要的研究課題。然而，直接測量雙層中界面電場具有很大的挑戰性。本文利用電化學共振拉曼光譜和理論計算研究了具有自組裝單分子膜的原子平面單晶Au(111)電極中的電場分布。這是通過一系列氧化還原活性分子與4,4 -雙吡啶胺部分拉曼標記在不同的、精確控制、距離電極表面的距離來實現的。研究發現，探針分子的電場和偶極子運動直接影響其拉曼信號強度，進而可以用來繪製界面的電場分布。同時，通過改變電解質陰離子濃度，發現拉曼強度隨著電場強度的增加而減小。相鄰拉曼標記之間的距離約為2.1 Å。從而實現了電極-電解液界面電場分布映射的埃級空間解析度。

原文連結：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.0c05162

16. ACS Energy Letter 大導帶能量偏移是無機鈣鈦礦太陽電池高填充因子的關鍵

SnO2作為一種電子選擇接觸材料（ESC），在有機-無機鈣鈦礦太陽能電池（OPSCs）中具有20%以上的效率，並被廣泛應用於鈣鈦礦串列太陽能電池中，但很少有人研究其在無機鈣鈦礦太陽能電池（IPSCs）中的可行性。具有1.7-2.0 eV寬禁帶的無機鈣鈦礦有望成為串聯結構中頂部電池的候選材料，基於SnO2-ESC的IPSCs的開發將在很大程度上有利於其未來集成到串聯太陽能電池中。本文將SnO2與常見的TiO2進行了比較。研究發現，儘管SnO2與無機鈣鈦礦具有良好的能量取向，並且呈現出較慢的非輻射複合，但相對較低的導帶最小能量偏移限制了有效的電荷提取。相比之下，具有約400 meV大能量偏移的TiO2-ESC導致帶隙為1.93 eV的IPSCs具有78.7%的高填充係數和14.2%的最新效率。本文推測，SnO2-ESC在OPSCs和IPSCs中的光伏性能差異可能是由於無機鈣鈦礦的激子結合能較高所致。本文最後提出了克服這一障礙的策略。

原文連結：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.0c00980

17. ACS Energy Letter 高效穩定的Tin基鈣鈦礦太陽能電池的配體定向誘導晶格魯棒性

低毒錫基鈣鈦礦材料在光伏發電領域具有巨大的應用潛力。然而，Sn2+容易氧化成Sn4+，在鈣鈦礦薄膜中產生了大量的Sn空位和p型摻雜。此外，快速結晶容易導致薄膜形貌差、缺陷濃度高。在本研究中，發展了一種通過氟苯胺異構體介質的成膜策略，實現了Sn2+氧化的同時限制和結晶的調節。與雙向和垂直配位體相比，表面呈單向彎曲結構的鄰氟配位體對Sn空位的形成有更好的限制，有助於提高晶格的穩定性。經2-F-PEA改性後的鈣鈦礦型太陽能電池（PSC）器件在1600小時光老化試驗中的效率衰減小於15%，PCE為10.17%（認證為8.58%）。研究結果為提高錫基PSCs的效率和穩定性提供了新的途徑。

原文連結：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.0c00960

18. Nature energy 具有光碟機動可調光傳輸和功率轉換效率的光致變色染料敏化太陽能電池

半透明光伏僅允許製造具有在製造過程中固定的光透射率的太陽能電池，這導致了透明度和效率之間的權衡。對於建築物中半透明裝置的集成，理想情況下，太陽能電池應在為用戶提供舒適性的同時，根據日光強度自動調節其光傳輸。本文報導了一種基於施主-π-共軛橋-受體結構染料的光致變色染料敏化太陽能電池（DSSCs），其中π-共軛橋被二苯基萘吡喃光致變色單元取代。DSSCs在輻照時顯示出顏色的變化和自調整的透光率，並且顯示出高達4.17%的功率轉換效率。染色-脫色過程是可逆的，這些DSSCs在50天內是穩定的。本文還報告了半透明的光電色變微型模塊（有效面積為14cm2），著色後的最大功率輸出為32.5mW。

原文連結：https://www.nature.com/articles/s41560-020-0624-7

19. Nature Materials 晶粒取向工程設計的多層陶瓷電容器應用於儲能

介電陶瓷具有放電速度快、抗疲勞性能好等優點，在電子系統中有著廣泛的應用前景。然而，低擊穿電場導致的低能量密度導致了低的體積效率，這是介電陶瓷實際應用的主要挑戰。本文提出了一種通過控制晶粒取向來提高多晶陶瓷的擊穿電場從而提高其儲能密度的方法。製備了高質量的織構化Na0.5Bi0.5TiO3Sr0.7Bi0.2TiO3（NBT-SBT）陶瓷，其中電場引起的應變顯著降低，導致失效概率降低，Weibull擊穿強度提高，約為103MVm−1，與隨機定位的同類相比，提高了約65%。織構化NBT-SBT多層陶瓷的可恢復能量密度高達21.5Jcm-3，優於目前最先進的介電陶瓷。本研究為設計高擊穿強度的介電陶瓷提供了一條新的途徑，可望為高擊穿強度介電陶瓷如高壓電容器、電致熱固態冷卻裝置等的廣泛應用提供有益的參考。

原文連結：https://www.nature.com/articles/s41563-020-0704-x

20. ACS Energy Letter 鈣電解液電流密度依賴性電鍍：從球狀到樹枝狀

包括基於Ca，Mg，Al等的多價陽離子可再充電電池作為性能超越鋰離子電池的候選者已經引起了相當大的興趣。近年來，可再充電鈣電池的電解液成分得到了廣泛的應用，但是，對鈣的鍍覆和剝離行為以及不利的枝晶生長機理的深入研究還不成熟。本工作通過原位透射電子顯微鏡，實時捕捉了鈣的成核、生長、溶解和死鈣的形成過程，論證了電流密度和固體電解質界面層對鍍層形貌的控制作用。特別是界面對鈣沉積形態有影響，在非預期條件下會導致鈣枝晶生長。這些觀察結果使我們能夠提出一個模型來解釋可逆和高效鈣電鍍的首選條件。

原文連結：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.0c01153