能源周報：Science、Nat. Energy等大合集

溫馨提示：本推文包含21篇文獻，預計閱讀時間約21min，大家挑感興趣的關注。

1. Nat. Commun.：中空碳正極中採用原子鈷電催化劑實現大功率鋰硒電池

硒正極由於具有與硫正極相當的高電導率和體積容量而備受關注。然而，鋰硒電池由於硒與鋰的反應活性低，體積變化大，聚硒化物的穿梭效應導致容量快速衰減，阻礙了鋰硒電池的實際開發。最近，單原子催化劑因其獨特的電子和結構特性，最大的原子利用效率以及出色的催化性能而在電化學能量轉換和存儲方面引起了廣泛的關注。在這項工作中，研究者開發了一種合成鈷單原子/氮摻雜的空心多孔碳（CoSA-HC）的簡便方法。鈷單原子可以激活硒的反應活性並固定硒和聚硒化物。所製備的硒碳（Se@CoSA-HC）正極具有高放電容量，優異的倍率能力和出色的循環穩定性，庫侖效率約為100％。這項工作可以為實現長循環壽命和大功率鋰硒電池開闢道路。

原文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-020-18820-y

2. PNAS：設計具有類聚合物玻璃形成特性並在低溫下具有快速離子傳輸能力的電解質

已知在路易斯酸鹽的存在下，環醚二氧戊環（DOL）在電化學電池內部進行開環聚合反應，以形成具有良好界面電荷傳輸性能的固態聚合物電池。在這裡，證明了無法開環DOL的LiNO3具有可與液體中的DOL分子配位和應變的能力，從而完全阻止了它們的結晶。應變的DOL電解質具有類似於非晶態聚合物的物理性質，包括明顯的玻璃化轉變，較高的模量和較低的離子傳輸激活熵，在−50°C較低溫度下表現出異常高的液態離子電導率(1mS/cm)。系統的電化學研究表明，在常規的平面基底和非常規的三維基底上，電解質也促進了具有高庫侖效率的鋰金屬負極的可逆循環。研究發現LiNO3通過物理機制促進液態DOL電解質中的鋰金屬電極的可逆性，為解決有關長期存在的難題提供了可能的解決方案，該難題涉及LiNO3添加劑的通用性，以增強非質子液體中鋰金屬電極的可逆性電解質溶劑。作為理解這些發現的第一步，我們組裝了功能性磷酸鐵鋰（LFP）電池，其中高容量的LFP正極與薄的（50μm）鋰金屬負極配對，並研究其恆電流電化學循環行為。

原文連結：https://www.pnas.org/content/early/2020/10/01/2004576117?cct=1736

3. Energ. Environ. Sci.：III-V/矽光伏發電對環境的影響：可持續製造的生命周期評估和指導

多結III–V /矽光伏電池（III–V / Si）已經實現了創紀錄的轉換效率，現在正被視為在未來的市場中替代傳統矽電池的有前途的選擇。隨著提高效率和降低成本的努力越來越重要，了解這些電池中使用的製造方法和材料是否會帶來不利的環境影響也同樣重要。我們使用生命周期評估研究了兩種最新的III–V / Si電池設計概念。考慮到所提出的III–V / Si技術仍處於早期的研究和設計階段，因此我們使用概率方法來解釋從基於實驗室的數據向更具工業相關性的過程進行推斷時的不確定性。我們的研究表明，即使在此早期階段，並且由於潛在的不確定性，就生命周期環境影響而言，III–V / Si光伏系統仍處於領先於現有矽光伏系統的位置。我們還確定了III–V / Si設計和製造方法中更可持續選擇的關鍵要素，包括優先採用金屬有機氣相外延（MOVPE）工藝中的能效措施以及減少噴霧熱解過程中三氯化銦的消耗量。

原文連結：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/d0ee01039a#!divAbstract

4. Adv. Energ. Mater.：用於水系電池的鹽包水電解質（WiSE）：實用性的漫長道路

電池組件的可持續性正成為大規模存儲可再生能源的關鍵參數。為了實現這一目標，目前正在探索幾種策略。高濃度水系電解質的使用被寄予了巨大希望，這種電解質可以將電化學穩定性窗口擴大到超過1.2V。儘管從根本上講，這種方法的實用性仍然未知。因此，通過結合操作氣體監測裝置進行原位觀察，對鹽水（WiSE）和雙鹽水（WiBS）電解質的穩定性和循環行為作為濃度和溫度的函數進行了深入分析，循環伏安法和自放電實驗可測試固體電解質相（SEI）的生長和穩定性。發現在負極上形成的SEI不能保護電池免受連續的電解液降解產生的影響。這種不良影響會隨著溫度的升高增加。該結果與水的析氧的影響形成對比。數據以商用電池為基準。結果表明，基於WiSE的當前形式的電池在價格，工作溫度範圍，使用壽命和存儲容量下降方面無法與鉛酸，鎳鎘或鎳金屬氫化物商用水系電池競爭。因此，高濃度水系電解質的實際效果仍然非常不確定。

原文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202002440

5. Adv. Energ. Mater.：揭示鋰離子電池多孔電極中的電荷傳輸限制

同時提高當前鋰離子電池的能量和功率屬性的一種可行策略是，開發具有高活性材料負載的厚多孔電極以及針對離子和電子的最佳滲濾網絡。然而無論單顆粒鋰嵌入材料的容量和動力學性能如何，多孔電極中離子和電子傳輸都會限制電池的能量和功率密度。本文提出了一幅基於實驗和理論的物理圖像，用以聚焦和量化微尺度孔隙率和活性材料負載在決定多孔電極的彎曲度、有效輸運特性和性能限制方面的關鍵作用。其結果是一幅現象學圖像，並結合一個理論框架，對鋰離子電池在短期和長期內的電子和離子傳輸限制的相對份額進行反褶積。

原文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202002492

6. Adv. Energ. Mater.：離子導電和堅固的多層固體電解質界面，大大提高鈉離子電池的倍率和循環能力

通過將基於醚的電解質與高容量合金型負極配對，可以大大改善鈉離子電池的儲能性能。然而，通過獨特的電極/電解質界面提高性能的起源尚待探索。為了理解此類結果，在此描述了以醚和酯為基礎的電解質中確定性和獨特的界面化學以及固體電解質相（SEI），並通過非原位測試， X射線光電子能譜和電子能量損失譜分析，採用分層Bi / C複合負極作為模型系統。在以醚為基礎的電解質中，由於具有高離子導電性且堅固的多層SEI（由內部稠密的含鉍無機層和外部聚醚層組成），因此可以實現快速的鈉離子存儲動力學和結構完整性。在1000次循環中沒有觀察到急劇的容量衰減，並且實現了89％的高容量保持率，將速率從0.1 A g-1提高到10 A g-1。該SEI的優勢已得到證實，即使在11 mg cm-2的高質量負載下，其在全電池中的功率密度也很高，為162 Wh kg-1，面積容量為3.3 mAh cm-2，這是幾乎相當於商用鋰離子電池負極的負載。

原文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202001418

7. Adv. Energ. Mater.：對O3型Na[Ni0.5Mn0.5]O2鈉離子電池正極容量衰減機理的認識

通過共沉澱法合成了球形的O3型Na [Ni0.5Mn0.5]O2正極，該正極由緊密堆積的納米級一次顆粒組成，以檢測其容量衰減機理。在不同的上限電壓下循環的電化學性能表明，高於3.6 V的P3'到O3'相變是造成O3型Na [Ni0.5Mn0.5]O2正極結構穩定性損失的主要原因。通過避免P3'到O3'相變，可以大大提高容量保持率，並且在100個循環周期後保留了94.2％和90.7％的初始容量（3.35 V時為108.9 mAh g-1和3.58 V時為125.4 mAh g-1）。在4.0 V循環期間，觀察到快速的容量衰減（100個循環後的容量為初始容量147.5 mAh g-1的75.5％）。較差的Na +嵌入穩定性直接歸因於晶格結構突然變化引起的微裂紋程度。貫穿整個次級粒子的微裂紋會損害正極的機械完整性，並加速電解質滲透到粒子內部，從而導致裸露的內表面隨之退化。因此，抑制二次粒子中的微裂紋是提高層狀結構O3型Na [Ni0.5Mn0.5]O2正極循環穩定性的關鍵挑戰之一。

原文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202001609

8. Science：用於高倍率高容量儲鋰的黑磷複合材料

高倍率鋰離子電池可以在幾分鐘內充電，並能儲存足夠的能量，以滿足350英裡的行駛裡程要求，是所有電動汽車的理想選擇。高充電率通常會犧牲容量和循環穩定性。本文報導了用黑磷（BP）作活性陽極，用於高倍率、大容量鋰的儲存。與石墨碳共價鍵的形成抑制了層狀BP粒子的邊緣重建，保證了Li+快速進入；用電解液膨脹聚苯胺包覆共價鍵合的BP石墨顆粒，可產生穩定的固-電解質界面相，並抑制導電性較差的氟化鋰和碳酸鹽的連續生長，以確保鋰離子的有效傳輸。合成的複合陽極展示了容量、速率和循環耐久性的完美結合。

原文連結：https://science.sciencemag.org/content/370/6513/192

9. Angew. Chem. Int. Ed.：一種用於太陽能直接轉換和儲存的電容式法拉第結

雙電極太陽能充電器件由於其在太陽能轉換和存儲方面的潛在應用而引起了人們的廣泛關注。然而，界面勢壘會導致輸出電壓的嚴重損失和可忽略的暗放電電流。因此，這些器件的暗放電需要外加偏置，限制了其實際應用。本文報導了一種新型的Si/WO3/H2SO4（aq）/C雙電極器件。據我們所知，在所有的雙電極太陽能充電設備中，該設備顯示了最高的暗輸出功率。基於Si/WO3結的器件顯示了電荷轉移過程中光誘導可調的界面勢壘高度，可以克服勢壘，實現無偏壓暗放電。由於這種新穎的界面特性，Si/WO3首次被指定為電容型法拉第結。電容式法拉第結的概念為在太陽能電池、人工突觸、智能窗戶等領域構建其他新設備鋪平了道路。

原文連結：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202011930

10. Angew. Chem. Int. Ed.：陽離子添加劑實現可再充LiOH基鋰氧電池

鋰氧電池由於其高能量密度而引起了廣泛的研究興趣。除Li2O2（Li-O2電池中典型的放電產物）外，LiOH作為一種替代產品被證明具有電化學活性。在這裡，本文報告了一種簡單的策略，即在鋰電解液中使用一種陽離子添加劑鈉離子來實現可逆的LiOH基Li-O2電池。在沒有氧化還原介質的情況下，LiOH被檢測為唯一的放電產物，它以3.4V的低電荷電位充電。提出了一種基於溶液的反應路線，表明催化劑和Li+的競爭溶劑化環境導致LiOH在陰極沉澱。通過設計一個簡單的系統來促進LiOH的形成/分解，來調節Li-O2電池的電池化學性質是非常重要的。

原文連結：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202010745

11. Angew. Chem. Int. Ed.：鹼金屬離子電池用環化聚丙烯腈陽極

鹼金屬（Li，Na，K）離子電池是可攜式和大型固定式儲能器的重要組成部分。近年來，有機陽極因其化學成分的多樣性和潛在的高容量而受到越來越多的關注。本研究發現環化聚丙烯腈（cPAN）可作為鹼金屬離子電池的優良陽極。值得注意的是，cPAN作為鋰離子電池的陽極，在50 mA g-1的電流密度下，其可逆容量高達1238 mAh g-1。通過電化學實驗和第一性原理計算，證明梯形cPAN中的六方碳環、哌啶環和吡啶氮是鋰離子儲存的主要活性中心。此外，本文發現cPAN在0.1～0.01V範圍內表現出獨特的電位依賴性固體電解質界面相形成。此外，cPAN作為陽極在SIBs和PIBs中表現出良好的性能。cPAN陽極的發現為今後鹼金屬離子電池有機陽極的發展鋪平了道路。

原文連結：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202011484

12. Sci. Adv.：Pt（111）/水界面Helmholtz電容負分量的分子起源

帶電固/液界面是許多物理化學過程的關鍵，包括電化學和膠體科學。在這一課題上付出了巨大的努力，但出乎意料的是，在分子水平上對雙電層的理解仍然缺乏。尤其令人困惑的是，為什麼緻密的Helmholtz層在金屬電極上常常顯示出鐘形的微分電容，因為這表明在某些界面水層中存在負電容。在這裡，本文報告了帶電Pt（111）/水界面的分子動力學模擬，旨在揭示界面水的結構和電容行為。本文的計算再現了鐘形微分Helmholtz電容，並表明當電極電位變化時，界面水遵循Frumkin吸附等溫線，導致了一種特殊的負電容響應。本文的工作提供了對界面水的結構和電容的有價值的見解，有助於理解超級電容器電催化和儲能的重要過程。

原文連結：https://advances.sciencemag.org/content/6/41/eabb1219

14. Nat. Commun.：LiN(SO2F)2基濃電解質鋰離子電池的熱失控

濃電解液通常具有良好的電化學性能和熱穩定性，由於其低可燃性，在提高鋰離子電池的安全性方面也有著廣闊的應用前景。在這裡，本文發現LiN(SO2F)2基濃電解質不能解決鋰離子電池的安全問題。為了說明這一點，基於電池材料和特性的一個機理表明，鋰離子電池中的巨大熱量是由於鋰化石墨與LiN(SO2F)2的反應而釋放出來的，從而引發電池的熱失控，即使濃電解液是不易燃或低可燃的。一般來說，電解液的可燃性代表了它被氧氧化時的行為，而電解液的還原作用觸發了電池的放熱反應鏈。因此，本研究有助於更深入地了解電池的熱失控機制，以及更安全的鋰離子電池電解質設計理念。

原文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-020-18868-w

15. Nat. Energy: 全鈣鈦礦串聯太陽能電池使用表面錨定兩性離子抗氧化劑實現24.2%的認證效率和面積超過1平方釐米，

單片全鈣鈦礦串聯太陽能電池提供了一種提高功率轉換效率的途徑，超越了單結電池的限制。將效率、均勻性和穩定性結合在一起是一個重要的優先事項，但在窄帶隙混合鉛錫鈣鈦礦亞電池中，由於陷阱密度高且易於氧化，因此實現這一目標具有挑戰性。在這裡，研究者們報告了使用強烈還原表面錨定兩性離子分子，同時增強效率，均勻性和窄帶隙的亞電池。兩性離子抗氧化劑可抑制Sn2+氧化和鈍化混合鉛錫鈣鈦礦膜晶粒表面的缺陷，使單結太陽能電池的效率達到21.7%(認證為20.7%)。在1 cm2區域的全鈣鈦礦串聯電池中，我們進一步獲得了24.2%的認證效率，在0.049 cm2和12 cm2設備中，實驗室中的功率轉換效率分別為25.6%和21.4%。在環境條件下，單太陽光照下，在設備溫度54-60℃下運行500小時後，封裝的串聯裝置可保持其初始性能的88%。

原文連結：https://www.nature.com/articles/s41560-020-00705-5

16. Angew. Chem. Int. Ed.：高耐熱性和高效的甲眯基低維鈣鈦礦太陽能電池

目前，大多數二維(2D)金屬滷化物鈣鈦礦是Ruddlesden-Popper類型，並含有熱不穩定的甲基銨(MA)分子，這導致低劣的光伏性能和溫和的穩定性。在此，研究者們報導了一種新型的無MA的FA基2D-Jacobson相鈣鈦礦，其一般公式為(PDA)(FA) n-1 Pb n I 3n+1，丙烷-1,3-二銨(PDA)作為有機間隔陽離子。在FACl添加劑的幫助下獲得了具有良好取向晶粒的二維鈣鈦礦膜，其中Cl的作用通過掠入射X射線衍射技術進行了研究。基於優化的(PDA)(FA) 3 Pb4I13薄膜的光伏器件顯示了13.8%的功率轉換效率，創下了FA基2D鈣鈦礦太陽能電池的最高記錄。此外，與(PDA)(MA) 3 Pb 4i 13，含MA的模擬物和著名的穩定的2D鈣鈦礦相比，(PDA)(FA)3Pb4I13膜及其衍生器件均表現出極高的熱穩定性。

原文連結：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202006970

17. Adv. Mater.： 用於超快速充電和長周期鋅離子電池的可批量生產、準零應變、富水晶格無機開放框架

低成本、高安全的鋅離子水電池是一種極具吸引力的電網規模儲能技術。然而，他們的發展一直受到缺乏允許快速Zn2+插入和可伸縮的合成的穩定的陰極材料。研究者們報導了一種富水晶格、無機‐開放框架(IOF)，可批量生產，提供高容量(228 mAh g−1)和能量密度(193.8 Wh kg−1或513 Wh L−1)的磷釩酸鹽陰極。豐富的晶格水起著「電荷盾牌」的作用，使低Zn2+遷移能量障壁(0.66 eV)甚至接近LiFePO4中的Li+。這種快速的內在離子擴散動力學，加上納米結構效應，使得超快充電(1.9分鐘內達到71%的充電狀態)和超高功率密度(在107 Wh kg−1時達到7200 W kg−1)成為可能。同樣重要的是，IOF具有準零應變特性(在(去)鋅處理時晶格變化小於1%)，這確保了超高的循環耐久性(3000次循環)和100%的庫倫效率。電池級能量和功率密度達到≈90wh kg−1和≈3320 W kg−1，遠遠超過商用鉛酸電池、鎳鎘電池和鎳氫電池。富水點陣IOFs可能為探索穩定快速充電的鋅離子電池提供了新的機會。

原文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003592

18. Adv. Mater.：大區域有機光電在材料、溶液工藝和長期穩定性方面的進展

基於體異質結的有機太陽能電池(BHJs)是一種極具吸引力的能量轉換裝置，可以通過分離激子和收集載流子從吸收的陽光中產生電能。近年來，非富勒烯受體的發展取得了重大突破，使功率轉換效率(PCEs)顯著提高，超過17%。然而，大多數研究都集中在追求小面積(<1 cm2)單元電池的高效率，通常採用旋轉塗層。對於從實驗室規模的單元電池到工業產品的有機光伏的實際應用來說，開發有效的技術是至關重要的，它可以在最大限度減少性能損失的情況下擴展器件的活性區域，並確保運行穩定性。在本進度報告中，研究者們概述了從小區域實驗室規模設備到大區域工業規模模塊的材料和加工技術的最新進展。首先，介紹了滿足活性層厚度高耐受性和大區域適應性要求的材料的發展。其次，討論了在大活性區域中使用各種塗層技術的形貌控制。第三，最近的研究進展也強調了對OPV降解機制的理解和改善設備長期穩定性的研究以及可靠的評估程序。

原文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202002217

19. Joule：非富勒烯有機體積異質結太陽能電池的自激解離

研究者們報導了在非富勒烯太陽能電池中發生在供體-受體界面的自激解離，以完全分離電子-空穴對，從而發展高效的光伏作用。通過原位監測，在光電流的磁場作用下，D:A (PM6:Y6)界面的解離，可以觀察到隨著激子的逐漸增加光激發強度的增加，一旦非富勒烯Y6分子被光激發，D:A界面的解離變得異常容易。這是一種通過逐漸增加光照來識別的自激解離現象，同時利用光電流的磁場效應來監測解離。我們在1mhz的光激依賴磁電容發現，光激Y6分子產生偶極極化信號，導致PM6:Y6系統的光致體極化。從本質上說，自激離解是通過光致偶極極化的非富勒烯Y6分子完全分離D處的電子-空穴對，這為非富勒烯有機太陽能電池的高效光電發展提供了一個界面。

原文連結：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435120304414

20. Nat. Commun.: 混合陽離子滷化物鈣鈦礦的相變抑制和玻璃相特徵

陽離子工程提供了一條控制雜化滷化物鈣鈦礦結構和性能的途徑，同時已經實現了基於Cs、甲銨和甲醯胺混合物的最高性能的太陽能電池。研究者們報導了對混合甲基銨/二甲基銨（MA1-xDMAxPbBr3）雜化鈣鈦礦(0≤x≤1)的結構相變、結構相和偶極動力學進行了多技術實驗和理論研究。結果表明，即使是少量的二甲基銨陽離子也能顯著地抑制立方相的結構相變，增強其無序性和穩定性。當二甲基銨濃度接近MAPbBr3的溶解度極限時，研究人員觀察到結構相變的消失和玻璃偶極相的跡象。研究人員揭示了電偶極子受挫引起的分子陽離子混合時介電常數的顯著可調性。

原文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-020-18938-z

21. Adv. Energ. Mater.：鈣鈦礦太陽能電池:在環境空氣中使用快速近紅外加熱製造高效全槽模大面積鈣鈦礦太陽能電池

當前，高效鈣鈦礦太陽能電池主要通過旋塗工藝製造，這限制了鈣鈦礦太陽能電池商業批量生產的可能性。在這項工作中，研究者們通過縫模塗布工藝與近紅外輻射加熱相結合，可以在空氣中快速製造鈣鈦礦型太陽能電池。鈣鈦礦前體溶液的組成可通過添加正丁醇進行調節，正丁醇具有低沸點和低表面張力，可增加近紅外能量吸收，促進溶劑體系的蒸發和成膜，並加速結晶。鈣鈦礦。可以在18 s內製備高質量的均勻鈣鈦礦薄膜。此外，所有縫模塗布工藝都證明可以在12 cm×12 cm的面積上進行製備，除環境空氣中的電極外，該設備的四層均勻薄膜彼此重疊。當所有縫隙塗膜都用於製造器件時，功率轉換效率達到約11％。這種簡便的工藝可以極大地降低成本，時間並繞過後退火工藝，從而在環境空氣中製造出高效的大面積鈣鈦礦型太陽能電池。

原文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202070155