能源周報：Nature、Nat. Mater.、Nat. Nanotechnol.等大合集

1.Angew.Chem.Int.Ed.：分子鐵電驅動高性能鈣鈦礦太陽能電池

電子和空穴的非輻射複合已被確定為混合有機-無機鈣鈦礦太陽能電池（PSC）能量損失的主要原因。足夠的內置電場和缺陷鈍化可以促進有效分離電子空穴對以解決關鍵問題。在這裡，研究者們首次將同手性分子鐵電體引入PSC中，以擴大鈣鈦礦膜的內建場，從而促進更有效的電荷分離和傳輸。歸因於鈣鈦礦具有相似的離子結構，分子鐵電體可很好地鈍化鈣鈦礦活性層的缺陷，其光致發光強度提高了約8倍，同時降低了電子陷阱態密度。分子鐵電PSC的光伏性能可達到21.78％，優於對照組（18.28％）。這項研究為分子鐵電PSC奠定了基礎。

原文連結：https://doi.org/10.1002/anie.202008494

2. Angew.Chem.Int.Ed.：在無電子傳輸層鈣鈦礦太陽能電池中抑制界面電荷重組，效率超過21%

目前所報導的不含電子傳輸層（ETL）的鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的性能仍不如含ETL的器件。這主要是由於在透明導電氧化物（TCO）/鈣鈦礦界面上發生了嚴重的界面電荷複合，TCO中的光注入電子可以傳播回並與鈣鈦礦層中的空穴複合。在這裡，研究者們首次證明了在TCO和鈣鈦礦之間的非退火，絕緣，無定形的金屬羥基氧化物，原子尺度的薄中間層（〜3 nm）促進了電子隧穿並抑制了界面電荷的重組。這大大減少了界面電荷的複合損失，並實現了n-i-p結構的無ETL的PSC的創紀錄效率，達到21.1％，超過了其含ETL的金屬氧化物的效率（18.7％）。

原文連結：https://doi.org/10.1002/anie.202005680

3. Joule：低自摻雜鈣鈦礦的短退火誘導的高效太陽能組件

控制半導體光吸收劑中的摻雜可以最大程度地減少電荷複合並最大化太陽能電池的功率輸出。然而，由於缺乏受控的摻雜，鈣鈦礦具有挑戰性。在這裡，研究者們報導了一個小於3分鐘的短退火，有利於在環境中維持鈣鈦礦的化學成分，生產高通量鈣鈦礦太陽能組件，促進了在老化過程中鈣鈦礦的自發反摻雜。減少的自摻雜導致較少的電荷複合，從而提高了器件效率。CH3NH3PbI3微型模塊中面積> 20 cm2的子電池的穩定開路電壓平均達到了1.19V，在一個太陽光下，效率達到17.8％，在四分之一太陽光下，效率達到18.7％，得出面積大於3 cm2的每個電池的平均效率> 20.0％，這表明該可伸縮工藝的薄膜具有出色的均勻性。

原文連結：https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.07.003

4. Adv.Energ.Mater.：使用周圍空氣中的快速近紅外加熱技術，向所有全槽模製的高效大面積鈣鈦礦型太陽能電池供電

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，研究者們將全槽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。鈣鈦礦前驅體溶液的組成可通過添加正丁醇來調節，該正丁醇的沸點低且表面張力低，以增加近紅外能量吸收，促進溶劑體系的蒸發和成膜，並加速其結晶。可以在18 s內製備高質量的均勻鈣鈦礦膜。此外，所有全槽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，設備的四層均一膜層彼此重疊。當所有全槽模塗布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://doi.org/10.1002/aenm.202001567

5. Adv. Energ. Mater. 增強離子可及Ti3C2Tx-NbN混合電極的倍率性能

雖然2D-Ti3C2Tx是超級電容器的一個很好的候選者，但是在高掃描速率下，尤其是在實際質量負載（>10mg cm−2）和厚度（數十微米）下，納米片的重新填充會顯著阻礙離子輸運。在這裡，Ti3C2Tx-NbN混合電極被設計通過有納米Ti2Tn陣列而自組裝而成的Ti2Tn-3Cx。作為Ti3C2Tx的層間間隔層，NbN有助於離子穿透其二維多孔結構。即使在極高的掃描速率下，對於3和50µm厚的電極，混合電極顯示出與厚度無關的倍率性能（從2到20000 mV s−1幾乎相同）。即使109µm厚的Ti3C2Tx-NbN電極也比25µm厚的純Ti3C2Tx電極顯示出更好的倍率性能。該方法為控制由二維導電材料組成的電極中的離子輸運提供了一條途徑。

原文連結：https://doi.org/10.1002/aenm.202001411

6. Angew. Chem. Int. Ed. 分子配體介導的多組分納米片超晶格組裝，用於緊湊型電容儲能

受納米顆粒超晶格自組裝的啟發，本文在此報告了一種利用長鏈分子配體誘導膠體納米片（NSs）有序組裝的一般方法，從而形成具有高堆積密度的二維層壓板超晶格。這兩種類型的NSs的聯合組裝進一步實現了2D/2D異質結構超晶格。實驗驗證，Ti3C2Tx和氧化石墨烯（GO）NSs的共同自組裝體經熱退火可產生具有可調微觀結構的MXene‐rGO超晶格，具有明顯高的電容，在2 mV S‐1下可提供1443 F cm‐3的超高體積電容。此外，用其製備的無粘結劑對稱超級電容器具有42.1 Wh L-1的高體積能量密度，這是水電解質中MXene基材料的最高報導之一。這項工作為合理設計用於能源應用的二維材料基礎上部結構鋪平了道路。

原文連結：https://doi.org/10.1002/anie.202009086

7. Joule 本徵缺陷的自消除改善了鈣鈦礦型光伏電池的低溫性能

混合滷化物鈣鈦礦太陽能電池由於其在寒冷環境中的獨特優勢，具有潛在的應用前景。然而，先期的開發局限於低劣的器件效率，致使低溫下的運行機制仍不清楚。在這裡，本文發現(FA,MA,Cs)Pb(I,Br)基鈣鈦礦太陽能電池在290到180K的溫度下性能得到了顯著提高。值得注意的是，該器件在220K下獲得了25.2%（穩定時24.2%）的最高效率，使300K下23.3%（穩定時22.8%）的認證效率得到提高。本文提出，溫度循環期間鈣鈦礦薄膜中的相變和晶格畸變有效地激活了固有缺陷的自消除，這有助於提高開路電壓（從1.153提升至1.229 V），從而提高了效率。此外，在模擬的近空間環境中對無封裝器件進行了測試，證明了其在實際低溫應用中的可行性和穩定性。

原文連結：https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.07.006

8. Adv. Energ. Mater.：耐溫度變化，用於高壓Na3V2(PO4)2F3正極的電解質

製造大型鈉二次電池必須考慮高功率和能量密度、長循環性和寬溫度（季節性和日常運行溫差）的耐受性。因此，Na3V2(PO4)2F3（NVPF）作為一種高性能的正極材料，因其具有較高的能量密度而備受關注。然而，NVPF的高工作電壓會造成循環過程中電解液的連續分解，導致容量顯著衰減和庫侖效率低。本文，研究了NVPF電極在有無添加劑和離子液體的有機溶劑電解液中高電壓、寬溫度範圍（−20°C到90°C）下的電化學性能。結果表明，即使添加了添加劑，有機電解質的性能仍然不足。但添加離子液體的電解質在−20°C到90°C的溫度範圍內使NVPF電極表現出很高的電化學穩定性和循環性，在500次循環中實現基本穩定。詳細的電化學分析結合X射線光電子能譜和X射線能譜分析表明，電極周圍有一層堅固的陰極電解質界面層，可防止電極在高壓和高溫下的容量衰減，從而獲得較高的庫侖效率。

原文連結：https://doi.org/10.1002/aenm.202001880

9. Nature：柔性鈣鈦礦單晶器件的製備工藝

有機-無機雜化鈣鈦礦具有電子和光電特性，使其在許多器件應用中具有吸引力。雖然許多方法都集中在多晶材料上，但單晶雜化鈣鈦礦由於其取向依賴的輸運行為和較低的缺陷濃度，表現出更好的載流子傳輸和更高的穩定性。然而，單晶雜化鈣鈦礦的製備及其形貌和成分的控制是一個具有挑戰性的課題。在這裡，本文報告了一種基於溶液的光刻輔助外延生長和轉移方法，用於在任意襯底上製備單晶雜化鈣鈦礦，精確控制其厚度（從約600納米到約100微米）、面積（連續薄膜高達約5.5釐米×5.5釐米），以及在厚度方向上的成分梯度（例如從MAPbI3到MAPb0.5Sn0.5I3）。轉移的單晶雜化鈣鈦礦與直接生長在外延基底上的鈣鈦礦具有可比性，並且其機械彈性取決於厚度。鉛錫梯度合金化可以形成梯度電子帶隙，增加載流子遷移率，阻礙載流子複合。基於這些單晶雜化鈣鈦礦的器件不僅在各種退化因素下表現出高穩定性，而且表現出良好的性能（例如，基於鉛錫梯度結構的太陽能電池，平均效率為18.77%）。

原文連結：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2526-z

10. Adv. Energ. Mater.: 探究鈉離子電池O3型Na[Ni0.5Mn0.5]O2陰極容量衰減機理

研究人員採用共沉澱法合成了一種球狀O3型Na[Ni0.5Mn0.5]O2陰極，該陰極由納米顆粒緊密填充而成，用於研究其容量衰減機理。在不同上斷電壓下循環的電化學性能表明，在3.6 V以上的P3到O3相變是O3型Na (Ni0.5Mn0.5) O2陰極結構穩定性喪失的主要原因。避免了P3 ~ O3的相變，大大提高了容量保持，經過100次循環後，保留了94.2%和90.7%的初始容量(3.35 V時108.9毫安時和3.58 V時125.4毫安時)。在4.0 V的循環過程中，可以觀察到容量的快速衰減(100次循環後為147.5 mAh g-1的75.5%)。鈉離子插層穩定性差直接歸因於晶格結構突變引起的微裂紋的程度。微裂紋貫穿整個二次顆粒，破壞了陰極的機械完整性，加速了電解液滲入顆粒內部，導致暴露的內部表面隨之退化。因此，抑制二次粒子中的微裂紋是提高分級結構O3型Na (Ni0.5Mn0.5) O2陰極循環穩定性的關鍵挑戰之一。

原文連結：https://doi.org/10.1002/aenm.202001609

11. Adv. Energ. Mater.: 一種改善陽離子無序巖鹽陰極性能的氟化方法

在富含鋰的陽離子無序的巖鹽氧化物陰極（DRX）中，氧陰離子亞晶格中的部分氟取代可增加過渡金屬（TM）氧化還原的容量貢獻，同時減少可逆性較低的氧氧化還原的貢獻。迄今為止，通過在固態合成過程中引入LiF前體已經實現了有限的氟化取代。然而，為了充分利用氟化作用，需要更高的F含量。該項研究報導，氟化聚合物前體的成功使用可提高DRX中F的溶解度，並在Li-Mn-Nb-O模型（LMNO）系統的巖鹽晶格中摻入高達10-12.5 at％的F含量，大大超過了LiF合成所達到的7.5 at％的極限。氟化DRX（F DRX）中較高的F含量可顯著改善電化學性能，在F取代率為10 at％時可逆放電容量為255 mAh g-1。30個循環後，通過氟化可將容量保持率提高40％。這項研究證明了使用新的有效氟化工藝合成先進的DRX陰極材料的可行性。

原文連結：https://doi.org/10.1002/aenm.202001671

12. Adv. Energ. Mater.: 電池電極的多模態納米級層析成像

鋰離子電池中3D結構的準確表示是理解性能限制的關鍵。然而，獲得可視化的活性電極、炭黑和聚合物粘合劑結構域以及孔隙空間的電極的精確重構是具有挑戰性的。在這篇文章中，作者認為多模態成像可以用來克服這一挑戰。高解析度譜圖X射線計算機斷層掃描與較低解析度但對比度更高的透射X射線斷層顯微鏡相結合，以獲得原始和循環石墨矽複合電極的3D重建。這種互相關性使得能夠對活性顆粒的表面進行定量分析，包括炭黑和粘結劑域的不均勻性以及固體電解質的相間覆蓋率。捕獲活性顆粒以及炭黑粘合劑域，可以將這些分段的結構用於電化學模擬，以突出顯示顆粒嵌入對局部電荷異質性的影響。

原文連結：https://doi.org/10.1002/aenm.202070120

13. Adv. Energ. Mater.: 高功率密度液流電池用可控制溶劑擴散的選擇性層膜

研究人員通過調節溶劑的擴散，設計並製備了選擇性層的精確控制膜。結合實驗和理論計算，發現非溶劑誘導相分離法(NIPS)製備的離子導電膜的形成機理與溶劑對非溶劑浴的內擴散通量和非溶劑對鑄液的外擴散通量有關。通過兩步NIPS法調節內外擴散速率，製備了一系列具有獨立控制的薄選擇性皮膚層和高孔隙支撐層的聚苯並咪唑(PBI)多孔膜，實現了離子選擇性和質子電導率的同時提高。PBI膜組裝的釩流電池在電流密度為220 mA cm-2的情況下，能效可達80%，是目前報導的PBI膜中最高的。

原文連結：https://doi.org/10.1002/aenm.202001382

14. Adv. Energ. Mater.: 數字雙驅動全固態電池:揭示物理和電化學行為

數字孿生技術已廣泛用於通過虛擬副本有效地預測與實際對象相關的性能和問題。但是，由於需要大量的多維多維複數方程的計算，因此迄今為止尚未實現雙電化學系統的數位化。然而，隨著硬體和軟體技術的不斷進步，數字雙驅動電化學系統的製造及其有效利用已成為可能。在此，基於體素的微結構構建了具有固態硫化物電解質的數字雙驅動全固態電池。對於使用Li6PS5Cl的LiNi0.70Co0.15Mn0.15O2複合電極，使用有效的電子/離子電導率和電化學性能等實驗數據驗證了其有效性。通過分析在質量傳輸和界面電化學反應動力學方面的模擬物理和電化學行為來檢查全固態電池的基本性能。本文的數字孿生模型揭示了有價值的但實驗上無法訪問的時間和空間分辨信息，包括死粒子，比接觸面積和3D域中的電荷分布。因此，這種新的計算模型勢必通過節省研究資源並提供寶貴的見識來迅速改善全固態電池技術。

原文連結：https://doi.org/10.1002/aenm.202001563

15．Nat. Mater.：用於高性能可充電鋰電池的玻璃態鋰金屬負極

儘管鋰的成核和生長過程仍然是個謎，尤其是在納米級，鋰一直被認為是高能可充電鋰電池的理想負極。在這裡，使用冷凍電鏡揭示了成核和生長過程中處於各種瞬態的鋰金屬沉積物的納米結構演化，其中觀察到的無序有序相變是電流密度和沉積時間的函數。反應分子動力學模擬描述了在寬時空尺度上的原子相互作用，以幫助理解動力學。與結晶鋰相比，玻璃態鋰的電化學可逆性要好，它具有高能量可充電鋰電池所需的結構。研究者的發現將核的結晶度與隨後的納米結構和形態的增長相關聯，並提供了控制和成形鋰金屬介觀結構以實現可充電鋰電池高性能的策略。

原文連結：https://www.nature.com/articles/s41563-020-0729-1

16. Nat. Nanotechnol.：通過原位23Na MRI和NMR光譜可視化鈉電池中鈉微結構的生長過程

鈉枝晶和相關的固體電解質界面（SEI）層的生長是影響鈉電池安全性和循環壽命的關鍵和根本性問題。在這項工作中，研究者使用原位23Na磁共振成像（MRI）和核磁共振（NMR）技術，以及創新的分析方法，為鈉金屬微結構的形成和演化提供空間分辨和定量的見解。研究結果表明，不斷增長的鈉枝晶會導致過電勢線性增加，直到達到0.15 V的過渡電壓為止，此時觸發電解質的劇烈電化學分解，從而導致生成鈉枝晶和快速電池失效。此外，通過非原位NMR結果確定了鈉金屬中SEI中NaH的存在。NaH的低電導率有利於在鈉金屬上生長穩定的SEI。

原文連結：https://www.nature.com/articles/s41565-020-0749-7

17. Angew. Chem. Int. Ed.：基於三聚茚酮的共價有機框架作為高容量全固態鋰離子電池正極

全固態鋰離子電池（LIB）具有安全性和長循環穩定性，因此被認為是實際應用中能量存儲技術的理想選擇之一。然而，通過低成本工序製造的具有高容量和長循環穩定性的電極活性材料的實際應用仍然是瓶頸。在此，報告了基於三聚茚酮的共價有機骨架（COF-TRO）作為全固態LIB的正極材料。高密度的羰基與有序的晶體COF結構相結合，通過可逆的氧化還原反應極大地促進了鋰離子的存儲。結果，獲得了268 mAh g -1的高比容量，幾乎達到了理論容量的97.5％。據我們所知，這是迄今為止報導的所有固態LIB的所有基於COF的正極材料中容量最大的。此外，COF-TRO表現出出色的循環穩定性（在0.1 C倍率下以100 C循環100次後，容量保持率為99.9％），這表明此類基於三聚茚酮的COF在儲能應用中具有巨大潛力。

原文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202008619

18. Chem：離子溶劑化學啟發的陽離子添加劑策略用於穩定鈉金屬電池電解質

建立穩定的電解質是鈉（Na）金屬電池的關鍵技術之一，因為鈉金屬負極具有反應活性和枝晶生長。本文提出了一種範式合理的陽離子添加劑策略來穩定鈉金屬電池的電解質。通過第一性原理計算和分子動力學模擬證明了三個原理，包括引入的陽離子的電極電勢，與陽離子配位後溶劑的最低未佔據分子軌道能級降低，以及陽離子與溶劑之間的相互作用強度。預計鋰離子是鈉金屬電池的良好陽離子添加劑。有限元方法模擬，原位光學顯微鏡觀察和電化學測試進一步驗證了在引入鋰離子添加劑後由於靜電屏蔽效應和增強的電解質穩定性而導致的耐鈉枝晶生長。成熟的陽離子添加劑策略為穩定，安全的鈉金屬電池合理的電解質設計提供了新的機會。

原文連結：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S245192942030317X?via%3Dihub

19. Adv. Energ. Mater.：通過亞穩性和動力學穩定性設計邁向更高電壓的固態電池

電池系統的能量密度在很大程度上受到電解質的電化學窗口的限制。在此，機械誘導的亞穩態的熱力學和動力學的綜合作用大大拓寬了基於陶瓷硫化物電解質的固態電池工作電壓範圍。固體電解質電壓穩定度最高可達10 V，衰減微弱，遠遠超出了有機液體電解質的能力。此外，實驗和理論建模確定了在高電位下在體相材料與正極材料的界面上受機械約束的Li10GeP2S12分解的性質。以前不清楚的動力學過程已經證實，如果實施得當，有可能使固態全電池具有非常高的工作電壓。

原文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202001569