能源周报：李巨Nature、万立骏Angew等20篇顶刊大合集！

1. 美国麻省理工学院核科学与工程系李巨教授 Nature ： 通过科布尔蠕变在固态电池中沉积和剥离金属锂

固态锂金属电池需要在锂金属内部承受由电化学反应引起的机械应力：对于135 mV的过电势，产生的应力可达1 gigabar。尽管需要与动态的腐蚀性锂金属进行物理接触，但仍要保持固态电池整体结构的机械和电化学稳定性。使用原位透射电子显微镜，研究者分析了在混合离子电子导体（MIEC）制成的平行管阵列中，金属锂或钠的沉积和剥离。 在这里，研究者证明了这些碱金属（作为单晶）可以通过沿着MIEC与碱金属相的边界，主要通过扩散性科布尔蠕变从管中生长出来并可缩回到管中 。 与固态电解质不同，MIEC在与金属锂接触时具有电化学稳定性（也就是说，在平衡相图上与金属锂有直接的连接线），因此这种科布尔蠕变机理可以有效缓解应力，保持电子和离子接触，消除固体电解质相间碎屑，并允许金属锂在10微米的距离内可逆沉积/剥离100个循环。一厘米宽的充满电的电池（由大约10 ¹⁰ 个MIEC圆柱体阵列电极/固态电解质/磷酸铁锂组成）显示出每克磷酸铁锂约164 mAh的高容量，并且在超过50个循环中几乎没有下降。通过理论模型表明，该设计对MIEC材料的选择不敏感，其通道宽约100个纳米，深约10-100个微米。MIEC通道内锂金属的行为表明，固态锂金属电池中金属与电解质界面的化学和机械稳定性问题可以通过使用这种架构来解决。

标题：Li metal deposition and stripping in a solid-state battery via Coble creep

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-1972-y

2. 普林斯顿大学机械与航空航天工程系Daniel A. Steingart教授 Joule ： 长程锂离子能量储存系统的成本分析

当今的锂离子电池是由多层薄电极材料制成，这些材料可将能量存储在铜和铝的集电器上。增加这些电极的厚度可以减少电池硬件的成本，从而降低每千瓦时能量存储的总成本。 采用广泛用于碱性电池的线轴式电池设计，为增加电极厚度提供了更多机会，使电极的厚度超过了目前夹层电极所能达到的厚度 。 线轴电池的制造成本也随着碱性电池制造商的经验积累而降低，这为使用现有锂离子电池材料生产这类电池提供了机遇，在电池水平上的成本低于$100/kWh。尽管并非适合于所有设备，但这种电池仍适合于长时间（4小时以上放电）的电网存储应用。

标题：Asymptotic Cost Analysis of Intercalation Lithium-Ion Systems for Multi-hour Duration Energy Storage

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435120300349

3. 美国 圣母大学化学与生物分子工程系Jennifer L. Schaefer教授 Joule 评述： 迈向高能电池：通过超晶格结构控制实现高压稳定

制备高能量密度电池的一种途径是使用在高电压下运行的正极材料，同时将电荷存储在氧和过渡金属离子上。 在2020年1月23日出版的《自然》杂志上，Peter Bruce和他的同事阐述了第一圈循环充电时，蜂窝状超晶格结构中发生氧缺失，并伴随电极能量密度下降的原因 。 而另外一些插层化合物在循环时可以保持在高电压下工作的秘密在于其独特的可以抵抗氧气形成的超晶格结构。

标题：Toward High-Energy Batteries: High-Voltage Stability via Superstructure Control

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435120300404

4.纽约大学坦顿工程学院化学与生物分子工程系Miguel Modestino教授 Joule ： 气泡对电化学反应器能量转化效率的影响

众所周知气泡会影响气体逸出电极中的能量和质量传递。但是，研究者对气泡演化过程和电化学现象之间的复杂依赖性缺乏详细的了解。 这篇综述讨论了气泡对电化学系统的影响的当前认识，目的是发现机会并激发该领域的未来研究 。首先，提供了有关气泡演化的物理基础知识，因为它涉及电化学过程。然后，概述了气泡如何影响电极工艺的能效，详细介绍了气泡引起的对活化作用、电阻和浓度过电势的影响。最后，描述了减轻损失的不同策略，以及如何利用气泡来增强电化学反应。

标题：Influence of Bubbles on the Energy Conversion Efficiency of Electrochemical Reactors

原文链接 :

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435120300325

5. 耶鲁大学化学系Hailiang Wang教授 Angew. Chem. Int. Ed. ： 溶剂分子协作提高正负电极上的锂金属电池性能

开发与电极兼容的高效可逆循环电解质对于可充电锂金属电池的成功至关重要。 通过研究以碳酸亚乙酯，碳酸二甲酯，亚硫酸亚乙酯及其混合物作为电解质溶剂的锂金属电池的库仑效率和循环寿命，研究者发现在二元溶剂电解质中，电解质在电极表面上的分解程度主要取决于主导锂离子溶剂化鞘的溶剂组分。 研究者进一步开发了对Li || LiFePO ₄ 电池具有高性能的碳酸亚乙酯-亚硫酸亚乙酯电解质。碳酸盐分子占据了溶剂化鞘，并提高了负极和正极的库仑效率。亚硫酸盐分子导致固体电解质中间相的理想形态和组成，并延长了锂金属负极的循环寿命。两种分子之间的协作为改进锂金属电池提供了电解质设计的新实例。

标题：Solvent Molecule Cooperation Enhancing Lithium Metal Battery Performance on Both Electrodes

原文链接：

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202000023

6.中科院大连化物所李先锋， Zhizhang Yuan Angew. Chem. Int. Ed. ： 氮化硼纳米片复合膜在长寿命锌基液流电池中的应用

锌基电池的循环寿命受到锌枝晶 / 蓄积的限制，而锌枝晶 / 蓄积很大程度上受到电极上温度分布不均匀和膜的机械强度相对较低的影响。 本文 将具有高机械强度的氮化硼纳米片（ BNNSs ）作为热载体引入多孔基底上，以使锌均匀沉积，进而形成具有长循环寿命的锌基液流电池 。 结果表明， BNNSs 能有效地将锌沉积形态从针状调整为炸薯条状，从而使电池在 80 mA cm ^-2 下具有近 500 个循环的稳定性能。 最重要的是，即使在 200 mA cm ^-2 下也能获得 80% 以上的能量效率，这是迄今为止报道的基于锌的液流电池中最高的值。

标题： Boron Nitride Nanosheets as Heat‐porter Enabled a Long‐life Zinc‐based Flow Battery

原文链接：

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201914819

7.法国南特大学 Thierry Brousse ，里尔大学 Christophe Lethien Energ. Environ. Sci. ： 高性能微型超级电容器用赝电容氮化钒膜电荷存储机理新探

由于能源自给自足的限制，由全球互联传感器网络实现的物联网在大规模部署小型设备方面受到限制。一种可能的解决方案，是构建赝电容微型超级电容器。在此，研究者 实现了以溅射的双功能氮化钒薄膜为电极材料和集流器的微型超级电容器的集成制造 。 通过生产兼容的微电子沉积方法获得的 16 μm 厚的氮化钒薄膜的表面和体积电容值（分别为 1.2 F cm ^-2 和 >700 μF cm ^-3 ）分别与前沿过渡金属氧化物 / 氮化物材料很好地竞争，超过了标准碳电极的表面和体积电容值。 为了揭示溅射氮化钒薄膜在水溶液中的高电容性和循环性能，采用了一系列先进技术研究了溅射氮化钒薄膜在水溶液中的赝电容行为。

标题： Novel insights into the charge storage mechanism in pseudocapacitive vanadium nitride thick films for high-performance on-chip micro-supercapacitors

原文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/c9ee03787j#!divAbstrac

8.牛津大学Michael B. Johnston ACS Energy Lett. ： 气相沉积金属卤化物钙钛矿薄膜的晶粒尺寸控制

了解和控制金属卤化物钙钛矿多晶薄膜的晶粒生长是提高钙钛矿太阳电池性能的重要一步。 在真空共沉积无机（ PbI ₂ ）和有机（ CH ₃ NH ₃ I ）前驱体的过程中，本文通过调节衬底温度，实现了对 CH ₃ NH ₃ PbI ₃ 薄膜晶粒尺寸的精确控制 。在冷（ -2°C ）衬底上共沉积的薄膜显示出大的、微米大小的晶粒，而在室温（ 23°C ）下形成的薄膜仅产生 100 nm 范围的晶粒。通过开发一种控制有机前驱体升华的新方法来分离衬底温度对晶体生长的影响，用这种方法制备的 CH ₃ NH ₃ PbI ₃ 太阳能电池的功率转换效率高达 18.2% 。此外，通过改变 PbI ₂ 向 CH ₃ NH ₃ PbI ₃ 的转化率和化学计量，发现衬底温度直接影响 CH ₃ NH ₃ I 的吸附速率，从而影响晶体的形成和太阳能电池器件的性能。

标题： Control over crystal size in vapor deposited metal-halide perovskite films

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c00183

9.台湾国立中央大学Jeng-Kuei Chang Adv. Funct. Mater. ： 一种新型湿敏性、低腐蚀性可充电铝电池离子液体电解质

可再充铝电池（RABs）因其经济、环保、低可燃性和电极材料的地球丰度而得到了广泛的发展。然而，常用的RAB离子液体（IL）电解液具有高湿敏性和腐蚀性。为了解决这些问题，本文 提出了4-乙基吡啶/AlCl ₃ -IL。 系统研究了AlCl ₃ 与4-乙基吡啶摩尔比对电极充放电性能的影响 。在25 mA g ^-1 时，石墨的最大容量为95 mAh g ^-1 。1000次充放电循环后，可保留约85%的初始容量。采用原位同步辐射X射线衍射技术研究了电极反应机理。此外，在4-乙基吡啶/AlCl3-IL中证实了铝、铜、镍和碳纤维纸电极的低腐蚀速率。当在开放空气环境下，石墨阴极所测量的容量仅略低于其在充氮气手套箱中的容量；此外，100次循环后的容量保持率高达75%。

标题： A Novel Moisture‐Insensitive and Low‐Corrosivity Ionic Liquid Electrolyte for Rechargeable Aluminum Batteries

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https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201909565

10.复旦大学/东华大学武培怡 Adv. Funct. Mater. ：一种简便、高产、冻融辅助制备富皱纹MXene的方法及其在片式微型超级电容器中的应用

MXene 作为二维材料家族中的一个新成员，已经得到了广泛的研究。 然而，人们往往关注 MXene 的多功能性，而忽略了它的低去角质率。 在本研究中，研究者 提出了一个简单而有效的策略，通过温和的水冷冻 - 解冻（ FAT ）方法来剥离多层 MXene 。 插层水的体积膨胀可以促进 MXene 纳米片的剥离。 经过四个周期的 FAT 加工后，具有特殊皱纹的大型 FAT-MXene 薄片的收率可达到 39% 。 同时，与超声处理相结合，可使小型 MXene 的收率达到 81.4% 的最高值。 制备了由大型 MXene 组装的片式全 MXene 微型超级电容器（ MSC ），其面积和体积电容分别为 23.6 mF cm ^-2 和 591 F cm ^-3 。

标题： A Facile, High‐Yield, and Freeze‐and‐Thaw‐Assisted Approach to Fabricate MXene with Plentiful Wrinkles and Its Application in On‐Chip Micro‐Supercapacitors

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https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201910048

11. 韩国建国大学 Doo Kyung Moon 等 Adv. Mater. 综述 : 高效有机光电池共轭主链氯化的设计原理及协同效应

追求低成本、灵活和轻质的可再生能源资源，在有机太阳能电池（ OSCs ）中取得了显著的进步。 在为合成 OSCs 的有效共轭电子给体（ ED ）或受体（ EA ）单元而开发的设计原理中，氯化法最近成为一种可靠的方法，尽管多年来一直被忽视。 实际上，最近的几项研究表明，在某些方面，氯化反应比大量研究的氟化反应更适合大规模生产，例如简单且低成本地合成材料，降低能级，易于调整分子取向和形态，因此在 OSCs 中实现了令人印象深刻的高达 17 ％的功率转换效率。 这篇综述 介绍了通过将氯化的 ED 或 EA 掺入 OSCs 中实现的光伏结果的最新进展，以认识到这种有趣的取代基在光敏材料中的利弊 。 此外，还介绍了氯化材料在所有小分子、半透明、串联、三元、单组分和室内 OSCs 中的应用的其他方面。 因此，可以为将来设计和开发氯化 ED 或 EA 装置提供一个简明的前景，这将有助于采用这种方法来实现低成本和大面积 OSCs 的目标。

标题： Design Principles and Synergistic Effects of Chlorination on a Conjugated Backbone for Efficient Organic Photovoltaics: A Critical Review

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201906175

12.德国蒙斯特大学 Sascha Nowak 等 Angew. Chem. Int. Ed. : 通过 ¹³ C 电解液成分标记澄清最新锂离子电池电解液的分解途径

在电池运行过程中，最先进的锂离子电池 (LIB) 电解液的分解导致了高度复杂的混合物。 此外，例如快速充电引起的热应变可引发降解并产生各种化合物。电解质分解产物与 LIB 性能随寿命衰减的相关性尚不清楚。 近年来，电解液中导致聚合产物的中心反应物种被认为是一种单乙醇酸甲酯 / 碳酸乙酯。 最近的发现促使人们考虑将一种单碳酸乙酯作为主要的反应成分。 研究者们研究了电解质分解反应在 ¹³ C ₃ 标记的 EC 下的热降解和电化学降解，建立了相应的反应路径，并描述了低聚物的裂解机理假设 。 用液相色谱 - 高分辨质谱法和假设的低聚物碎裂机制对可溶性分解产物进行了检测和评估。 这项研究提出了低聚磷酸盐的形成方案，以及有关碳酸盐 - 磷酸盐的矛盾发现，证明了单乙醇酸甲酯 / 碳酸乙酯不是主要反应物种。 单碳酸乙酯物种的假设将本研究的发现与文献相结合，并允许简单的分解途径来分解产品类别。

标题： Clarification of decomposition pathways in a state‐of‐the‐art lithium ion battery electrolyte through ¹³ C‐labeling of electrolyte components

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https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202000727

13. 中国科学院分子纳米结构与纳米技术重点实验室万立骏院士 Angew. Chem. Int. Ed. : 通过人工非晶态阴极电解质界面为固态 / 液态锂金属电池提供持久的电化学界面

具有优异安全性的混合固体 / 液体电解质有助于实现高能量密度存储设备，同时与阴极的化学相容性较差。 该文 引入了一种最佳的二氟（草酸硼酸）硼酸锂盐，以在富镍阴极和混合电解质之间原位构建非晶态阴极电解质中间相（ CEI ），形成的 CEI 保留了高相容性的表面结构，从而增强了界面稳定性 。 同时，通过统一的化学势，可在固 / 固界面处显著减轻空间电荷层，获得 COMSOL 模拟显示促进的界面动力学。 因此，非晶态 CEI 集成了双功能性，从而为高电压锂金属电池提供了出色的循环稳定性，高库仑效率和良好的倍率性能，从而革新了未来高能量密度电池的功能性 CEI 策略的设计理念。

标题： Enabling Durable Electrochemical Interface via Artificial Amorphous Cathode Electrolyte Interphase for Hybrid Solid/Liquid Lithium‐Metal Batteries

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https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201916301

14. 美国斯坦福大学崔屹教授等 ACS Energy Lett. : 超微电极瞬态伏安法揭示锂金属阳极的电子转移动力学

充分了解锂金属沉积的机理对于可充电锂电池负极的开发至关重要。异质电子转移动力学是锂电沉积的重要方面，但是很难测量和理解。 研究者们使用超微电极瞬态伏安法来明确研究锂电沉积的电子转移动力学，结果偏离了电极动力学的巴特勒 - 沃尔默模型； 相反，马库斯模型可以准确地描述电子转移 。通过对一系列电解液的动力学测试表明，电子转移控制下的锂沉积的机理与马库斯理论的总体框架是一致的。将瞬态伏安法结果与电化学阻抗谱进行比较，为理解电子转移电阻和传质电阻的相互作用如何影响锂的形态提供了一种策略。

标题： Transient Voltammetry with Ultramicroelectrodes Reveals the Electron Transfer Kinetics of Lithium Metal Anodes

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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c00031

15. 韩国庆熙大学应用化学系 Doo‐Hyun Ko 等 Adv. Funct. Mater. : 半透明储能功能光伏与电致变色超级电容器集成

储能功能光伏发电是一种既能收集又能储存太阳能的新一代多功能能源系统。 为了扩展传统的有机光伏电池（ OPVs ），将电致变色超级电容器（ ECS ）与半透明（ ST ）四元共混基 OPVs （ ST Q-OPV ）进行单片集成，以实现紧凑、节能、美观的存储 。 特别是，具有低功耗 ECS 的 ST Q-OPV 甚至在低强度辐照下（包括人造室内光的情况下）也可以完全运行，从而为整天运行能源供应展现了潜力。 所制备的 ST 储能功能光伏电池还可以通过消耗充电功率来充当外部电子设备（例如发光二极管和物联网传感器节点）的备用电源。 除了可以在任何情况下不受限制地操作、颜色可调、各种形状设计的可行性、快速充 / 放电以及实时显示储能水平的功能外， ST 储能功能性光伏电池还有可能应用于高级智能窗或便携式智能电子等电子设备。

标题： Semitransparent Energy‐Storing Functional Photovoltaics Monolithically Integrated with Electrochromic Supercapacitors

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https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201909601

16. 华盛顿大学 Ke Gao , 中国科学院 Tonggang Jiu, Yuliang Li Adv. Mater.: 石墨烯衍生物作为二元有机太阳能电池的多功能固体添加剂，具有 17.3% 的效率和较高的重复率

有机太阳能电池（ OSCs ）中混合膜的形态调整是提高器件效率的重要方法。 在各种策略中，固态添加剂是实现形态调整的一种简单而新颖的方法。但是，据报道很少有固体添加剂能够满足这种期望。本文 首次成功地将氯官能化的石墨二炔（ GCl ）用作多功能固体添加剂，以微调其形态，并首次提高了器件效率和重复率 。 与控制设备的 15.6 ％效率相比，获得了创纪录的 17.3 ％的效率，其中认证电流为 17.1 ％，短路电流（ Jsc ）和填充系数（ FF ）同时增加，显示了目前最先进的二元有机太阳能电池。 将 GCl 引入共混膜后，薄膜吸收的红移，增强的结晶度，显著的相分离，改善的迁移率和降低的电荷重组协同作用导致 Jsc 和 FF 的增加。 此外，由于 GCl 的非挥发性，添加 GCl 可以大大减少批次间的差异，从而有利于批量生产。 所有这些结果证实了 GCl 增强器件性能的功效，证明了 GCl 作为多功能固体添加剂在 OSC 领域中的潜在应用。

标题： Graphdiyne Derivative as Multifunctional Solid Additive in Binary Organic Solar Cells with 17.3% Efficiency and High Reproductivity

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201907604

17. 加州大学洛杉矶分校 ，韩国成均馆大学 Jin-Wook Lee, 加州大学洛杉矶分校 Yang Yang Adv. Mater.: 离子迁移的空间障碍有助于提高钙钛矿太阳能电池的稳定性

已知钙钛矿太阳能电池（ PSC ）的操作不稳定性主要源于离子迁移（或电荷缺陷）。 研究表明， ABX ₃ 钙钛矿结构“ A ”位阳离子的组分工程是提高 PSC 稳定性的有效途径。 在这里， 研究了尺寸不匹配引起的晶格畸变对 PSC 离子迁移能和操作稳定性的影响 。 可以观察到，混合的“ A ”位点组成的薄膜和器件的尺寸不匹配会导致空间效应，从而阻碍离子的迁移途径，增加离子迁移的活化能，这已通过多个理论和实验证据得到证明。 与参考器件的 222 h 相比，混合组分的器件在 85 ℃的持续加热下和在连续太阳光照下的运行稳定性都有显著改善，其推算寿命为 2011 h 。

标题： Steric Impediment of Ion Migration Contributes to Improved Operational Stability of Perovskite Solar Cells

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201906995

18. 中国科学院有机固体实验室 Yanlin Song Angew. Chem. Int. Ed. : 用于高性能光伏应用的低维 Dion-Jacobson 相无铅钙钛矿，具有更高的稳定性

低维锡基钙钛矿具有出色的抗氧化性和耐湿性，在无铅钙钛矿光伏器件中起着不可替代的作用。在此， 将 1,4- 丁二胺（ BEA ）掺入 FASnI ₃ （ FA = Formamidinium ）中，开发了一系列新的（ BEA ） FA _n-1 Sn _n I _3n+1 的低维 Dion-Jacobson （ LDDJ ）相钙钛矿 。 这促进了新型低维无铅钙钛矿的发展。代表性的（ BEA ） FA ₂ Sn ₃ I ₁₀ 带隙的宽度似乎受到由于高对称性引起的结构变形的轻微影响。 BEA 配体的引入稳定了低维钙钛矿的结构（形成能≈ 10 ⁶ j / mol ），从而抑制了 Sn ²⁺ 的氧化。 此外，紧凑的（ BEA ） FA ₂ Sn ₃ I ₁₀ 为主的薄膜能够减弱载流子的定位机理，电荷在量子阱之间的转移时间仅为 0.36 ps ，从而导致电子的载流子扩散长度超过 450 nm ，空穴的载流子扩散长度超过 340 nm 。 使用（ BEA ） FA ₂ Sn ₃ I ₁₀ 的太阳能电池可实现 6.43 ％的功率转换效率（ PCE ），且滞后作用可忽略不计。 特别是，这些器件可以无需 N ₂ 环境下进行封装，在 1000 小时后保留其初始 PCE 的 90 ％以上（对于 FASnI ₃ 器件而言，为 <60 ％），并且在环境大气条件下持续 200 小时，衰减其初始 PCE 的 12 ％（对于 FASnI 3 设备而言，在 72 小时内消失）。