能源周报：Science、Nat. Energy、Joule、Angew、AM等大合集

温馨提示：本次周报包含20篇文献，预计阅读时间20 min，大家挑感兴趣的关注。

1. Science: 金属卤化物钙钛矿太阳能电池中陷阱态的空间和能量分布研究

研究者报告了金属卤化物钙钛矿单晶和多晶太阳能电池中陷阱态的空间和能量分布。 单晶中陷阱密度变化 5 个数量级，最低为 2 × 10 ¹¹ / 立方厘米，大部分深陷阱位于晶体表面。所有深度多的晶薄膜界面的电荷陷阱密度是一到两个数量级比 薄膜内部大，薄膜内部陷阱密度是两到三个数量级大于高质量的单晶。令人惊讶的是，表面钝化后，大多数深陷阱出现在钙钛矿和空穴输运层的界面附近，那里有大量的纳米晶体嵌入，限制了太阳能电池的效率。

原文链接：

https://science.sciencemag.org/content/367/6484/1352

2. Adv. Mater.: 一种蓝色光敏剂，通过电解液的颜色调节来实现高效稳定的绿色太阳能电池

半透明染料敏化太阳能电池 ( DSCs ) 是一种非常具有吸引力的视觉享受和色彩丰富的透明光伏电池。绿色半透明的 DSCs 已经被提出，但最好的是依靠绿色锌卟啉光敏剂和高挥发性电解质。对于潜在的户外应用，使用离子液体电解质的锌卟啉 DSCs 即使使用不透明的介孔 TiO2 薄膜，也只能达到 6.3% 的功率转换效率 (PCE) 。在此， 新的绿色 DSCs 通过使用蓝色有机光敏剂和橙色离子液体电解质实现，为光伏的颜色调整提供了一个简单而有效的途径 。新方法通过调节染料敏化的 TiO ₂ 薄膜和电解质层的光吸收，可以广泛地调节颜色，从春绿色到青色。具有春绿至青色的新型半透性 DSCs 具有 6.7% 至 8.1% 的 PCE ，在 80 ° C 的加速老化试验中表现出 1000 h 的稳定性，优于锌卟啉 DSCs 。这一发现为实现高效稳定的彩色太阳能电池开辟了一条新的道路。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202000193

3. Joule : 水下太阳能电池的效率限制

由于缺乏持久的动力来源，水下航行器和自主系统的运行目前受到限制。这些系统有可能使用水下太阳能电池供电，但实现其全部潜能所需的材料还不清楚。 通过详细的平衡计算，研究者发现水下太阳能电池在保持功率密度 >5 mW cm ⁻² 的情况下，在浅水的效率可以达到 55% ，在深水的效率可以达到 65% 以上。 结果表明，在浅水和深水之间，太阳能电池的最佳带隙移动 0.6 eV ，在中等深度的高原移动 2.1 eV ，与地理位置无关。这种宽范围的最佳带隙能量开启了一个宽带隙半导体库用于高效水下太阳能电池的潜力。在给定的条件下使用，我们的结果提供了一个路线图，为正确选择水下太阳能电池材料。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435120300830

4. ACS Energy Lett. : 通过接触工程和气淬工艺改善低带隙锡铅钙钛矿太阳能电池

低禁带 ABX ₃ 钙钛矿的光电转换效率达到了 >20% ，但由于普遍使用酸性 PEDOT:PSS 空穴传输层和含甲基铵 (MA) 的 A-site 阳离子组合物，通常稳定性较差。 在这里，研究者开发了一种气体淬火工艺代替传统的抗溶剂，生长高质量的无 ma 锡 / 铅钙钛矿薄膜，这提供了改进的控制薄膜生长和消除褶皱的方法。 在以 PTAA 代替 PEDOT:PSS 作为空穴传输层的设备结构中使用此方法，器件在 0.06 cm ² 时的效率可达 20%mppt ，在 1 cm ² 有效面积时的效率可达 17.5%mppt 。通过这些改进，该设备具有热稳定性的特点，在 85 ° C 的温度下， 4000 小时后仍能保持 80% 的初始功率。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c00255

5. Adv. Funct. Mater. : 在稳定的锌金属阳极上形成一个功能强大且均匀多孔的高岭土层

锌金属由于其高的比容量、丰度和安全性，被认为是可再充电的水性锌基电池的最佳阳极选择之一。然而，枝晶和腐蚀问题仍然是该系统的一个挑战。 在此，提出了用高岭土包覆锌阳极 (KL-Zn) 的筛元函数 (Zn ²⁺ 的选择性通道 ) 和均匀的孔径分布 ( ≈ 3.0 nm) 来缓解这些问题。 基于人工锌金属 / 电解质界面， KL-Zn 阳极不仅能保证无枝晶沉积和长时间稳定性 (800 小时在 1.1 mA h cm ⁻² 的条件下 ) ，而且还能延缓副反应。因此，经过 600 次 0.5 a g ⁻¹ 的循环后， KL ‐ Zn/MnO2 电池可以提供高的比容量和良好的容量保持能力，以及相当好的保存形态 (KL ‐ Zn) 。这项工作为高性能可充电锌基电池系统的发展提供了重要的一步。

原文链接：

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202000599

6. Nat.Energy ：分离电解质得到高能可充电水系锌锰电池

水系电池具有高安全性，但是它们通常遭受低电压和低能量密度的困扰，从而限制了其在大规模存储中的应用。 在这里，研究者提出了一种电解质分离策略，通过同时启用Zn和MnO ₂ 电极的最佳氧化还原化学作用来最大化Zn-MnO ₂ 电池的全部电势。 分离后的Zn-MnO ₂ 电池的开路电压为2.83 V（与常规Zn-MnO ₂ 电池的典型电压1.5 V相比），在深度循环200 h后，其可循环性只有2％的容量下降。受益于MnO ₂ 的充分利用，Zn-MnO ₂ 电池还能够在各种放电电流密度下保持约100％的容量。我们还演示了将Zn-MnO ₂ 电池与风力和光伏混合发电系统集成的可行性。事实证明，这种电解质分离策略适用于其他高性能锌基水系电池，例如Zn-Cu和Zn-Ag电池。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41560-020-0584-y

7. Angew.Chem. Int. Ed. ：水系导电氧化还原聚合物质子电池，可承受0℃以下快速恒压充电

基于水系电解质中运行的有机电极为使用传统电极材料难以运行的电池提供了新的方法和技术。 在这里，研究者报告了具有萘醌或对苯二酚氧化还原活性侧基的基于噻吩的三聚体结构如何在溶液中进行处理，沉积，干燥并随后聚合形成导电（氧化还原）聚合物层而无需任何添加剂 。 这种沉积后聚合的方式可有效利用材料，提供高质量负载（最高10 mg / cm ² ），并在选择基材和涂覆方法时具有良好的灵活性。通过将这些材料用作酸性含水电解质中的负极和正极，可以制造摇椅式质子电池。该电池表现出良好的循环稳定性（500次循环后达到初始值的85％），可承受快速充电，并在100秒内达到满电量（60 mAh g ^-1 ），可与光伏直接集成，并且即使在-24°C时仍保持其良好特性。

原文链接：

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202001191

8. Adv.Mater. ：用于固态锂金属电池的柔性陶瓷/聚合物混合固态电解质

陶瓷/聚合物混合固态电解质（HSE）吸引了全世界的目光，因为它们可以通过结合陶瓷电解质（CE）和固态聚合物电解质（SPE）的优点克服缺陷。但是，CE和SPE在HSE中的界面兼容性在很大程度上限制了它们的全部功能。 在此，通过原位偶联反应制备柔性陶瓷/聚合物HSE。陶瓷和聚合物通过牢固的化学键紧密结合，从而解决了界面相容性问题，并且离子可以快速传输 。所制备的膜在室温下的离子电导率为9.83×10 ⁻⁴ S cm ^-1 ，并且Li ⁺ 迁移数为0.68。这种原位偶联反应方法提供了解决界面相容性问题的有效方法。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202000399

9. Nat.Commun. ：具有出色机械强度的分级多孔硅结构，可作为高性能锂离子电池负极

多孔硅结构被认为是克服硅基负极粉化的有效途径。然而，这些多孔颗粒较差的机械强度限制了它们在实际应用中的体积能量密度。 在这里，设计并合成了具有高孔隙率和超高机械强度（> 200 MPa）且在完全锂化时具有约40％的低表观颗粒膨胀的分层碳纳米管@硅@碳微球 。 碳纳米管@硅@碳石墨复合电极的实际负载（3mAh cm ^-2 ）可提供约750 mAh g ^-1 的比容量，在100％充电状态下初始溶胀小于20％，并且大约在500个循环中保持92％的初始容量。压延电极在120个循环后达到大约980 mAh cm ^-3 的体积容量密度，并且寿命终止溶胀率<50％。具有LiNi _1/3 Mn _1/3 Co _1/3 O ₂ 正极的全电池在500个循环中显示出大于92％的容量保持率。这项工作是硅负极开发的一项飞跃，它为其他电池的电极材料设计提供了宝贵见解。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15217-9

10. Joule ：减轻锂离子电池的热失控

本文总结了锂离子电池热失控的缓解策略。这些缓解策略分别在材料级别，电池级别和系统级别起作用。提出了时序图研究了热失控机理，时间序列图中的状态转换清楚地解释了热失控测试中各种观测的潜在机制。 基于对热失控机制的理解，提出了有效的缓解策略。以解释电池水平和系统水平的机理。在电池级别，时间序列图有助于阐明热失控与火灾之间的关系。为了全面保护锂离子电池，还总结了可能引起热失控的滥用条件。该观点为确保将来用于电能存储应用的锂离子电池的安全性提供了方向。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S254243512030088X

11. Joule ：钙钛矿溶液老化：发生了什么，如何抑制？

钙钛矿型太阳能电池（ PSCs ）中钙钛矿薄膜的研究主要集中在其晶化和生长方面，但在前驱体溶液中发生的反应还不十分清楚，导致高效器件的重复性差。结果表明，在甲基铵和甲脒混合的有机阳离子钙钛矿溶液中，甲胺分子首先由碘化甲铵的脱质子反应生成，然后与碘化甲脒缩合形成碘化 N- 甲基甲脒和碘化 N ， N′- 二甲基甲脒。以硼酸三乙酯为稳定剂，抑制了前驱体溶液中碘甲基铵的脱质子，消除了钙钛矿薄膜中的杂质相。 本文认为，在钙钛矿前驱体溶液中引入稳定剂将成为未来混合有机阳离子 PSCs 提高重现性和效率的常用策略。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S245192942030084X

12. Matter ：超薄 RuRh 合金纳米片实现高性能锂 - CO ₂ 电池

高能量密度的非质子型 Li-CO ₂ 电池是一种极具潜力的储能技术。然而，其发展在很大程度上受到了 CO ₂ 还原和析出反应动力学缓慢的阻碍。在这里， 本文展示了一类超薄三角形 RuRh 合金纳米片作为一种高活性的催化剂，可以大大加速 CO2 还原和析出反应的动力学，并实现高性能的 Li-CO ₂ 电池。 RuRh 合金纳米片基电池在充放电过程中可以达到 1.35v 的最低电压间隙，并在 1000mA g ^-1 下稳定循环 180 次后截止容量为 1000mAh g ^-1 。密度泛函理论计算表明， Rh 在 RuRh 合金纳米片中的引入起到了关键作用，明显激活了 Ru 表面的电子转移能力，平衡了 Ru 附近的 CO ₂ 结合。本文发现， Rh 和 Ru 之间的 d-d 相关性有助于 Li-CO ₂ 电池的能量循环。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238520300825

13. ACS Energy Lett. ：利用 Cryo-FIB/SEM 实现能量器件中完整固液界面和反应材料的纳米元素映射

许多现代能源设备的运行和性能依赖于固液界面、高反应性材料或两者兼而有之。这种材料表征的困难意味着这些器件通常在未改变的状态下缺乏高分辨率表征。室温 FIB/SEM 通常能够对固体器件进行纳米级表面和横截面成像的光谱表征，但仅限于干燥样品和非反应材料。在这里， 本文演示了低温样品制备和传输如何通过在制备和表征的所有阶段保持其完整性过程中，将 FIB/SEM 的能力扩展到固液界面和能源装置常见的反应材料。 此外，研究者还展示了 cryo-FIB/SEM 与能量色散 X 射线光谱学的结合如何实现这些材料中产生的横截面的纳米级元素映射，并讨论了实现最佳结果的策略。最后，我们考虑了该技术目前的局限性，并提出了未来的发展方向，以增强其表征能源材料和器件的能力。结果表明， cryo-FIB/SEM 技术对于固液界面或反应性材料起着重要作用，但迄今为止还不能获得高分辨率的表征。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c00202

14. Adv. Funct. Mater. ：黑磷：黑磷碳纳米管杂化材料的三维化学交联结构及其在锂离子电池中的应用

高工作电压、高能量密度和良好循环性能的可充电锂离子电池因其作为便携式电源和电气应用的潜力而受到越来越多的关注。然而，活性物质在重复循环条件下体积膨胀导致导电性变差，降低了器件的性能，阻碍了其实际应用。黑磷（ BP ）作为一种新兴的二维材料，由于其理论容量为 2596mA·h·g ^-1 以及能吸收大量的锂原子，在锂离子电池储能领域受到了广泛的关注。 本文介绍了一种独特的三维导电结构，它由 BP 和碳纳米管（ CNTs ）构成，具有良好的稳定性和较高的导电性，可用于制备 BP@CNTs 混合型锂离子电池。 BP@CNTs 杂化电极具有捕获能力强、亲和性好、结构稳定、对多聚磷吸附能力强等优点，具有容量大、导电性好、循环寿命稳定等优点。此外，锂离子电池还可以照亮发光二极管，证明这种材料在储能器件的发展方面具有巨大的潜力。

原文链接：

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202070074

15. Adv. Funct. Mater. ：自上而下合成新型钠离子电池含硫炭阳极材料

本文报道了钠离子电池中作为阳极材料具有特殊活性的含硫碳质阳极材料（ CS ）的制备。为此，介绍了一种对硫含量和功能进行精确控制的自上而下合成 CS 材料的方法。 新的合成路线结合了详细的结构分析和电化学研究，提供了 i ）硫含量和化学物种之间的关联， ii ）相关材料的结构、电子和电化学性能。因此，新的 CS 物质表现出作为钠离子电池负极材料的优异活性，在电流密度为 0.1A g ^-1 时达到 500 mAh g ^-1 以上的容量值，以及高可逆钠储存能力和优异的循环耐久性。研究结果揭示了含碳材料的基本工作原理，揭示了这些新型钠离子电池负极材料中钠离子的储存机理，为其实际应用提供了新的途径。

原文链接：

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202000592

16. Angew. Chem. Int. Ed. : 一种用于高性能全固态锂氧电池的多孔性可调的塑性晶体电解质

固态阴极（ SSCs ）中有限的三相边界（ TPBs ）和固态电解质（ SEs ）施加的高电阻使得高性能全固态锂氧（ ASS Li-O 2 ）电池充满了荆棘。 本文通过采用热致相分离（ TIPS ）技术，成功地制造了孔隙率可调节的塑性晶体电解质（ PCE ）。精心设计的固态继电器通过在活性材料表面引入多孔的 PCE ，可促进 Li ⁺ /e ^- 的同时转移，并确保 O ₂ 快速流动，形成连续而丰富的 TPB 。 致密 PCE 的高 Li ⁺ 电导率，柔软性和附着力可将电池电阻降至 115 Ω 。因此，基于这种孔隙率可调的 PCE 的 ASS Li-O ₂ 电池具有卓越的性能，例如其具有较高的比容量（ 5963mAh/g ）、良好的倍率性能以及在 32 ℃ 下高达 130 次的稳定循环寿命。这种新颖的设计和令人兴奋的结果可能会为 ASS Li-O ₂ 电池开辟新的途径。

原文链接：

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202002309

17. Matter ： 通过褶皱的金 - 碳纳米管 “ 森林 ” 制成的耐用、高性能的可拉伸超级电容器电极

基于垂直排列的纳米管或纳米线的可拉伸超级电容器由于其在大的和重复的变形下的耐用性和电化学性能而得到了极大的关注。 研究者们展示了一种基于皱褶镀金碳纳米管森林（ Au-CNT-forest ）的耐用高性能可伸展电极。实验测量表明， Au-CNT 电极的电阻比纯 CNT-forest 电极的电阻低约一个数量级。在不同应变条件下（即从 0% 到 800% 的面积应变），双轴压皱的 Au-CNT-forest 电极在不同的充电 / 放电速率下表现出几乎相同的电化学性能。 在大应变下，所制备的对称超级电容器在 40 mA cm ^-2 的电流密度下显示出约 6 mF cm ^-2 的最大比电容，表现出卓越的机械和电化学稳定性。该研究提出了一种基于垂直排列的纳米管或纳米线来制造高度可拉伸的超级电容器的简便方法，以获得出色而强大的电化学性能。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238520301132

18. ACS Energy Lett. ： 消除硫化物基固态电池中导电剂的有害影响

基于硫化物的固态电解质（ SSEs ）被认为是实现高性能全固态锂离子电池（ ASSLIBs ）的关键。但是，阴极复合材料中导电助剂和硫化物基 SSEs 之间的不兼容性对稳定的高速率能力的传输提出了挑战。 研究者们设计了一种聚（ 3,4- 乙撑二氧噻吩）（ PEDOT ）改性材料作为阴极复合材料（阴极 / SSE / 碳）的半导体添加剂，以实现高性能。改进的 ASSLIB 在 1C 时具有超过 100 mAh g ^-1 的竞争速率容量，比未改性的阴极高 10 倍。 阴极界面的详细表面化学和结构演变表明， PEDOT 修饰不仅显著抑制了副反应，而且在阴极 /SSE/ 碳三相界面上实现了有效的电子转移。该项研究为阴极复合材料引入可控的半导体添加剂提供了一种有前途的设计，以实现导电添加剂的高速率性能并克服其在硫化物基助剂中的长期应用挑战。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c00256

19. Adv.Funct. Mater. : 硫化锡基材料在锂离子电池和钠离子电池中的应用