能源類方向：崔屹Nature Energy、王中林EES、AEnM、Nano Energy等研究進展

Nature Energy：可控制厚度的鋰電池用超薄鋰金屬-石墨烯氧化物主箔

薄的鋰金屬箔（≤20μm）和獨立的鋰金屬箔可實現負極材料和高能量密度鋰電池的精確預鋰化。現有的鋰金屬箔太厚(通常50 ~ 750 μm)或機械上太脆弱，不適合這些應用。斯坦福大學崔屹教授等人研究開發了一種簡單和可擴展的方法，在氧化石墨烯主體內合成超薄(0.5 ~ 20 μm)、獨立且機械堅固的鋰金屬箔。除了0.1-3.7 mAh cm ^-2的低面積容量，與傳統的純鋰金屬箔相比，該鋰箔的機械強度也大大提高了。鋰箔可以將石墨（93％）和硅（79.4％）陽極的初始庫倫效率提高到100％左右，而不會產生過多的鋰殘留物，并且可以將鋰離子全電池的容量提高8％。采用這種薄鋰復合陽極，可使鋰金屬全電池的循環壽命延長9倍。相關研究以“Free-standing ultrathin lithium metal–graphene?oxide host foils with controllable thickness for?lithium batteries”為題目，發表在Nature Energy上。DOI: 10.1038/s41560-021-00833-6

圖1?微米尺度薄膜主體及鋰金屬薄膜的設計與制作

Nature?Energy：低溫有效非原位V族摻雜用于高效多晶CdSeTe太陽能電池

得益于快速CdTe吸收體沉積、CdCl2處理和Cu摻雜，CdTe太陽能電池技術是太陽能行業中成本最低的發電方法之一。然而，Cu摻雜具有較低的光電壓和不穩定性問題。因此，在碲化鎘中摻雜V族元素是解決這些挑戰的一個有希望的途徑。盡管高溫原位V群摻雜CdSeTe器件的效率已經超過20%，但它們面臨著沉積后摻雜活化過程、較短的載流子壽命和較低的活化比等障礙。在這里，美國托萊多大學Yanfa Yan、美國阿拉巴馬大學Feng Yan演示了使用V族氯化物的CdSeTe太陽能電池的低溫和有效的V族非原位摻雜。對于AsCl₃摻雜的CdSeTe太陽能電池，摻雜活化率可達5.88%，空穴密度達到>2×10¹⁵cm^?3，載流子壽命超過20 ns。因此，非原位As摻雜CdSeTe太陽能電池的開路電壓為~863 mV，而Cu摻雜的最高開路電壓為852 mV。相關研究以“Low-temperature and effective ex situ group?V doping for efficient polycrystalline CdSeTe?solar cells”為題目，發表在Nature?Energy上。DOI: 10.1038/s41560-021-00848-z

圖2?CdSeTe太陽能電池低溫非原位摻雜

EES：直流輸出和低峰值因子的恒摩擦電納米發電機

盡管摩擦電納米發電機(TENGs)作為一種很有潛力的能量收集技術，但其高波峰因子的脈沖輸出仍然阻礙了其實際應用。北京納米能源與納米系統研究所王中林院士等人通過一種簡單易行的方法，包括電極不對中(EM)和電路連接，開發了一種具有高恒流平均輸出功率的超穩定直流多相納米發電機(MP-TENG)。通過對具有相位差的TENG單元并聯進行整流疊加得到的MP-TENG與傳統單相TENG相比，峰值因子超低，為1.05，平均功率提高40.1%。此外，在使用不同尺寸的電極和電磁法轉子網格時，使用日常生活中常見的材料如木材、布料等產生了峰值因子小于1.1的類似直流電的輸出，極大地擴大了TENG材料的選擇范圍。由于MP-TENG優異的直流性能，1000個LEDs和54個燈泡可以在沒有任何閃爍的情況下輕松點亮，并且可以連續驅動商用電子器件穩定工作。該工作為實現高輸出恒直流提供了一個范式轉變，在能量收集領域具有廣泛的應用前景。相關研究以“Rationally Segmented Triboelectric Nanogenerator with Constant?Direct-Current Output and Low Crest Factor”為題目，發表在EES上。DOI: 10.1039/D1EE01382C

圖3?MP-TENG的結構和機制

EES：超伸縮性、防水、寬溫耐受性的超分子聚合物雙網絡水凝膠電解質的鋅空氣電池

軟電子領域的蓬勃發展推動了基于水凝膠電解質的高伸縮性和環境適應性儲能設備的發展。開發這種軟能源供應裝置仍然是一項具有挑戰性的任務，因為傳統的水凝膠電解質很容易受到機械變形的影響，并表現出在極冷條件下維持其功能的低溫耐受性。河南工業大學李晶晶、鄭州輕工業大學劉春森教授等人通過將一系列非共價自組裝鳥苷 G-四聯體超分子網絡引入共價交聯的聚丙烯酰胺聚合物網絡，開發了一種基于小分子的超分子聚合物雙網絡 (SP-DN) 水凝膠平臺。所制備的SP-DN水凝膠具有良好的延展性(>1600%)和較寬的耐溫性(-196 ~ 100 ^oC)，對各種電極襯底具有較好的界面附著力，以及超高的低溫和高溫電導率（–50°C下為 252.2 mS cm^-1；100°C 下為 431.7 mS cm^-1）。鑒于這些出色的性能 SP-DN 水凝膠可用作高可拉伸（設備級伸長率 >1000%）和可穿戴鋅空氣電池 (ZAB) 的準固體電解質。更有趣的是，沒有任何特殊的預處理，制作的可拉伸ZABs具有高度的防水和耐溫度(低至50℃，高至100℃)具有高能量/功率密度和穩定的長周期壽命。本研究為設計具有高延展性和環境適應性的儲能裝置的水基水凝膠電解質提供了一種新的選擇。相關研究以“Small molecule-based supramolecular-polymer?double-network hydrogel electrolytes for?ultra-stretchable and waterproof Zn–air batteries?working from 50 to 100 8C”為題目，發表在EES上。DOI: 10.1039/d1ee01134k

圖4?G-CyBA /PAAm SP-DN水凝膠的制備、結構表征及組裝機理

AEnM：Zn²⁺誘導的K₂MnFe(CN)₆相變促進高度穩定的鋅離子存儲

普魯士藍類似物(PBAs)具有容納大離子和可調價態的開放框架，在水溶液鋅離子電池(ZIBs)中獲得了廣泛的興趣。然而，由于結構不穩定，ZIBs的PBAs目前仍存在容量低、循環穩定性差的問題。北京大學李銳、鄭家新教授等人報告了一種K₂MnFe(CN)₆陰極，在ZIB充放電400次循環中，其穩定容量為100 mAh g^?1。有趣的是，這種穩定的容量歸因于K₂MnFe(CN)₆陰極逐漸轉變為菱形的K₂Zn₃[Fe(CN)₆]₂，這一過程是由Zn²⁺的插入引起的。通過從頭計算和詳細表征，進一步研究了相變的機理。插入Zn2+可以引起三價錳的強烈Jahn-Teller效應，從而產生強烈的晶格畸變。加上錳的歧化反應，MnN₆八面體被ZnN₄四面體取代，最終生成新的K₂Zn₃[Fe(CN)₆]₂相。由此得到的K₂Zn₃[Fe(CN)₆]₂相具有較寬的容納二價離子的通道結構，從而能夠高度穩定和可逆地存儲Zn²⁺離子。這項工作的發現使人們對ZIBs中PBAs的演化有了新的認識，并提供了一種很有前途的陰極材料。相關研究以“Zn²⁺ Induced Phase Transformation of K₂MnFe(CN)₆?Boosts Highly Stable Zinc-Ion Storage”為題目，發表在AEnM上。DOI: 10.1002/aenm.202003639

圖5?制備的KMnHCF樣品的結構表征

AEnM：溶液可加工的除氧聚合物抑制富鋰、錳層狀氧化物的表面氧釋放

富含Li、Mn的層狀氧化物(LRLO)是一種極具潛力的高能量密度存儲正極材料，因為其具有極強的可還原氧化還原能力。然而，LRLO陰極也演化出帶電的活性氧，特別是在第一次形成循環中，這導致了與表面電解液的反應性，表層的重建，以及有害的阻抗增長。在這里，加拿大滑鐵盧大學Linda F. Nazar等人通過使用聚多巴胺(PDA)表面涂層清除進化的氧物種來提高富含Li、Mn層狀陰極的循環性能的策略被證明。PDA是一種眾所周知的氧自由基清除劑，它提供了一種化學保護層，不僅減少了不良陰極電解質界面相的生長，而且與未保護的表面相比，導致較少的氧氣體釋放，并顯著抑制了表面的相變。這些因素導致了循環時速率能力的提高和容量衰減；即，對于PDA涂層的LRLO，以C速率超過200個周期的容量衰減為82%。相關研究以“Inhibiting Oxygen Release from Li-rich, Mn-rich Layered?Oxides at the Surface with a Solution Processable Oxygen?Scavenger Polymer”為題目，發表在AEnM上。DOI: 10.1002/aenm.202100552

圖6?PDA涂層在LRLO表面的表征

Nano?Energy：全固態鈉金屬電池中Na/Na₃Zr₂Si₂PO₁₂界面均相Na⁺動態轉移

金屬鈉/固態電解質(特別是氧化物基電解質)界面的不穩定性和高電阻仍然是全固態鈉電池面臨的挑戰。為此，北京理工大學Chengzhi Wang、中山大學Yejing Dai等人提出了一種穩定晶粒邊界的工程策略穩定Na/Na₃Zr₂Si₂PO₁₂界面，提高了界面上的鈉離子轉移能力。Na₃Zr₂Si₂PO₁₂的晶界化學成分通過燒結添加劑Na₂B₄O₇的加入來促進較低溫度下的致密化燒結，促進鈉離子在晶界的遷移。Na₃Zr₂Si₂PO₁₂-10wt% Na₂B₄O₇在室溫下的最佳電導率為1.72 mS cm^-1，相應的對稱鈉電池在0.3 mA cm^-2電流密度下具有超穩定的鍍膜/脫鈉循環2500 h。分析表明，電解液與金屬Na之間形成了一個動力學穩定的界面相，使得Na₃Zr₂Si₂PO₁₂的界面電阻從90 ohm cm²降低到36 ohm cm²。在逐步變化的溫度下循環再次證實了Na/Na₃Zr₂Si₂PO₁₂-10wt% Na₂B₄O₇界面的超穩定性。所有基于Na₃Zr₂Si₂PO₁₂-10wt% Na₂B₄O₇的固態電池在有限容量退化的情況下，都具有超過200個循環的良好循環性能。研究發現為利用NASICON型電解質的全固態鈉電池的探索開辟了道路。相關研究以“Homogeneous Na⁺ transfer dynamic at Na/Na₃Zr₂Si₂PO₁₂?Interface for All?Solid-State Sodium Metal Batteries”為題目，發表在Nano?Energy上。DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106293

圖7?Na/NZSP-10NBO/Na對稱電池的電化學性能

Nano?Energy：鈣鈦礦型相兼容層使富含鋰的錳基陰極材料具有高度穩定的晶格和界面

富鋰錳基正極材料具有較高的比容量，但其固有的陰離子活性和表面不穩定性阻礙了其應用。因此，通過La與體塊提供的Mn反應，在富Li的Mn基陰極表面外延生長了鈣鈦礦型LaMnO3改性層。XRD和XPS結果證實了LaMnO₃的成功制備，并揭示了反應機理。SEM和TEM結果進一步驗證了LaMnO₃的外延生長和均勻分布。改性的富鋰錳基正極材料表現出優異的倍率性能和良好的循環耐久性，5℃時為155.4 mAh g^-1, 1℃時200次循環后保持85.4%，2.0-4.8 V運行。離子活性(O^2-、O₂^2-)得到有效抑制，放電電壓更穩定，初始庫侖效率提高。陰極表面受到LaMnO₃的保護，產生了還原的表面副產物和固定晶格O。LaMnO₃具有較穩定的晶格結構和較高的電導率，易于電荷轉移和優異的電化學性能。相關研究以“Lithium-rich manganese-based cathode materials with highly?stable lattice and surface enabled by perovskite-type?phase-compatible layer”為題目，發表在Nano?Energy上。DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106288

圖8 改性LaMnO₃制備工藝原理圖及優點

文中所述如有不妥之處，歡迎評論區留言~

本文由Junas供稿。

本內容為作者獨立觀點，不代表材料人網立場。

未經允許不得轉載，授權事宜請聯系kefu@cailiaoren.com。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP。