Joule期刊2018年新能源論文梳理（限時免費下載）
受joule期刊編輯委托，材料人梳理了2018年新能源領域部分優秀論文。如果對論文感興趣，可以關注文末的期刊微信公眾號，索取限時免費下載地址。
1.不同容量和高電流密度下，鋰金屬負極的行為分析
近日，美國西北太平洋國家實驗室的張基廣和許武（共同通訊）作者等人，首次揭示金屬Li負極表面上降解層的厚度與實際LMB系統中Li面積容量利用率之間的線性關系，最高達4.0 mAh cm-2。每個循環中Li容量利用率的增加，引起金屬Li負極上的降解層的形態和成分變化。在高金屬Li容量利用率下，電荷的電流密度（即Li沉積）是控制金屬Li負極腐蝕的關鍵因素。這些發現為可充電LMB的發展提供了新的視角。
文獻鏈接：Behavior of Lithium Metal Anodes under Various Capacity Utilization and High Current Density in Lithium Metal Batteries（Joule，2018，DOI：10.1016/j.joule.2017.10.007）。
2.多晶正極材料中的電荷異質性和表面化學特征
近日，美國SLAC國家加速器實驗室的劉益金和勞倫斯伯克利國家實驗室的Marca Doeff（共同通訊）作者等人，納采用米級全場（FF）透射X射線顯微鏡（TXM）和整體平均軟X射線吸收光譜（軟XAS），研究電化學充電/放電和化學氧化的充電狀態（SOC）異質性LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2正極材料。在塊體材料中，氧化Ni分布不均勻。因此，就大型多晶顆粒集合體中，尺度電荷不均勻性，化學脫鋰樣品類似于帶電化學電荷的樣品。然而，表面上過渡金屬出現梯度氧化態的原因是表面重建的電極降解，在化學脫鋰樣品中更不明顯。
文獻鏈接：Charge Heterogeneity and Surface Chemistry in Polycrystalline Cathode Materials（Joule，2018，DOI：10.1016/j.joule.2017.10.008）。
3.照相法制備高能量密度柔性鉀離子電池正極
隨著柔性電子技術的快速發展，迫切需要低成本，靈活，高能量密度的電源。從理論上講，由于鉀資源豐富且成本低，新興的可充電鉀離子電池（KIB）可能是一個很有前景的候選者。然而，由于缺乏高性能正極材料和獲得堅固且柔軟電極的有效方法，制備柔性KIB仍然是一項艱巨的挑戰。近日，中國吉林大學的鄢俊敏和蔣青（共同通訊）作者等人，采用氰照相法制備低成本、可伸縮和柔性的正極。優化的正極材料的結晶度和形態，獲得柔性電極的超輕和堅固性質的組合優勢賦予優異KIB，高能量密度（高達232 Wh kg-1）和優異的柔韌性。這種低成本、可擴展的照相印刷技、優異的電化學性能，將促進柔性電子產品的發展。
文獻鏈接：High-Energy-Density Flexible Potassium-Ion Battery Based on Patterned Electrodes（Joule，2018，DOI：10.1016/j.joule.2017.10.010）。
4.鋰金屬負極的研究進展
傳統的鋰離子電池的石墨負極的能量密度有限，下一代高能量密度電池系統，需要非常高容量負極。眾所周知，鋰金屬是最有希望的負極之一，因為它具有超高容量（3860 mAh g-1）和非常低的標準負電化學電位（-3.040 V）。然而，枝晶生長和鋰金屬負極的高反應活性，導致低循環效率低和嚴重的安全性問題。最近鋰金屬負極的研究和開發為鋰金屬保護和鋰金屬電池的性能提供了新的、深入的理解和關鍵的研究進展。近日，美國西北太平洋國家實驗室的許武（通訊）作者等人，回顧了該領域的最新發現，為進一步開發鋰金屬電池提出了新研究方向。
文獻鏈接：Advancing Lithium Metal Batteries（Joule，2018，DOI：/10.1016/j.joule.2018.03.008）。
5.高效的多相催化劑顯著提高氧還原速率
近日，美國佐治亞理工學院的劉美林（通訊）作者等人，研究發現由BaCoO3-x（BCO）和PrCoO3-x（PCO）納米粒子（NPs）和共形PrBa0.8Ca0.2Co2O5+δ（PBCC）薄組成的多相催化劑涂層（約30 nm厚）薄膜，大大提高了氧還原反應（ORR）的速度。當應用于固體氧化物燃料電池（SOFC）中，在600℃下，La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3（LSCF）為正極和催化劑涂層時，正極極化電阻從2.57降低到0.312 Ωcm2。密度泛函理論的計算證實，由于富集的表面氧空位，氧分子在NP上快速吸附和解離，快速通過PBCC膜。兩個獨立相的獨特性質的協同組合顯著增強了ORR動力學，這不僅對SOFC有吸引力，而且對其他類型的能量轉換和存儲系統也很有吸引力，包括用于合成清潔燃料的電解槽和膜反應器。
文獻鏈接：A Highly Efficient Multi-phase Catalyst Dramatically Enhances the Rate of Oxygen Reduction（Joule，2018，DOI：10.1016/j.joule.2018.02.008）。
6.Na-K|K-β″-氧化鋁的穩定性使高壓、室溫液態金屬流動電池成為可能
液流電池的儲存的能量與系統電源分離特征，使其成為非常引人注目的電網規模儲能技術。然而，水性氧化還原液流電池（RFB）一直受到低開路電壓（OCV）的限制。目前。采用液態堿金屬代替含水負電解質，例如：室溫液態金屬合金Na-K會顯著增加OCV，具有很強的吸引力。然而，尚未見報道發現適合Na-K的固體電解質。近日，美國斯坦福大學的Jason Rugolo和William C. Chueh（共同通訊）作者等人，研究發現K-β″-氧化鋁是一種與Na-K接觸的選擇性和穩健的K+離子導體，它與Na的交換是穩定的。文中選用水和非水正電解質（posolytes），OCV為3.1-3.4 V的電池循環，歐姆限制為330-μm K-β″-氧化鋁膜，在22℃是，功率密度為65 mW cm-2；在57°C時，功率密度>100 mW cm-2。因此，開發Na-K|K-β″-氧化鋁電池可以解鎖高效的儲能。
文獻鏈接：High-Voltage, Room-Temperature Liquid Metal Flow Battery Enabled by Na-K|K-β″-Alumina Stability（Joule，2018，DOI：10.1016/j.joule.2018.04.008）。
7.分子工程制備水氧化、氫生成和CO2還原的裝置的最新進展
近年來，通過利用太陽光分解水或減少二氧化碳，以氫或碳基燃料儲存太陽能的研究受到了極大的關注。近日，中國大連理工大學的孫立成（通訊）作者等人，在水分解系統中分子催化劑的混合系統或與納米結構材料組合的分子光捕獲系統中，總結了分子工程從電極或光電極，構建的各種水分解裝置方法和制備策略的最新進展。本文分析了影響器件效率、穩定性的因素，為更高級器件的未來制備策略提供指導。
文獻鏈接：Device Fabrication for Water Oxidation, Hydrogen Generation, and CO2 Reduction via Molecular Engineering（Joule，2018，DOI：10.1016/j.joule.2017.10.012）。
8.3D多孔碳質電極的電催化應用
3D多孔碳質電極作為用于電催化應用的先進電催化劑已引起廣泛關注。近日，中國科學院長春應用化學所的徐國寶（通訊）作者等人，分析了各種3D多孔碳質電極的設計、制造策略的最新進展，及其相關的電催化應用。文中提供了設計含碳基質的有效方法、碳質電催化劑的設計，以及獨立碳質電極的合成方法及相關電催化應用。最后，討論了三維多孔碳質電極的設計和應用。
文獻鏈接：3D Porous Carbonaceous Electrodes for Electrocatalytic Applications（Joule，2018，DOI：10.1016/j.joule.2017.10.005）。
9、有機太陽能中的熱量損失：邁向新的效率制度
有機太陽能電池（OSC）目前比其無機和金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池具有更大的能量損失。 劍橋大學S. Matthew Menke教授（通訊作者）從多角度論述能量損失不是限制OSC發展的固有原因，并提供了將能量損失降低到0.5 eV以下的策略。最新的OSC表現出0.6和1.0eV之間的過量能量損失，這主要是由于供體-受體界面處的能量偏移和非輻射電荷重組。然而，最近的實施例證明電荷產生可以以高量子效率進行，具有幾乎為零的偏移能量。雖然這是一個更大的挑戰，但可以通過進一步研究當前的非輻射機制并考慮主要針對具有輻射電荷轉移狀態特性的系統來減少非輻射的復合貢獻。為了超越傳統的設計范例，說明了目前使用的材料和篩選技術如何將低能量損失系統偏向于低電荷收集和非輻射復合。該研究為材料和設備優化提供了方向。
文獻鏈接：“Understanding Energy Loss in Organic Solar Cells: Toward a New Efficiency Regime”
10全交聯電荷傳輸層實現高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池
可溶液加工的有機無機雜化鈣鈦礦材料由于其優異的半導體特性而成為下一代光伏技術的非常有前途的候選材料。雖然鈣鈦礦太陽能電池（PVSC）的性能已經被證明可以與普遍的無機對應物相媲美， 該設備在熱，光和水分應力下的長期穩定性已經成為該技術商業化之前的一個主要挑戰。西雅圖華盛頓大學Alex K.-Y. Jen教授（通訊作者）團隊設計并合成了可交聯的n型共軛分子c-HATNA，作為鈣鈦礦頂部的電子傳輸層，以改善制造的PVSC的光，水分和熱穩定性。這項工作驗證了結合容易交聯的電荷傳輸層的方法，以提高所得太陽能電池的效率和環境和熱穩定性，從而有利于大規模器件制造。
11光伏和光電化學電池中電荷載流子的空間收集效率
在光伏（PV）和光電化學（PEC）電池中，光子的體積吸收產生具有過剩自由能的電荷載流子，其凈通量產生電流，通常稱為光電流。空間收集效率（SCE）定義為在細胞內特定位置處的光生電荷載體的分數，其有助于流出細胞的光電流。由于光電流可以用于產生電能或驅動電化學反應，因此SCE的經驗提取可以闡明控制能量轉換效率和轉換機制的過程，這些過程對于大規模應用是十分重要的。以色列理工學院Avner Rothschild教授（通訊作者）提出了一種從光電流作用光譜測量中提取SCE并結合分層平面結構中的光學建模的方法。通過將提取的晶體硅光伏電池的空間收集效率曲線與相應的分析溶液進行比較來證明分析方法。 該分析還應用于異質外延赤鐵礦光陽極，產生SCE曲線和光生成光譜
文獻鏈接：“The Spatial Collection Efficiency of Charge Carriers in Photovoltaic and Photoelectrochemical Cells”
12用于太陽能收集的透明聚合物光伏器件
聚合物光伏器件是可見光譜應用的有前途的替代能源，因為有機半導體（包括聚合物和小分子類型）的吸收光譜不像無機半導體那樣是連續的。結果，有機材料的設計能夠通過可見光并吸收諸如紅外線的不可見光。根據太陽光譜的能量分布，超過一半的太陽光分布在紅外區域內。因此，僅具有紅外吸收的聚合物光伏器件的理論效率可以與僅具有可見吸收的器件一樣高。加州大學洛杉磯分校楊陽教授（通訊作者）回顧透明聚合物光伏發電及其潛在應用的發展，旨在激發實現卓越透明度，功率轉換效率和更實用的實用性的新想法。
文獻鏈接：“Transparent Polymer Photovoltaics for Solar Energy Harvesting and Beyond”
13鈣鈦礦薄膜沉積的氣體淬火
鹵化鉛鹵化物的成因促進了新一代太陽能電池的發展。這些吸收劑在高能量轉換效率和低加工成本方面具有誘人的前景，使金屬鹵化物鈣鈦礦成為迄今為止增長最快的光伏技術。但仍需要解決幾個關鍵挑戰才能實現大規模商業化應用，典型的問題就是環保問題。比利時哈瑟爾特大學Aslihan Babayigit和Bert Conings（共同通訊作者）比較了溶劑淬火和氣體淬火在制備鈣鈦礦薄膜方面的優缺點，結果，GQ是開發更環保的鹵化鈣鈦礦大面積沉積的有力工具，并具有巨大潛力，可以實現具有最先進的多陽離子和陰離子組合物的卷對卷涂層鈣鈦礦太陽能組件。
文獻鏈接：“Gas Quenching for Perovskite Thin Film Deposition”
14高性能刀片涂層鈣鈦礦太陽能電池的相變控制
近來，混合有機 - 無機鈣鈦礦（HOIP）太陽能電池已成為可持續能源的一種非常有前景且廉價的解決方案。簡單和可擴展的制造是鈣鈦礦太陽能電池進一步開發的充滿希望的前景。然而，當將旋涂涂層移至印刷過程時，缺少對相變的理解和控制，包括結構演變和晶體生長機制。 陜西師范大學劉生忠教授和zhao kui教授聯合阿卜杜拉國王科技大學Aram Amassian教授（共同通訊作者）利用原位測試，包括基于同步加速器的掠入射X射線衍射和光學顯微鏡，來研究旋涂和刮刀涂層過程中的MAPbI3相變。提出通過跳過中間相直接結晶作為從旋涂到葉片涂層工藝的合理轉移的關鍵問題并展示了一種高質量刀片涂層薄膜的有效工藝，可在平面鈣鈦礦太陽能電池中提供18.74％（0.09 cm2）和17.06％（1 cm2）的高效率。
文獻鏈接：“Phase Transition Control for High-Performance Blade-Coated Perovskite Solar Cells”
15.鈣鈦礦串聯光伏的成本分析
混合鹵化鈣鈦礦太陽能電池具有暴漲的效率和極低的成本，已成為最有前途的下一代光伏技術。此外，它們可以與互補吸收器結合形成串聯太陽能電池，通過利用已建立的光伏產業，可能面臨更少的市場滲透障礙。因此，確定最終電力生產的技術經濟競爭力非常重要。北京理工大學陳棋教授聯合北京大學周歡萍教授（共同通訊作者）通過改變材料，模塊效率和壽命來使用靈敏度分析來估算平準化電力成本（LCOE）。發現鈣鈦礦PV具有低材料成本，這在單結器件和串聯器件中都顯著降低了LCOE。模塊效率和壽命仍然是影響LCOE的主要參數。此外，首次引入LCOE降低率的想法作為指導鈣鈦礦基PV和串聯太陽能電池研發方向的明確指標。這大大降低了單結器件和串聯器件中的LCOE。模塊效率和壽命仍然是影響LCOE的主要參數。鈣鈦礦串聯PV具有潛在的競爭力，需要進一步努力，以同時提高鈣鈦礦PV的效率和壽命，以支撐整個能源系統。
文獻鏈接：“Cost Analysis of Perovskite Tandem Photovoltaics”
16石墨烯和2D鈣鈦礦的超敏感異質結揭示了自發的碘化物損失
金屬鹵化物鈣鈦礦在實驗室規模的太陽能電池和發光器件中取得了顯著的成功。 但是，不穩定性問題妨礙了它們的實際應用。 已經在一系列外部環境應力（例如光，熱和濕氣）下揭示了多晶鈣鈦礦的各種降解路徑。 然而，對鈣鈦礦固有穩定性的理解還遠未完成。普林斯頓大學Barry P. Rand教授聯合清華大學任天令教授和田禾助理教授（共同通訊作者）揭示自發碘化物損失作為2D鈣鈦礦單晶的重要降解路徑，由超靈敏，剝落的2D鈣鈦礦單晶片/石墨烯異質結構裝置實現。此外，用石墨烯覆蓋層覆蓋鈣鈦礦可以抑制碘化物損失，顯著提高鈣鈦礦穩定性。 我們的工作為未來穩定的鈣鈦礦光電器件開發提供了重要見解，并展示了石墨烯作為器件和材料降解的有前景的診斷工具的潛力。
文獻鏈接：“Ultrasensitive Heterojunctions of Graphene and 2D Perovskites Reveal Spontaneous Iodide Loss”
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本文由材料人編輯部張金洋、黃新月編譯整理。
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