Joule期刊2018年新能源论文梳理（限时免费下载）

受joule期刊编辑委托，材料人梳理了2018年新能源领域部分优秀论文。如果对论文感兴趣，可以关注文末的期刊微信公众号，索取限时免费下载地址。

1.不同容量和高电流密度下，锂金属负极的行为分析

近日，美国西北太平洋国家实验室的张基广和许武（共同通讯）作者等人，首次揭示金属Li负极表面上降解层的厚度与实际LMB系统中Li面积容量利用率之间的线性关系，最高达4.0 mAh cm^-2。每个循环中Li容量利用率的增加，引起金属Li负极上的降解层的形态和成分变化。在高金属Li容量利用率下，电荷的电流密度（即Li沉积）是控制金属Li负极腐蚀的关键因素。这些发现为可充电LMB的发展提供了新的视角。

文献链接：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.多晶正极材料中的电荷异质性和表面化学特征

近日，美国SLAC国家加速器实验室的刘益金和劳伦斯伯克利国家实验室的Marca Doeff（共同通讯）作者等人，纳采用米级全场（FF）透射X射线显微镜（TXM）和整体平均软X射线吸收光谱（软XAS），研究电化学充电/放电和化学氧化的充电状态（SOC）异质性LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2O₂正极材料。在块体材料中，氧化Ni分布不均匀。因此，就大型多晶颗粒集合体中，尺度电荷不均匀性，化学脱锂样品类似于带电化学电荷的样品。然而，表面上过渡金属出现梯度氧化态的原因是表面重建的电极降解，在化学脱锂样品中更不明显。

文献链接：Charge Heterogeneity and Surface Chemistry in Polycrystalline Cathode Materials（Joule，2018，DOI：10.1016/j.joule.2017.10.008）。

3.照相法制备高能量密度柔性钾离子电池正极

随着柔性电子技术的快速发展，迫切需要低成本，灵活，高能量密度的电源。从理论上讲，由于钾资源丰富且成本低，新兴的可充电钾离子电池（KIB）可能是一个很有前景的候选者。然而，由于缺乏高性能正极材料和获得坚固且柔软电极的有效方法，制备柔性KIB仍然是一项艰巨的挑战。近日，中国吉林大学的鄢俊敏和蒋青（共同通讯）作者等人，采用氰照相法制备低成本、可伸缩和柔性的正极。优化的正极材料的结晶度和形态，获得柔性电极的超轻和坚固性质的组合优势赋予优异KIB，高能量密度（高达232 Wh kg^-1）和优异的柔韧性。这种低成本、可扩展的照相印刷技、优异的电化学性能，将促进柔性电子产品的发展。

文献链接：High-Energy-Density Flexible Potassium-Ion Battery Based on Patterned Electrodes（Joule，2018，DOI：10.1016/j.joule.2017.10.010）。

4.锂金属负极的研究进展

传统的锂离子电池的石墨负极的能量密度有限，下一代高能量密度电池系统，需要非常高容量负极。众所周知，锂金属是最有希望的负极之一，因为它具有超高容量（3860 mAh g^-1）和非常低的标准负电化学电位（-3.040 V）。然而，枝晶生长和锂金属负极的高反应活性，导致低循环效率低和严重的安全性问题。最近锂金属负极的研究和开发为锂金属保护和锂金属电池的性能提供了新的、深入的理解和关键的研究进展。近日，美国西北太平洋国家实验室的许武（通讯）作者等人，回顾了该领域的最新发现，为进一步开发锂金属电池提出了新研究方向。

文献链接：Advancing Lithium Metal Batteries（Joule，2018，DOI：/10.1016/j.joule.2018.03.008）。

5.高效的多相催化剂显著提高氧还原速率

近日，美国佐治亚理工学院的刘美林（通讯）作者等人，研究发现由BaCoO_3-x（BCO）和PrCoO_3-x（PCO）纳米粒子（NPs）和共形PrBa_0.8Ca_0.2Co₂O₅+δ（PBCC）薄组成的多相催化剂涂层（约30 nm厚）薄膜，大大提高了氧还原反应（ORR）的速度。当应用于固体氧化物燃料电池（SOFC）中，在600℃下，La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O₃（LSCF）为正极和催化剂涂层时，正极极化电阻从2.57降低到0.312 Ωcm²。密度泛函理论的计算证实，由于富集的表面氧空位，氧分子在NP上快速吸附和解离，快速通过PBCC膜。两个独立相的独特性质的协同组合显着增强了ORR动力学，这不仅对SOFC有吸引力，而且对其他类型的能量转换和存储系统也很有吸引力，包括用于合成清洁燃料的电解槽和膜反应器。

文献链接：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″-氧化铝的稳定性使高压、室温液态金属流动电池成为可能

液流电池的储存的能量与系统电源分离特征，使其成为非常引人注目的电网规模储能技术。然而，水性氧化还原液流电池（RFB）一直受到低开路电压（OCV）的限制。目前。采用液态碱金属代替含水负电解质，例如：室温液态金属合金Na-K会显着增加OCV，具有很强的吸引力。然而，尚未见报道发现适合Na-K的固体电解质。近日，美国斯坦福大学的Jason Rugolo和William C. Chueh（共同通讯）作者等人，研究发现K-β″-氧化铝是一种与Na-K接触的选择性和稳健的K⁺离子导体，它与Na的交换是稳定的。文中选用水和非水正电解质（posolytes），OCV为3.1-3.4 V的电池循环，欧姆限制为330-μm K-β″-氧化铝膜，在22℃是，功率密度为65 mW cm^-2；在57°C时，功率密度>100 mW cm^-2。因此，开发Na-K|K-β″-氧化铝电池可以解锁高效的储能。

文献链接：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.分子工程制备水氧化、氢生成和CO₂还原的装置的最新进展

近年来，通过利用太阳光分解水或减少二氧化碳，以氢或碳基燃料储存太阳能的研究受到了极大的关注。近日，中国大连理工大学的孙立成（通讯）作者等人，在水分解系统中分子催化剂的混合系统或与纳米结构材料组合的分子光捕获系统中，总结了分子工程从电极或光电极，构建的各种水分解装置方法和制备策略的最新进展。本文分析了影响器件效率、稳定性的因素，为更高级器件的未来制备策略提供指导。

文献链接：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多孔碳质电极的电催化应用

3D多孔碳质电极作为用于电催化应用的先进电催化剂已引起广泛关注。近日，中国科学院长春应用化学所的徐国宝（通讯）作者等人，分析了各种3D多孔碳质电极的设计、制造策略的最新进展，及其相关的电催化应用。文中提供了设计含碳基质的有效方法、碳质电催化剂的设计，以及独立碳质电极的合成方法及相关电催化应用。最后，讨论了三维多孔碳质电极的设计和应用。

文献链接：3D Porous Carbonaceous Electrodes for Electrocatalytic Applications（Joule，2018，DOI：10.1016/j.joule.2017.10.005）。

9、有机太阳能中的热量损失：迈向新的效率制度

有机太阳能电池（OSC）目前比其无机和金属卤化物钙钛矿太阳能电池具有更大的能量损失。 剑桥大学S. Matthew Menke教授（通讯作者）从多角度论述能量损失不是限制OSC发展的固有原因，并提供了将能量损失降低到0.5 eV以下的策略。最新的OSC表现出0.6和1.0eV之间的过量能量损失，这主要是由于供体-受体界面处的能量偏移和非辐射电荷重组。然而，最近的实施例证明电荷产生可以以高量子效率进行，具有几乎为零的偏移能量。虽然这是一个更大的挑战，但可以通过进一步研究当前的非辐射机制并考虑主要针对具有辐射电荷转移状态特性的系统来减少非辐射的复合贡献。为了超越传统的设计范例，说明了目前使用的材料和筛选技术如何将低能量损失系统偏向于低电荷收集和非辐射复合。该研究为材料和设备优化提供了方向。

文献链接：“Understanding Energy Loss in Organic Solar Cells: Toward a New Efficiency Regime”

10全交联电荷传输层实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池

可溶液加工的有机无机杂化钙钛矿材料由于其优异的半导体特性而成为下一代光伏技术的非常有前途的候选材料。虽然钙钛矿太阳能电池（PVSC）的性能已经被证明可以与普遍的无机对应物相媲美， 该设备在热，光和水分应力下的长期稳定性已经成为该技术商业化之前的一个主要挑战。西雅图华盛顿大学Alex K.-Y. Jen教授（通讯作者）团队设计并合成了可交联的n型共轭分子c-HATNA，作为钙钛矿顶部的电子传输层，以改善制造的PVSC的光，水分和热稳定性。这项工作验证了结合容易交联的电荷传输层的方法，以提高所得太阳能电池的效率和环境和热稳定性，从而有利于大规模器件制造。

文献链接：“Highly Efficient and Stable Perovskite Solar Cells Enabled by All-Crosslinked Charge-Transporting Layers”

11光伏和光电化学电池中电荷载流子的空间收集效率

在光伏（PV）和光电化学（PEC）电池中，光子的体积吸收产生具有过剩自由能的电荷载流子，其净通量产生电流，通常称为光电流。空间收集效率（SCE）定义为在细胞内特定位置处的光生电荷载体的分数，其有助于流出细胞的光电流。由于光电流可以用于产生电能或驱动电化学反应，因此SCE的经验提取可以阐明控制能量转换效率和转换机制的过程，这些过程对于大规模应用是十分重要的。以色列理工学院Avner Rothschild教授（通讯作者）提出了一种从光电流作用光谱测量中提取SCE并结合分层平面结构中的光学建模的方法。通过将提取的晶体硅光伏电池的空间收集效率曲线与相应的分析溶液进行比较来证明分析方法。 该分析还应用于异质外延赤铁矿光阳极，产生SCE曲线和光生成光谱

文献链接：“The Spatial Collection Efficiency of Charge Carriers in Photovoltaic and Photoelectrochemical Cells”

12用于太阳能收集的透明聚合物光伏器件

聚合物光伏器件是可见光谱应用的有前途的替代能源，因为有机半导体（包括聚合物和小分子类型）的吸收光谱不像无机半导体那样是连续的。结果，有机材料的设计能够通过可见光并吸收诸如红外线的不可见光。根据太阳光谱的能量分布，超过一半的太阳光分布在红外区域内。因此，仅具有红外吸收的聚合物光伏器件的理论效率可以与仅具有可见吸收的器件一样高。加州大学洛杉矶分校杨阳教授（通讯作者）回顾透明聚合物光伏发电及其潜在应用的发展，旨在激发实现卓越透明度，功率转换效率和更实用的实用性的新想法。

文献链接：“Transparent Polymer Photovoltaics for Solar Energy Harvesting and Beyond”

13钙钛矿薄膜沉积的气体淬火

卤化铅卤化物的成因促进了新一代太阳能电池的发展。这些吸收剂在高能量转换效率和低加工成本方面具有诱人的前景，使金属卤化物钙钛矿成为迄今为止增长最快的光伏技术。但仍需要解决几个关键挑战才能实现大规模商业化应用，典型的问题就是环保问题。比利时哈瑟尔特大学Aslihan Babayigit和Bert Conings（共同通讯作者）比较了溶剂淬火和气体淬火在制备钙钛矿薄膜方面的优缺点，结果，GQ是开发更环保的卤化钙钛矿大面积沉积的有力工具，并具有巨大潜力，可以实现具有最先进的多阳离子和阴离子组合物的卷对卷涂层钙钛矿太阳能组件。

文献链接：“Gas Quenching for Perovskite Thin Film Deposition”

14高性能刀片涂层钙钛矿太阳能电池的相变控制

近来，混合有机 - 无机钙钛矿（HOIP）太阳能电池已成为可持续能源的一种非常有前景且廉价的解决方案。简单和可扩展的制造是钙钛矿太阳能电池进一步开发的充满希望的前景。然而，当将旋涂涂层移至印刷过程时，缺少对相变的理解和控制，包括结构演变和晶体生长机制。 陕西师范大学刘生忠教授和zhao kui教授联合阿卜杜拉国王科技大学Aram Amassian教授（共同通讯作者）利用原位测试，包括基于同步加速器的掠入射X射线衍射和光学显微镜，来研究旋涂和刮刀涂层过程中的MAPbI3相变。提出通过跳过中间相直接结晶作为从旋涂到叶片涂层工艺的合理转移的关键问题并展示了一种高质量刀片涂层薄膜的有效工艺，可在平面钙钛矿太阳能电池中提供18.74％（0.09 cm²）和17.06％（1 cm²）的高效率。

文献链接：“Phase Transition Control for High-Performance Blade-Coated Perovskite Solar Cells”

15.钙钛矿串联光伏的成本分析

混合卤化钙钛矿太阳能电池具有暴涨的效率和极低的成本，已成为最有前途的下一代光伏技术。此外，它们可以与互补吸收器结合形成串联太阳能电池，通过利用已建立的光伏产业，可能面临更少的市场渗透障碍。因此，确定最终电力生产的技术经济竞争力非常重要。北京理工大学陈棋教授联合北京大学周欢萍教授（共同通讯作者）通过改变材料，模块效率和寿命来使用灵敏度分析来估算平准化电力成本（LCOE）。发现钙钛矿PV具有低材料成本，这在单结器件和串联器件中都显着降低了LCOE。模块效率和寿命仍然是影响LCOE的主要参数。此外，首次引入LCOE降低率的想法作为指导钙钛矿基PV和串联太阳能电池研发方向的明确指标。这大大降低了单结器件和串联器件中的LCOE。模块效率和寿命仍然是影响LCOE的主要参数。钙钛矿串联PV具有潜在的竞争力，需要进一步努力，以同时提高钙钛矿PV的效率和寿命，以支撑整个能源系统。

文献链接：“Cost Analysis of Perovskite Tandem Photovoltaics”

16石墨烯和2D钙钛矿的超敏感异质结揭示了自发的碘化物损失

金属卤化物钙钛矿在实验室规模的太阳能电池和发光器件中取得了显着的成功。 但是，不稳定性问题妨碍了它们的实际应用。 已经在一系列外部环境应力（例如光，热和湿气）下揭示了多晶钙钛矿的各种降解路径。 然而，对钙钛矿固有稳定性的理解还远未完成。普林斯顿大学Barry P. Rand教授联合清华大学任天令教授和田禾助理教授（共同通讯作者）揭示自发碘化物损失作为2D钙钛矿单晶的重要降解路径，由超灵敏，剥落的2D钙钛矿单晶片/石墨烯异质结构装置实现。此外，用石墨烯覆盖层覆盖钙钛矿可以抑制碘化物损失，显着提高钙钛矿稳定性。 我们的工作为未来稳定的钙钛矿光电器件开发提供了重要见解，并展示了石墨烯作为器件和材料降解的有前景的诊断工具的潜力。

文献链接：“Ultrasensitive Heterojunctions of Graphene and 2D Perovskites Reveal Spontaneous Iodide Loss”

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本文由材料人编辑部张金洋、黄新月编译整理。

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