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温馨提示:本推文包含21篇文献,预计阅读时间约21min,大家挑感兴趣的关注。p.s.文末会附有过去三周周报链接。

1. Angew. Chem. Int. Ed.:高性能Li-S电池非晶态MoS3纳米盒增强了多硫化物的锚固和催化转化

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锂硫电池导电性差、氧化还原动力学缓慢、梭形效应严重、体积变化大、硫电极的面积负荷低,阻碍了锂硫电池的实际应用。为了克服硫电极的这些主要瓶颈,本文精心设计了具有空心多孔结构的非晶N掺杂碳/MoS3(NC/MoS3)纳米盒作为先进的硫载体。受益于N掺杂碳增强的电导率,不饱和Mo与多硫化锂之间强烈的化学相互作用降低了穿梭效应,MoS3的催化作用改善了氧化还原反应动力学,柔性非晶态中空多孔结构能容纳有较大的体积变化和高硫负载,非晶态NC/MoS3纳米盒能够使硫电极具有较高的面容量以及出色的倍率能力和良好的循环稳定性。此外,所提出的合成策略可以推广到制造其他非晶态金属硫化物纳米盒,它们有望在能量存储和转换领域显示出有希望的应用。

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原文链接:

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202004914

2. Joule:烷基铵过渡层对高效反向钙钛矿型太阳能电池缺陷和界面的调制

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p-i-n结构的钙钛矿太阳能电池(PVSCs)由于其低温可加工性,在柔性光伏和全钙钛矿或硅钙钛矿多结太阳能电池中具有巨大的应用潜力。然而,p-i-n结构PVSCs的最高效率受到非理想界面复合和电荷提取损耗的影响。为了应对这些挑战,本文采用了一个大的烷基铵层间层(LAI)来减少传输层和钙钛矿之间的能量损失。与报道的底部或顶部表面钝化策略相比,LAIs的使用可以同时抑制钙钛矿顶部和底部界面的非辐射能量损失。结果,降低的表面复合速度(SRV)和陷阱态密度(Nt)使得光学带隙(Eg)为1.59ev的PVSCs的光电压从1.12V提高到1.21V,导致冠最高功率转换效率(PCE)超过22%。

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原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435120301392

3. Adv. Funct. Mater.:具有氟和氯取代作用的不对称受体促使有机太阳能电池效率达到16.83%

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基于小分子受体(SMAs)的有机太阳能电池(OSCs)在实现高功率转换效率(PCEs)方面显示出巨大的潜力。同时,通过调节能级分布和形貌发展非对称SMAs来改善光伏发电性能也引起了人们的广泛关注。本文在高性能形状记忆合金(Y6)的基础上,用氯原子取代端基上的氟原子,得到了三种不对称形状记忆合金,即SY1(两个F原子和一个Cl原子)、SY2(两个F原子和两个Cl原子)和SY3(三个Cl原子)。合成了Y6(四个F原子)和Y6-4Cl(四个Cl原子)作为控制分子。结果表明,在这5个受体中,SY1分子轨道能级最低,分子堆积最好。因此,基于PM6:SY1的OSCs在开路电压(VOC)为0.871V,填充因子(FF)为0.760的情况下,产生了16.83%的最高PCE,这是五种器件中最好的结果。基于PM6:SY1的器件的最高FF主要归因于最平衡的电荷传输和最佳的形貌。这一贡献为通过不对称分子设计方法进一步改善OSCs的PCEs提供了更深入的理解。

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原文链接:

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202000456

4. Adv. Funct. Mater.:局部Ostwald熟化机理诱导溶解/再生成中国古代硬币形状的VO2纳米板,增强锌离子存储的物质传输能力

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电极与电解质之间界面处的电荷和质量传递对于水性可充电锌离子电池(ZIBs)中的能量转换和存储至关重要。为了解决这些问题,以合理的方式进行合理的设计和制备具有增强物质传递的独特纳米结构仍面临巨大挑战。本文成功制备了高度新颖,圆形且具有新型中国古代硬币结构(厚度约为50 nm,直径约为500 nm,中间有孔)的新纳苏石型二氧化钒(VO2)纳米板。在热液过程中,VO2纳米板经历了有趣的奥斯特瓦尔德(Ostwald)熟化诱导下的溶解-再生过程,从而形成了不寻常的古代中国钱币结构。令人印象深刻的是,基于丰富的电解质接触位点和传递途径的结构优点,可以在已制备的基于VO2纳米板的电极表面增强传质。VO2纳米板进一步为可充电ZIB提供了高可逆的比容量和速率能力。因此,这项工作为设计独特的纳米结构钒氧化物增强水性ZIBs的电化学性能提供了新途径。

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原文链接:

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202000472

5. Adv. Funct. Mater.:高效集成钙钛矿/有机体异质结太阳能电池:减少电荷载流子复合损失的界面能

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钙钛矿/有机整体异质结(BHJ)集成太阳能电池有可能通过在钙钛矿吸收剂顶部简单地一步沉积有机BHJ共混光敏层来提高钙钛矿太阳能电池的效率。发现与仅钙钛矿型器件相比,倒置结构集成太阳能电池由于有机BHJ层的互补吸收显示出明显的短路电流(Jsc)的增加。但是,由于填充因子的损失,Jsc的这种增加并未直接导致设备功率转换效率的增加。在此,研究这种效率损失的根源。发现钙钛矿/有机BHJ界面处存在明显的能量屏障(≈250meV)。该界面阻挡层阻止了光生电荷载流子(空穴)从BHJ层到钙钛矿层的有效传输,导致电荷在钙钛矿/BHJ界面处积累。这种积累引起电荷载流子的不合需要的重组,通过填充因子的损失降低了光敏层的表面光电压和器件效率。本文结果突显了界面能学在此类集成电池中的关键作用,为高性能电池所需的光敏材料(钙钛矿和有机半导体)提供了有用的指导。

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原文链接:

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202001482

6. Adv. Funct. Mater.:无掺杂,非晶态结晶异相SnO2电子传输双层在三重阳离子钙钛矿太阳能电池中实现>20%的效率

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改善电子传输层(ETL)和钙钛矿薄膜之间的欧姆接触和界面形态是提高平面钙钛矿太阳能电池(PSC)效率的关键。在当前工作中,通过低温固溶工艺制备了非晶-结晶异相氧化锡双层(Bi-SnO2)ETL。与非晶态SnO2溶胶-凝胶膜(SG‐SnO2)或结晶SnO2纳米颗粒(NP‐SnO2)相比,异相Bi‐SnO2ETL的表面形态有所改善,氧缺陷明显减少,钙钛矿的能带排列性更好而不牺牲光学透射率。基于Bi‐SnO2ETL的PSC设备(有效面积≈0.09 cm2)无磁滞现象,并实现了约20.39%的出色功率转换效率,这是基于绿色反溶剂上SnO2三重阳离子钙钛矿体系报道的最高效率之一。更具吸引力的是,基于Bi-SnO2 ETL的大面积PSC(有效面积约3.55 cm2)在滞后作用可忽略的情况下也能实现约14.93%的极高效率。研究发现基于Bi-SnO2的PSC器件性能的提高主要来自于改善了欧姆接触并抑制了ETL /钙钛矿界面处的双分子重组。Bi-SnO2的量身定制的形态和能带结构可规模化制造高效无滞后的PSC。

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原文链接:

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202001559

7. ACS Energy Lett.:自调节的氧化还原液流电池:通过调节固有存在的氧化还原穿梭介导提高基于硫族化物的氧化还原液流电池的容量

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本文提出并演示了一种自调节氧化还原液流电池的概念,该电池采用固有的氧化还原穿梭物来接触存储在固体电极材料中的电荷而不会循环固体。可溶物和固有存在的多硫化物促使电池和溶液罐中电子混乱,而没有循环硫/硒颗粒。该策略保证了由固体材料提供的高能量密度,而无需循环固体或使用外部氧化还原介体,直接解决了“半固体”和“靶向氧化还原”方法所面临的最关键问题。完全的电化学反应是通过固有存在的多硫族化物的电化学、互补和歧化反应的组合完成的,而无需循环固体。实现了高的材料利用率(≤99%)和高的容量(1096-1268 Ah L-1阴极液)。

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原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c00611

8. ACS Energy Lett.:没食子酸的颗粒表面保护实现高度稳定的锡基钙钛矿太阳能电池

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维持卤化锡钙钛矿的稳定性是开发无铅钙钛矿太阳能电池(PSC)的主要挑战。在前体溶液中添加额外的SnX2(X = F,Cl,Br)以抑制Sn2+氧化是提高器件效率和稳定性的重要策略。然而,钙钛矿晶粒表面上的SnX2往往会阻止电荷跨过钙钛矿膜。在这里,本文报告了一种将抗氧化剂没食子酸(GA)与SnCl2一起引入来改善锡基PSC的性能的共添加方法。SnCl2-GA复合物不仅可以保护钙钛矿晶粒,而且还可以更有效地在其上传导电子,从而获得高度稳定和高效的PSC。未封装的器件在环境湿度为20%的环境空

中存储1000小时后,可以保持~80%的初始效率,这是迄今为止锡基PSC中可获得的最佳空气稳定性。

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原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c00526

9. Angew.Chem. Int. Ed.:高能水系电池面临的挑战与对策

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水系充电电池对可再生能源的发展变得越来越重要,因为它们有望满足特定应用的成本效益,能源和电力需求。在过去的十年中,已经致力于改善电极材料及其与高浓度水系电解质的组合使用。本文重点介绍了使用此类电解质来构建可有效存储电能的水系电池系统的最新突破性进展,即可提高能量密度,可循环性和安全性。这篇综述旨在及时总结迄今为止提出的克服现有限制使用高浓度电解质的水系电池技术的障碍的策略。重点放在用于锂和非锂化学反应的水系电池上,这归因于高浓度电解质的独特优势,其能量密度可能得到改善。

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原文链接:

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202004433

10. Angew.Chem. Int. Ed.:稳定的超晶格层状氧化物钠离子正极材料

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钠离子电池在大规模储能应用中有很高的需求。尽管作为最普遍的正极,但层状氧化物仍具有明显的不良特性,例如充放电曲线中的多个平台,以及在钠离子插入和提取的重复循环过程中阳离子迁移,这会导致动力学缓慢,容量损失,以及结构恶化。在这里,提出了一种新的策略,即对层状氧化物中过渡金属的有序化进行处理,以显示长时间的充放电平稳期和无阳离子迁移的结构演变。结果表明,采用蜂窝型超晶格的过渡金属有序化可以通过改变晶体应变来调节晶格并抑制阳离子迁移,从而实现大的可逆容量和出色的循环性能,这不是通常使用的普通层状氧化物结构的特征。这些发现可以提供新的见解,可用于改进用于二次离子电池的高性能电极材料的设计。

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原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201907936

11. Joule:石墨基底的混合锂离子/锂金属电池

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本文提出了一种混合负极电池设计,其中包括在石墨顶部的锂金属镀层,与传统的锂离子电池相比,其能量密度提高了20%。在不到15个循环内,混合石墨-锂金属负极与常规电解质的袋式电池的容量就降至80%以下。但是,通过使用双盐电解质和针对锂金属循环进行优化的施加机械压力下,混合电池在经历150个完整循环(100%利用率)之前容量保持率在80%以上,而在石墨上电镀锂金属的库伦效率为99.6%。研究者还发现,具有锂金属混合负极的间歇性循环高能(100%利用率)电池可以分散在数百个常规的仅使用石墨负极的锂离子电池循环中。用这种间歇方案操作电池对石墨容量的影响最小。因此,这些混合电池可以在“锂离子模式”下良好运行,并且周期性的高能量循环会达到锂金属的容量。

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原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435120301720

12. Joule:碲稳定锂沉积无阳极稀电解液锂硫电池

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为了实现可实际应用的锂硫电池,必须稳定锂的沉积并提高循环性能,同时减少过量的锂和电解质。研究者已经发现,将碲(Te)作为正极添加剂引入锂硫电池系统中,可以通过在锂表面上形成富碲化物和富硫化物的固体电解质中间相(SEI)来显着改善锂电镀和剥离的可逆性。在贫电解液条件下,锂存量有限的无负极全电池和大面积锂硫袋式电池,证明了可循环性的显着提高。碲与多硫化物反应生成可溶的聚碲硫化物,其迁移到负极侧并原位形成稳定的硫代碲酸锂和碲化锂作为固态电解质界面组分。锂表面上电解质分解的明显减少也被证明。这项工作证明了碲化物是稳定锂沉积的可行策略,并建立了一个评估框架以在有限的锂和有限的电解质条件下保持电化学性能。

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原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435120301355

13. Nat.Commun.:23Na磁共振成像对钠离子电池中电池化学的操作可视化

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钠离子电池因其成本和可持续性而成为有前途的电池技术。这已引起人们对开发新的钠离子电池和新的分析方法的兴趣,这些方法可以无损直接可视化电池化学。在这里,研究者报告操作1 H和23Na核磁共振波谱和成像实验,以观察在钠金属电池和钠离子全电池配置中硬碳的沉淀和脱硫过程中,电极和电解质中钠的形态和分布。通过23Na核磁共振波谱和成像观察并绘制了硬碳过沉淀后硬碳沉着的演变以及钠枝晶的形成和演化,并通过1H磁共振成像可视化了它们的三维微观结构。研究者还首次观察到,在全电池配置中的首次充电时,硬碳上会形成金属钠。

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原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15938-x



14. Nat.Commun.:超韧性MXene功能化石墨烯片

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柔性还原氧化石墨烯(rGO)片材正被考虑用于便携式电子设备和柔性储能系统中。但是,还原氧化石墨烯薄膜的较差的机械性能和导电性是限制此类设备开发的因素。在这里,研究者使用MXene纳米片通过Ti-O-C共价键合来获得氧化石墨烯薄片,从而获得MrGO片。通过共轭分子(1-氨基py-二琥珀酰亚胺基辛二酸酯,AD)使MrGO片交联。MXene纳米片和AD分子的结合减少了石墨烯片内的空隙并改善了石墨烯片的排列,从而获得了更高的致密性和高韧性。原位拉曼光谱和分子动力学模拟揭示了Ti-O-C共价键,MXene纳米片的滑动和π-π桥接的协同界面相互作用机理。此外,基于超韧的MXene官能化石墨烯片的超级电容器提供了高能量和高功率密度的结合,这对于柔性超级电容器而言是很高的。

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原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15991-6

15. Mater.Today:无锂金属锂电池的电解液设计

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具有最低负电化学势和最高比容量(3860 mAh g-1)的锂金属是锂电池的最终负极选择。然而,对于无锂金属(在循环中所有锂都来自正极,未进行负极预锂化)电极进行大量努力后,报道的最高锂电镀/剥离库仑效率99.5%仍然太低。较低的库伦效率归因于疏锂的铜集流体上的锂电镀/剥离不均匀,以及通过碳酸盐电解质中形成的亲锂有机-无机固体电解质中间相(SEI)引起的锂枝晶生长。在这里,研究者使用锂的铋石墨共混物(Bi-Gr)衬底来代替疏锂的铜集电器,以形成均匀的锂核,并形成富含锂的LiF的SEI而不是有机亲锂的SEI来抑制锂枝晶的生长。分子动力学模拟显示,在四氢呋喃/ 2-甲基四氢呋喃(2.0μMLiPF6-mixTHF)电解质中,2.0 M LiPF6中的阴离子优先还原,从而在镀锂上生成富LiF的SEI。Bi-Gr衬底和2.0µMLiPF6-mixTHF电解质使锂负极在1.0 mAh cm-2的高容量和0.5µmA cm-2的电流下达到了创纪录的99.83%的高库伦效率。铋颗粒用作分散的形核中心,促进均匀的锂沉积,并与基材具有强附着力,从而避免死锂,而即使在3.0mAcm−2的高电流密度和高面积容量3.0 mAh cm-2下,富含锂的LiF的SEI也会促进界面锂的生长并抑制垂直锂枝晶的生长。锂成核和生长的调节使无锂金属负极的LiFePO4全电池能够在大于2.0 mAh cm-2的实际面积容量下实现100个循环。该文章强调了同时进行衬底设计以改善锂成核作用和电解质设计以促进亲锂SEI增长的益处,从而实现了一种有前景且实用的无锂金属锂电池。

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原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702120301061

16. Science: 一种快速合成烧结大块陶瓷的通用方法

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陶瓷因其高的稳定性、机械和化学稳定性而成为广泛应用的重要材料。基于第一性原理方法的计算预测可以成为加速材料发现、开发改进陶瓷的一个有价值的工具。实验证明这种预测的材料特性是必要的。然而,传统的陶瓷烧结工艺由于加工时间长,挥发性元素损失的成分控制差,材料的筛选速度受到限制。为了克服这些限制,研究者们开发了一种在惰性气氛下通过辐射加热制备陶瓷材料的超快速高温烧结(UHS)工艺。他们提供了UHS工艺的几个示例,以证明其潜在的用途和应用,包括在固态电解质,多组分结构和高通量材料筛选方面的进步。

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原文链接:

https://science.sciencemag.org/content/368/6490/521

17. Nat. Commun.: X射线纳米CT辅助锂离子电池电极三维微观结构设计与建模

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电动汽车的行驶里程和快速充电能力在很大程度上取决于锂离子电池(LIBs)的3D微观结构,需要进行大量的基础研究以针对优化特定操作条件下的电极设计。在这篇文章中,研究者们开发了一种使用新型X射线纳米计算机断层扫描(CT)双重扫描叠加技术捕获的完整微观结构的3D模型,该技术可以捕获碳粘合剂域的特征。该文阐明了LIBs性能如何显着地受到微观结构异质性的影响,特别是在高倍率条件下。活性颗粒的细长形状和宽尺寸分布不仅影响锂离子的运输,而且导致颗粒之间以及沿整个厚度方向的电流分布不均匀和锂化不均匀。基于这些见解,研究者们提出并比较了下一代电池电极潜在的分级微结构设计。为了指导电极体系结构的制造,原位X射线CT可以可靠地显示出随着压延步骤的增加而出现的孔隙率和曲折度变化。

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原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15811-x

18. Adv. Funct. Mater.: 钠离子电池聚阴离子型正极材料的工程化:向高能量/功率密度方向发展

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Na/Na+的高氧化还原电势和Na+离子的大半径仍然挑战着高能量/功率密度钠离子电池(SIBs)的发展,因此需要进行进一步的改进,尤其是要增强阴极材料的容量和电压。在各种类型的阴极中,聚阴离子阴极由于其出色的热稳定性,独特的感应效果和灵活的结构而成为最实用的选择。在这篇综述中,对聚阴离子阴极的设计原理和工程策略进行了严格的概述,该概述对开发高能量/功率密度SIB具有重要作用。具体地,讨论了用于更高电压和提高能量密度的比容量的聚阴离子阴极材料的工程。还分析了为提高SIBs的功率密度而发展的形貌控制、结构设计和电极加工方法。最后,提出了该领域还存在的挑战和未来的研究方向。

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原文链接:

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202000473

19. Adv. Funct. Mater.:Ti2Nb10O29上离子掺杂和螺旋阵列架构的协同作用:实现高功率电极的新方法

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改善电极材料的电子/离子传输和结构稳定性对于开发高功率锂离子电池至关重要。尽管钛铌氧化物(Ti2Nb10O29,TNO)作为一种大功率阳极具有巨大的潜力,但由于其电子/离子导电性不理想,其性能仍然不佳。在该项工作中,报道了一种将离子掺杂和螺旋阵列结构相结合以提高TNO高倍率性能的强协同策略。Cr3+掺杂的5-10 nm的TNO纳米颗粒(Cr-TNO)在垂直导电的石墨烯@ TiC-C(VGTC)骨架上紧密生长,形成新型的Cr-TNO @ VGTC螺旋阵列。由于VGTC骨架的约束作用,TNO的独特螺旋生长得以实现。同时,通过密度泛函理论计算和原位同步加速器X射线衍射技术证明,通过Cr3+掺杂,可以实现更开放的TNO晶体结构,具有更快的离子传输路径和增强的结构稳定性。得益于卓越的导电网络,增强了Cr-TNO电子/离子固有电导率和增强了结构稳定性,Cr‐TNO@ vtc阵列显示出卓越的高功率性能,在40℃时的大容量为220 mAh g-1(功率密度≈11kW kg-1)和卓越的耐用性(500次循环后保持91%)。这项工作为构建广泛的大功率电极以快速储能提供了一条新途径。

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原文链接:

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202002665

20. ACS Energy Lett.: 通过磺化聚(离子液体)嵌段共聚物改性电催化剂-离聚物界面,以实现高性能聚合物电解质燃料电池

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制备了仅含磺化聚(离子液体)嵌段共聚物(SPILBCP)离子的0.07 mg Pt cm-2 Pt/Vulcan电催化剂负载的聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)电极,并通过抑制Pt表面氧化实现了约2倍的动力学性能增强。但是,由于离聚物网络连接性差,SPILBCP电极在30%RH时损失了超过70%的电化学活性面积。为了克服这些影响,研究者们开发了由Nafion/SPILBCP离聚物的混合物制成的电极。Nafion/SPILBCP混合电极在动力学和传质受限区域内的MEA性能得到了显着改善。值得注意的是,这是首次发现从MEA确定的比活度值与无Nafion的Pt/Vulcan系统的先前半电池结果相当。这些发现为改善用表面可及的电催化剂制造的MEA的整体性能提供了一种前瞻性策略,为定制局部电催化剂/离聚物界面提供了途径。

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原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c00532

21. ACS Energy Lett.: 高性能钠离子电池O3层状金属氧化物阴极表面相变及化学反应性的控制

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O3层金属氧化物是用于高能Na-离子电池(SIBs)的有希望的阴极材料。但是,它们的容量衰减很快。在这里,研究者们开发了一种用于SIBs的高性能O3-NaNi0.68Mn0.22Co0.10O2阴极,以通过先进的电解质抑制阴极表面岩盐层的形成来实现实际应用。阴极可提供约196 mAh g–1的高比容量,并在1000次循环中显示出大于80%的容量保持率。 NaNi0.68Mn0.22Co0.10O2-具有实际负载(> 2.5 mAh cm-2)和稀薄电解质(∼40μL)的硬碳全电池在450个循环后显示出约82%的容量保持率。还制造了60 mAh单层袋式电池,并显示出稳定的性能。这项工作代表了SIBs开发的重大飞跃,并为开发先进的碱性离子电池层状金属氧化物阴极带来了新的见解。

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原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c00700

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