智慧之光!Advanced系列能源转换与存储类封面大赏(8月第1期)

低温锂金属电池

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中科院金属所李峰研究员、孙振华研究员等报道了一种通过调控Li+离子-溶剂偶极相互作用力提升锂金属电池在低温下储电性能的策略。他们发现将碳酸乙烯酯(EC)分子中的氢原子以氟原子部分取代形成单氟代乙烯酯(FEC)或双氟代乙烯酯(DFEC)后,Li+与溶剂分子间的离子-溶剂偶极相互作用力减弱,便于Li+在嵌入层状电极前去溶剂化,从而加速电池储能过程。这种加速作用会随氟代程度升高而提升。例如,-20 °C时,Li+在DFEC中的去溶剂化过程就比在EC中快近6倍。
加速去溶剂化有利于提升电池在低温下的电容量保持率。采用DFEC电解液的 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2||锂金属电池在-20 °C充放电300次后可保持91%的初始电容量。而EC对照组在相同条件下几乎损失全部电容量。
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寒风凛冽中,一辆电动汽车疾驰而过。这辆车的电池能在低温下工作的奥秘在于其电解液:剔透的氟代碳酸乙烯酯溶剂与Li+作用力弱,便于Li+脱去,从而快速前行供给汽车电池运行。画面中可见一些已脱去Li+的电解液液滴。

热电材料

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日本国立材料研究所(National Institute for Materials Science)团队研究了Ti或Zr掺杂对SnTe半导体热电性能的影响。这两种过渡金属掺杂后,SnTe的品质因子(zT)及热电转换效率在中低温范围内(高温热源温度<723 K)均有所提升。例如,未掺杂的SnTe在中低温范围内zT很难超过0.5,而本文报道的掺杂SnTe的zT已接近0.7。

作者们对观察到的性能提升进行了细致而全面的表征,认为原因包括三点:1)掺杂平衡了载流子有效质量、浓度和迁移率;2)掺杂使材料磁熵(magnetic entropy)增大,增大了载流子有效质量;3)最主要的因素是掺杂使构成晶格的原子间化学键减弱,“软化”了晶体。
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这是一幅传统的利用温差产电的热电装置示意图。下端为热源,上端为冷源,中间为热电元件阵列。热电材料利用上下温差对外输电(闪电示)。

太阳能电池

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沙特阿卜杜拉国王科技大学(King Abdullah University of Science & Technology)研究团队指出有机太阳能电池受体分子的四极矩(quadrupole moment)对非富勒烯太阳能电池中电荷传递有影响。他们首先合成了两种受体分子。其一是以罗丹宁为端基的IDT(indacenodithiophene)分子。第二种主体也是IDT,但端基变为二氰乙烯基。给体分子均为PCE10聚合物。由于氰基强烈吸电子,第二种受体的四极矩更大。
通过测试、对比二者在光照下电荷传递行为与相应太阳能电池的性能,作者们发现受体的四极矩越大,电池开路电压(Voc)越小,激子非辐射结合概率越大。这是因为四极矩降低了电荷转移态的能量。
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漂浮的蓝色分子骨架为受体分子,红色条带应为PCE10给体分子。图像清晰地展示了二者间发生的一次电荷传递瞬间,这是论文研究的核心过程。仔细看背景还能发现若隐若现的受体分子的结构式。

钙钛矿太阳能电池材料

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韩国高丽大学(Korea University)Jun Hong Noh教授课题组联合韩国成均馆大学(Sungkyunkwan University)Hyun Suk Jung教授课题组,成功解决了钙钛矿p-i-n太阳能电池空穴传输层的制备难题。在钙钛矿p-i-n太阳能电池中,空穴传输层需附着在钙钛矿层上导出光生空穴。但传统的溶液涂布制备法会因使用极性溶剂而部分损坏下方的钙钛矿材料。使用非极性溶剂虽能保护钙钛矿材料,但空穴传输层难以涂布均匀。

针对这一问题,研究者们开发了一种利用混合溶剂沉积空穴传输层的方法。他们先用水热法合成了表面具有油胺配体的NiO纳米颗粒。表面配体能防止NiO纳米颗粒团聚。然后将制好的NiO颗粒分散至等体积混合的1-丁醇和氯仿溶剂中。这种混合溶剂不仅能防止NiO局部不规则聚集,形成均匀空穴传输层,还能避免破坏钙钛矿层。溶剂的选取依据了Hansen溶解度参数理论。
所合成的钙钛矿太阳能电池在85 °C、10%相对湿度环境中放置10天后,光电转换效率的保持率高达98%。
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封面将本工作报道的空穴传输层制备过程类比为洗车。门外等待的是表面带有油胺配体的NiO颗粒。这些颗粒经黄色毛刷去掉表面配体,再经喷淋分散至混合溶剂中,最后规整排列成膜,覆盖在钙钛矿材料表面。

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