能源問題是人類長期面臨的主要挑戰(zhàn)之一。能源材料是當(dāng)前最具有決定性影響的技術(shù)領(lǐng)域之一，開發(fā)新型能源材料、設(shè)計(jì)和制備相關(guān)器件已成為重要材料研究方向。本文匯總了近期儲能材料與器件最新研究進(jìn)展，供廣大科研工作者學(xué)習(xí)參考。

1、Energy Storage Mater.：通過在多孔碳納米線中連接鐵族金屬和氧化錳促進(jìn)柔性鋅-空氣電池的氧電催化

可充電金屬-空氣電池迫切需要一種高活性、高強(qiáng)度的雙功能非貴金屬電催化劑，用于OER和ORR。金屬和金屬化合物之間的工程異質(zhì)界面是制備高性能電催化劑的一個有吸引力的策略。然而，大多數(shù)報道的金屬/金屬化合物異質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是在單金屬基礎(chǔ)上將金屬部分轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的金屬化合物。在此基礎(chǔ)上，同濟(jì)大學(xué)Zuofeng Chen等人提出了一種簡便的“協(xié)調(diào)構(gòu)造-熱分解”策略來構(gòu)建嵌入Co/MnO異質(zhì)界面。采用氮摻雜碳納米線，以氮三乙酸為螯合劑穩(wěn)定不同的金屬離子，構(gòu)建納米線結(jié)構(gòu)。原位生成的Co納米晶體不僅能與MnO形成高導(dǎo)電性的異質(zhì)界面，還能促進(jìn)石墨碳的形成。合成的Co/MnO@NC具有非凡的雙功能氧電催化活性和耐久性，可逆氧過電位僅為0.66 V。密度泛函理論計(jì)算表明，Co/MnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成導(dǎo)致OER和ORR中含氧中間體的吸附能優(yōu)化。作為空氣陰極，ZAB可提供146 mW cm^-2的峰值功率密度和在20 mA cm^-2下400 h/600次循環(huán)的放電/充電穩(wěn)定性。Co/MnO@NC基準(zhǔn)固態(tài)ZAB除了具有良好的電池性能外，還具有卓越的機(jī)械靈活性。該策略可推廣到利用其他鐵族元素制備Fe/MnO@NC和Ni/MnO@NC電催化劑，為開發(fā)高效、堅(jiān)固的能量轉(zhuǎn)換和儲存電催化劑開辟了新的道路。相關(guān)研究以“Boosting oxygen electrocatalysis for flexible zinc-air batteries by interfacing iron group metals and manganese oxide in porous carbon nanowires”為題目，發(fā)表在Energy Storage Mater.上。DOI: 10.1016/j.ensm.2021.08.037

圖1 Co/MnO@NC合成路線示意圖

2、Energy Storage Mater.：亞毫米級范德華單晶MoTe2用于鉀存儲

鉀離子電池(KIBs)是下一代儲能系統(tǒng)的有力候選材料，因?yàn)槠鋪碓簇S富，成本效率高，與鋰電極電位相當(dāng)?shù)哪芰棵芏雀?。然而，開發(fā)實(shí)用的KIBs電極材料仍處于起步階段，對特定材料的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理還很不清楚。MoTe2，由于具有相當(dāng)大的離子插層間距的范德瓦爾斯型材料，其金屬-半金屬特性優(yōu)越的電子導(dǎo)電性被廣泛研究的MoS2，首次作為工作電極進(jìn)行研究。布拉格化學(xué)技術(shù)大學(xué)Bing Wu、 Zdenek Sofer等人結(jié)合電化學(xué)分析、非原位掃描電子顯微鏡(SEM)、非原位透射電子顯微鏡(TEM)和原位X射線衍射分析，闡明了其鉀/脫鉀機(jī)理。亞毫米單晶MoTe2在初始脫鉀時顯示了792.4 mAh cm-3的高容量，在100 mA g-1時保持了210 mAh g-1的比重容量。在電化學(xué)循環(huán)過程中，活性電極材料因不可逆的結(jié)晶開裂和結(jié)構(gòu)演變而失活，25次循環(huán)后迅速衰減。在初始鉀化過程中，2H-MoTe2不可逆地轉(zhuǎn)化為1T-MoTe2，然后進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為碲化鉀。在2.5 V (vs. K/K+)的初始脫鉀過程中，初步形成了具有R-3HCs4Mo18Te20結(jié)構(gòu)的K-Mo-Te化合物，并在隨后的鉀化過程中不可逆地轉(zhuǎn)化為K2Te3。同時，K2Te3 - KTe-K5Te3的逐步可逆轉(zhuǎn)化主導(dǎo)了初始充放電后的連續(xù)電化學(xué)過程。除了鉀離子電池的潛在應(yīng)用外，碲化鉀之間的轉(zhuǎn)換機(jī)制也為未來的碲化鉀電池提供了指導(dǎo)。相關(guān) 研究以“Sub-millimeter Scale Van der Waals Single-crystal MoTe2 for Potassium Storage: Electrochemical Properties, and its Failure and Structure Evolution Mechanisms”為題目，發(fā)表在Energy Storage Mater.上。DOI: 10.1016/j.ensm.2021.09.006

圖2 MoTe2的電化學(xué)性能

3、ACS Energy Lett.：高導(dǎo)電COF@CNT電催化劑促進(jìn)多硫化物對Li-S的轉(zhuǎn)化

共價有機(jī)框架化合物(COFs)在Li - S化學(xué)中的催化作用主要受到弱化學(xué)相互作用和低電導(dǎo)率的阻礙。華東理工大學(xué) Shuhao An、 Dongfang Niu，聯(lián)合北京理工大學(xué)Renjie Chen在碳納米管(CNT)表面上原位制備了一種新型的二酮吡咯(DPP)基碳納米管(COF@CNT)，以揭示其強(qiáng)化學(xué)相互作用和高導(dǎo)電性能的電催化行為。通過引入適量的CNT (66% wt %)，可以最大限度地提高DPP-COF的電催化活性; 密度泛函理論計(jì)算、X射線光電子能譜、傅里葉變換紅外光譜和拉曼光譜分析表明，DPP基團(tuán)可以介導(dǎo)由C=O/C O鍵轉(zhuǎn)換貢獻(xiàn)的多硫化物的轉(zhuǎn)換。因此，在1000次循環(huán)中，改性電池的衰減率為0.042%，在10 mg cm⁻²的含硫和稀電解質(zhì)(E/S =5)。本研究將為COF基電催化混合動力車的合理設(shè)計(jì)提供參考。相關(guān)研究以“A Highly Conductive COF@CNT Electrocatalyst Boosting Polysulfide Conversion for Li-S Chemistry”為題目，發(fā)表在發(fā)表在ACS Energy Lett.上。

圖3 COF@CNTs的理化參數(shù)

4、AFM：有機(jī)配體電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)對氧化納米粒子基電極能量儲存性能的影響

韓國高麗大學(xué)Jinhan Cho等人報道了有機(jī)配體的物理/化學(xué)功能及其分子尺度的涂層在氧化納米粒子基電極上有相當(dāng)大的影響，在本研究中，贗電容性氧化鐵(Fe3O4) NPs使用各種類型的有機(jī)配體(或連接體)與導(dǎo)電銦錫氧化物(ITO) NPs層層(LbL)組裝。特別是聯(lián)氨配體，其分子尺寸極小，化學(xué)還原性強(qiáng)，可以有效地從NP表面去除體積較大的有機(jī)配體，從而減小NPs相鄰配體之間的分離距離。同時，在LbL沉積過程中，聯(lián)氨配體顯著增加了Fe3O4和ITO NPs上的氧空位數(shù)量，與其他體積較大的有機(jī)配體相比，電極的速率能力和電容顯著提高。該方法為開發(fā)和設(shè)計(jì)基于金屬氧化物NPs的各種高性能電化學(xué)電極提供了基礎(chǔ)。相關(guān)研究以 “Charge-Transfer Effects of Organic Ligands on Energy Storage Performance of Oxide Nanoparticle-Based Electrodes”為題目，發(fā)表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202106438

圖4 LbL組裝制備氧化物NP基偽電容器電極的示意圖

5、AM：通用碳復(fù)合材料的構(gòu)造用于高效的能源儲存

碳材料在電化學(xué)儲能與轉(zhuǎn)化的發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。目前，通過一步合成工藝制備形貌可控、尺寸可調(diào)、成分可調(diào)的多功能碳基復(fù)合材料仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。浙江大學(xué)Lingjie Zhang、Jiangping Tu等人報道了一種麥芽糖基膨化炭化技術(shù)，用于大規(guī)模構(gòu)建多尺度碳基復(fù)合材料，例如，碳/金屬氧化物，碳/金屬氮化物，碳/金屬碳化物，碳/金屬硫化物，碳/金屬，金屬/半導(dǎo)體，碳/碳被制備和演示所需的性能。這些精心設(shè)計(jì)的復(fù)合材料具有孔隙率大、多孔結(jié)構(gòu)層次化、導(dǎo)電性高、組分可調(diào)、比例可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。麥芽糖的膨化炭化以及麥芽糖與前驅(qū)體之間的原位碳熱反應(yīng)是其形成機(jī)理。以多層多孔交聯(lián)膨化碳(CPC)為基體，原位注入Li2S，驗(yàn)證其在鋰硫電池中的應(yīng)用。與同類陰極相比，該陰極具有更高的倍率容量(在2 C下為621 mAh g-1)、更小的極化和更強(qiáng)的長周期電化學(xué)性能。該研究為構(gòu)建多功能組分可調(diào)碳復(fù)合材料提供了一條通用的途徑。相關(guān)研究以“A Powerful One-Step Puffing Carbonization Method for Construction of Versatile Carbon Composites with High-Efficiency Energy Storage”為題目，發(fā)表在AM上。DOI: 10.1002/adma.202102796

圖5 CPC的原理圖制作工藝、麥芽糖的碳化過程及CPC綜合示意圖

6、EEM：生物質(zhì)均質(zhì)增強(qiáng)碳?xì)饽z衍生功能相變材料用于太陽能熱能轉(zhuǎn)換和存儲

桂林電子科技大學(xué)Yongpeng Xia、張煥芝、孫立賢等人設(shè)計(jì)了一種功能穩(wěn)定的復(fù)合相變材料(PCMs)實(shí)現(xiàn)三維(3D)互連多孔碳?xì)饽z結(jié)構(gòu)，用于封裝聚乙二醇(PEG)。通過將來自生物質(zhì)瓜爾膠的柔性碳資源與來自聚酰亞胺的硬脆碳相結(jié)合，構(gòu)建了一種具有良好互連多孔結(jié)構(gòu)的新型均質(zhì)增強(qiáng)碳?xì)饽z，以克服傳統(tǒng)碳?xì)饽z的嚴(yán)重收縮和較差的機(jī)械性能。結(jié)果表明:復(fù)合材料相變材料具有良好的三維相互連接結(jié)構(gòu)，儲能容量分別為171.5 J/g和169.5 J/g, 100次熱循環(huán)后儲能容量變化不大，復(fù)合材料能在50.0 oC-58.1 oC的平衡溫度下保持約760.3 s。復(fù)合材料的熱導(dǎo)率可達(dá)0.62 W m-1 K-1，有效提高了熱響應(yīng)速率。該復(fù)合材料具有良好的防漏性能和優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能。復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度PCMs可提高到1.602 MPa。結(jié)果表明，該策略可以有效地用于開發(fā)具有改進(jìn)的綜合熱性能和高光熱轉(zhuǎn)換的新型復(fù)合相變材料。相關(guān)研究以“Biomass Homogeneity Reinforced Carbon Aerogels Derived Functional Phase-Change Materials for Solar-Thermal Energy Conversion and Storage”為題目，發(fā)表在EEM上。DOI: 10.1002/EEM2.12264

圖6  CA-PI@GG和復(fù)合PCMs形成過程示意圖及表征

7、EEM：鍺-碳二炔：三維sp雜化碳基材料用于超高Li存儲

碳炔由于存在大量的sp雜化碳原子而具有各種優(yōu)異的性能。中科院青島生物能源與過程技術(shù)研究所Changshui Huang等人研究了一種由鍺原子橋接而成的sp雜化碳原子組成的三維結(jié)構(gòu)良好的多孔碳材料鍺-卡二炔(Ge-CDY)。由線性丁二烯鍵和sp3雜化鍺原子構(gòu)成的獨(dú)特的類金剛石結(jié)構(gòu)保證了Ge- CDY的穩(wěn)定性。sp-C組成的共軛炔烴鍵的較大比例保證了Ge-CDY具有良好的電導(dǎo)率和較低的帶隙，這在實(shí)驗(yàn)和理論上得到了進(jìn)一步證實(shí)，使Ge-CDY具有了電化學(xué)應(yīng)用的潛力。Ge-CDY提供了豐富均勻的納米孔，適合金屬離子的存儲和擴(kuò)散。進(jìn)一步的半電池評價也表明Ge-CDY在鋰存儲方面表現(xiàn)出了出色的性能。這些都表明sp雜化碳基材料在能源、電子等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，具有優(yōu)異的性能。相關(guān)研究以“Germanium-Carbdiyne: 3D Well-Defined sp-Hybridized Carbon Based Material with Superhigh Li Storage Property”為題目，發(fā)表在EEM上。DOI: 10.1002/eem2.12269

圖7 Ge-CDY的制備及物理形態(tài)示意圖

8、ACS Nano：高溫下儲能材料的能量儲存的運(yùn)輸和耐用性

溫度是一個狀態(tài)變量，對儲能材料的熱力學(xué)、動力學(xué)性能和性能退化有重要影響。在這一視角下，韓國成均館大學(xué)Ho Seok Park等人闡述了超級電容器在溫度升高時的儲能性能和傳輸現(xiàn)象的最新進(jìn)展（> 100°C）。電極包括還原氧化石墨烯薄膜、泡沫和導(dǎo)電金屬有機(jī)框架;電解質(zhì)包括磷酸摻雜的聚苯并咪唑和雙網(wǎng)絡(luò)離子凝膠。電極和電解質(zhì)的電化學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能與儲能性能和高溫降解有關(guān)。研究還討論了聚合物電解質(zhì)的離子傳輸?shù)幕纠斫夂图{米尺度限制的快速移動質(zhì)子在高溫下的出現(xiàn)。相關(guān)研究以“Transport and Durability of Energy Storage Materials Operating at High Temperatures”為題目，發(fā)表在ACS Nano上。DOI: 10.1021/acsnano.0c04402

圖8 為提高高溫工作超級電容器(SCs)的性能和耐久性，電極和電解質(zhì)材料及其接口的概念設(shè)計(jì)