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年度Joule:2018年1-2期文章汇总

1、电池电极中引入狭缝来防止热失控(美国橡树岭国家实验室)

汽车事故等事件可能导致车用锂离子电池(LIB)完全失效。美国橡树岭国家实验室Srdjan Simunovic和Nacy J. Dudney教授在锂离子电池设计中引入的独特安全机制——电极中引入狭缝。当碰撞发生后,“切开的”电极和集流体将在隔膜刺穿前与受冲撞电极部分电隔离。通过限制流过内部短路的电流来减轻机械冲击事件的影响,从而防止热失控。具有这种“切口”电极的电池具有显着的机械变形性,在机械冲击后仍正常工作,且电池的开路电压没有任何变化。值得注意的是,撞击后,改进的电池可逆容量约为测试前的93%,而未经这种处理的电池不再政策工作。新设计在电极中引入狭缝,对电池成本增加较少且不需要对卷绕生产进行重大改进。

年度Joule:2018年1-2期文章汇总

Michael Naguib, Srikanth Allu, Srdjan Simunovic, Jianlin Li, Hsin Wang, Nancy J. Dudney, Limiting Internal Short-Circuit Damage by Electrode Partition for Impact-Tolerant Li-Ion Batteries, Joule, DOI:10.1016/j.joule.2017.11.003

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(17)30147-2#%20

 

2、不同容量和高电流密度下锂金属负极的反应状态(美国西北太平洋国家实验室)

锂金属电池(LMBs)在能源储存领域引起了广泛关注。尽管已经进行了对Li金属负极的低-中等容量利用的研究,但在实际的电池系统中是不合适的。美国西北太平洋国家实验室张继光博士,许武博士等人通过将Li容量利用率和充电电流密度控制到实际水平来研究Li金属负极在液体电解质中的衰退和Li金属电池的长循环稳定性,首次揭示金属Li负极表面上的衰退层的厚度与Li面积容量利用率(高达4.0mAh/cm2,实际LMB系统中)呈线性关系。每个循环中Li容量利用率的增加会引起Li负极上的衰退层形态和组成的变化。在高Li容量利用率下,充电电流密度(即Li沉积过程)是控制Li金属负极腐蚀的关键因素。这些基本发现为可充电LMB的发展提供了新的视角,并为下一代锂金属电池的设计提供了实用指导。

年度Joule:2018年1-2期文章汇总

Shuhong Jiao, Jianming Zheng, Qiuyan Li, Xing Li, Mark H. Engelhard, Ruiguo Cao, Ji-Guang Zhang, Wu Xu, Behavior of Lithium Metal Anodes under Various Capacity Utilization and High Current Density in Lithium Metal Batteries, Joule, DOI:10.1016/j.joule.2017.10.007

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(17)30131-9

 

3、Na层状氧化物正极结构诱导的可逆阴离子氧化还原活性(中国科学院物理所)

氧阴离子参与的氧化还原反应(ARR)已被认为是提高用于锂离子或钠离子电池层状氧化物正极充电-放电容量的有效方式。ARR的详细机理,特别是材料晶体结构如何影响和配合ARR,目前尚未得到很好的解释。中国科学院物理研究所胡勇胜研究员等人对纯ARR的原型P3型层状Na0.6[Li0.2Mn0.8]O2进行了X射线和中子总散射测量以研究其结构。其独特的结构特征使得Na0.6[Li0.2Mn0.8]O2的晶体结构与ARR可共同稳定存在。这项工作表明可逆ARR可以通过适当的结构设计进行操纵,从而在层状氧化物正极中实现高锂或钠存储性能。

年度Joule:2018年1-2期文章汇总

Xiaohui Rong, Jue Liu, Enyuan Hu, Yijin Liu, Yi Wang, Jinpeng Wu, Xiqian Yu, Xiqian Yu, Katharine Page,Yong-Sheng Hu, Wanli Yang, Hong Li, Xiao-Qing Yang, Liquan Chen, Xuejie Huang, Structure-Induced Reversible Anionic Redox Activity in Na Layered Oxide Cathode, Joule, DOI:10.1016/j.joule.2017.10.008.

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(17)30132-0

 

4、摺皱石墨烯球促使锂金属负极无枝晶化(天津大学、美国西北大学)

天津大学罗加严教授和美国西北大学黄嘉兴教授课题组通过气溶胶辅助的毛细管压缩方法制备出摺皱的石墨烯球。弄皱的石墨烯球不会聚集,可以容易地形成紧密堆积的连续固体,具有高度均匀的厚度和孔径分布;具有亲锂离子特性,可以保证快速的锂离子扩散。基于以上优点,该金属锂负极在沉积容量高达10mAh/cm2的情况下,仍然可以有效地缓解循环过程中巨大的体积波动。该电极在循环超过750圈(1500多小时)后,库伦效率仍然可以达到97.5%。即使金属锂沉积量达到12mAh/cm2,仍然没有明显的枝晶产生。

年度Joule:2018年1-2期文章汇总

Shan Liu, Aoxuan Wang, Qianqian Li, Jinsong Wu, Kevin Chiou, Jiaxing Huang, Jiayan Luo, Crumpled Graphene Balls Stabilized Dendrite-free Lithium Metal Anodes, Joule, DOI:10.1016/j.joule.2017.11.004

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(17)30148-4

 

5、改性隔膜助力高能量密度锂硫电池研发(厦门大学)

厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院方晓亮副教授和化学化工学院郑南峰教授课题组合作设计了一种内包石墨烯的氮掺杂二维多孔碳纳米片(G@PC)和商业聚丙烯隔膜(PP)复合而成的功能化隔膜(G@PC/PP)。通过简便的抽滤或涂覆工艺,G@PC可以在PP隔膜上形成一层重量和厚度分别仅为0.075mg/cm2和0.9μm的多硫阻挡层。所制备的G@PC/PP功能化隔膜配合使用商业碳材料(炭黑或碳纳米管)作为载硫材料即可构建高性能Li-S电池。使用G@PC/PP功能化隔膜后,采用浆料涂布法制备的炭黑/硫复合物(CB/S)为正极(电极硫百分含量64wt%,硫负载量3.5mg/cm2)的Li-S电池在5C(1C=1675mA/g)高倍率下充放电的可逆容量高达688mAh/g,在1C倍率下循环500次后能保持754mAh/g的高比容量,容量保持率高达88.6%;采用具有自支撑结构的碳纳米管/硫(CNT/S)复合物为正极(电极硫百分含量70wt%,硫负载量12.0mg/cm2)的Li-S电池在0.2C循环100圈后仍保持12.1mAh/cm2的高面积容量。该工作所提出的“设计轻质量、高性能的功能化隔膜来提升由商业碳材料制备的Li-S电池性能”这一策略为推动Li-S电池的研发提供了新思路。

年度Joule:2018年1-2期文章汇总

Fei Pei, Lele Lin, Ang Fu, Shiguang Mo, Daohui Ou, Xiaoliang Fang, Nanfeng Zheng, Entrapping Polysulfide by a Two-Dimensional Porous Carbon Modified Separator for High-Energy-Density Li-S Batteries, Joule, DOI:10.1016/j.joule.2017.12.003

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(17)30190-3

6、酸性乳清变废为宝(美国康奈尔大学)

废液可以作为可再生原料来生产生物燃料和化学品。酸性乳清是一种典型的废液(可以称为废物流,工业化废弃物流体),是由希腊酸奶行业大量产生。目前,这种乳清和其他废液已通过厌氧分解池成功地转化成甲烷气体。然而,甲烷的收入相对较低。本文介绍的这项工作即将有可能改变这一状况。美国康奈尔大学的Largus T.Angenent等人将酸性乳清转化为了有价值的中链羧酸(MCCAs),如N-己酸(正己酸)和N-辛酸(正辛酸),而不添加外部电子受体。MCACS可以是生物燃料或化学品的前体,也可以用作绿色抗菌剂或家畜饲料添加剂。由于生物链的延长,油状的MCCAS可以在相对较低的能耗情况下被提取出来。

年度Joule:2018年1-2期文章汇总

Jiajie Xu, Jiuxiao Hao, Juan J.L. Guzman, Catherine M. Spirito, Lauren A. Harroff, Largus T. Angenent, Temperature-Phased Conversion of Acid Whey Waste Into Medium-Chain Carboxylic Acids via Lactic Acid: No External e-Donor, Joule, doi.org/10.1016/j.joule.2017.11.008

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435117301794

7、甲烷直接非氧化转化策略评估(威斯康星大学麦迪逊分校)

天然气转化为化学品是一种利用丰富资源,同时实现能源安全和减少污染物排放的有希望的手段。然而,甲烷直接转化为烯烃仍处于基础研究水平,尚不清楚这些技术在开发商业过程中必须改进的程度和程度。为实现这一目标,威斯康星大学麦迪逊分校Christos T. Maravelias教授课题组开发了一个简单而灵活的框架对各种过程备选方案进行系统评估,并确定关键技术差距。作者首先研究了将甲烷直接转化为烯烃和高级烃的单步骤天然气转化技术。随后利用工艺合成和建模来评估甲烷直接非氧化性转化策略的经济可行性。分析结果表明,经济上可行的直接甲烷转化过程取决于催化转化领域的基础研究进展,以增加甲烷向烃类产物的转化(例如,焦炭形成低于20%,最低转化为25%的产物)。在此基础上,可以进一步努力提高乙烯选择性以及降低催化剂成本和总体资本成本。

年度Joule:2018年1-2期文章汇总

Kefeng Huang, James B. Miller, George W. Huber, James A. Dumesic, Christos T. Maravelias, A General Framework for the Evaluation of Direct Nonoxidative Methane Conversion Strategies, Joule, DOI:10.1016/j.joule.2018.01.001

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30001-1#%20

8相边界映射获得n型Mg3Sb2基热电材料(美国加州理工学院)

Zintl化合物具有优异的热电性能,理论计算表明n型具有优异性能,然而大多数Zintl化合物是持久p型。但高性能的n型Zintl热电材料一直未得到发展,直到2016年才有n型Mg3Sb2的相关研究报道,其表现出比现有最好的p型Zintl材料更高的热电性能。n型材料的获得需要过量的Mg,而具体的产生原因却一直存在争议。美国加州理工学院G. Jeffrey Snyder教授课题组从理论和实验上探讨了Mg3Sb2的缺陷化学,以解释为什么Mg3Sb2有两种不同的热力学状态(Mg过量和Sb过量)以及为什么只有一种可以变成n型。并强调了探索单相半导体中所有多种热力学状态的重要性。对于同名化合物存在多个固有明显不同的热力学状态的理解将大大增加新型复合半导体的数量,并将有望用于高zT热电或其他应用。

年度Joule:2018年1-2期文章汇总

Saneyuki Ohno, Kazuki Imasato, Shashwat Anand, Hiromasa Tamaki, Stephen Dongmin Kang, Prashun Gorai, Hiroki K. Sato, Eric S. Toberer, Tsutomu Kanno, G. Jeffrey Snyder, Phase Boundary Mapping to Obtain n-type Mg3Sb2-Based Thermoelectrics, Joule, DOI:10.1016/j.joule.2017.11.005

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(17)30176-9#%20

 

9、三维超疏水纳米线网络增强冷凝传热(美国科罗拉多大学)

冷凝是一个基本的相变过程。它对于发电、水处理/脱盐、环境控制和电子设备的热管理都是至关重要。最近研究发现,在超疏水表面上自发的液滴跳跃有可能通过加速液滴的去除来增强冷凝传热。(冷凝传热,是指蒸气与温度低于其饱和温度的壁面接触时,将潜热传给壁面而自身冷凝的一种对流传热过程。)然而在这样的表面上,不受控制的成核会导致在高热通量条件下形成大针状液滴,这大大降低了冷凝传热性能。在本文的工作中,美国科罗拉多大学杨荣贵教授等人在具有高过冷度(高达28 K)的3D超疏水纳米线网络上实现了稳定、有效的跳跃液滴缩合。与最前沿的疏水表面相比,这种材料热通量比其高出一倍。3D纳米线网络的显著斥水性可以广泛应用于集水和相变热转移。

年度Joule:2018年1-2期文章汇总

Rongfu Wen, Shanshan Xu, Xuehu Ma, Yung-Cheng Lee, Ronggui Yang, Three-Dimensional Superhydrophobic Nanowire Networks for Enhancing Condensation Heat Transfer, Joule, DOI: 10.1016/j.joule.2017.11.010

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435117301812

 

10、光致酸-染料敏化双极离子交换膜将可见光转换为离子能——用于海水淡化(美国加利福尼亚大学)

     美国加利福尼亚大学Shane Ardo教授团队将相同的光酸染料分子进行功能化,制备出一种双极性离子交换膜结构,以防止大部分离子交换。这种稳定的双相膜系统,将可见光转化为净离子能,产生的光电压大约是传统染料改性的单极电解质阳离子交换膜60倍,内建电位也增加约10倍,并且光电流幅度减少约20倍。该研究有希望将太阳能直接用于海水淡化。

年度Joule:2018年1-2期文章汇总

William White, Christopher D. Sanborn, David M. Fabian, Shane Ardo, Conversion of Visible Light into Ionic Power Using Photoacid-Dye-Sensitized Bipolar Ion-Exchange Membranes, Joule, DOI:10.1016/j.joule.2017.10.015

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(17)30139-3

 

11、全交联电荷传输层助力高效稳定钙钛矿电池(美国华盛顿大学)

尽管钙钛矿太阳能电池(PVSC)具有高功率转换效率(PCE),但在光应力和热应力下的潮湿环境中保持循环长期稳定性仍面临严重的问题。为了解决这一问题,华盛顿大学Alex K.-Y. Jen教授课题组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提升PVSC的光,水分和热稳定性。通过适当的掺杂可增加其电子传输性能,从而获得18.21%的高PCE,且具有可观的水分和热稳定性而无需封装。此外,该c-HATNA ETL可与另一种可交联空穴传输层c-TCTA-BVP结合使用,构建全交联电荷传输层(CTL),并在刚性和柔性基底上分别实现16.08%和13.42%的PCE。更重要的是,具有全交联CTL的装置在周围环境中显示出优异的热稳定性:在70℃下加热300小时后,其PCE为初始的70%。该工作验证了结合容易交联的电荷传输层可以提高太阳能电池的效率、环境和热稳定性,从而有利于大规模器件制造。

年度Joule:2018年1-2期文章汇总

Zonglong Zhu, Dongbing Zhao, Chu-Chen Chueh, Xueliang Shi, Zhongan Li, Alex K.-Y. Jen, Highly Efficient and Stable Perovskite Solar Cells Enabled by All-Crosslinked Charge-Transporting Layers, Joule, DOI:10.1016/j.joule.2017.11.006

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(17)30177-0#%20

12、高性能钙钛矿太阳能电池电位分布的控制(上海交通大学、日本国立物质材料研究机构)

钙钛矿太阳能电池(PSCs)是最有前途的低成本光伏技术,其功率转换效率在几年内得到迅速增长。单结太阳能电池转换效率已经接近限制Shockley极限,目前主要的挑战之一在于研究者缺乏对工作装置(太阳能电池)基本原理的更深层次的理解。非常重要的是,要搞清楚PSCs内的电场分布,以便更深入地了解能量损失机制。在此,上海交通大学杨旭东教授和日本国立物质材料研究机构(NIMS)Liyuan Han等人通过改变钙钛矿薄膜中的掺杂浓度,提出了一种控制平面结PSC中半导体结位置和电荷复合的方法。不受欢迎的电荷重组在很大程度上被抑制了,这使得平面PSCs具有更好的理想因子和更高的效率。

年度Joule:2018年1-2期文章汇总

Molang Cai, Nobuyuki Ishida, Xing Li, Xudong Yang, Takeshi Noda, Yongzhen Wu, Fengxian Xie, Hiroyoshi Naito, Daisuke Fujita and Liyuan Han, Control of Electrical Potential Distribution for High-Performance Perovskite Solar Cells, Joule, DOI: 10.1016/j.joule.2017.11.015

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435117301861

 

13、利用卫星全局预测光伏电站性能差异(麻省理工学院)

预测光伏发电(PV)面板产生多少能量对于规划光伏项目至关重要。能量产出量计算需要考虑局部气候,因为不同的PV技术对水蒸气或温度的反应情况不同。在这项工作中,麻省理工学院Ian MariusPeters等人使用开源卫星数据预测了太阳能电池在地球上不同地区的性能差异。他们发现在热带地区,更宽的带隙CdTe可产生高达6%能量转换效率。例外作者还考虑了新兴的光伏材料,包括卤化铅钙钛矿和III-V薄膜,并证明更宽的带隙材料通常在湿热环境中具有性能优势。

年度Joule:2018年1-2期文章汇总

Ian Marius Peters, Haohui Liu, Thomas Reindl, Tonio Buonassisi, Global Prediction of Photovoltaic Field Performance Differences Using Open-Source Satellite Data, Joule, DOI: 10.1016/j.joule.2017.11.012

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435117301836

14、中空尖晶石结构多孔氧化物用于持久高效的氧还原催化剂(北京邮电大学、美国德克萨斯大学奥斯汀分校、佐治亚理工学院)

北京邮电大学雷鸣教授、美国德克萨斯大学奥斯汀分校李玉涛博士和佐治亚理工学院林志群教授研究团队采用两步反应法成功合成了一系列中空尖晶石结构多孔ZnMnxCo2–xO4微球,其比表面积大、与电解液接触面积大,从而表现出了优异的ORR性能。相比于其他组分,中空结构ZnMnCoO4(x = 1)微球作为ORR催化剂具有较高的起始电位(1.00V)、与商用Pt/C催化剂相近的半波电位(仅比Pt/C催化剂低50mV)以及在碱性溶液中优异的持久性和稳定性。尖晶石结构四面体间隙A位上较强的Zn2+-O键以及八面体间隙B位上Mn3+较大的离子半径降低了Co3+-OH的键合强度,同时使得ZnMnCoO4中Co3+的3d电子由Co3O4中的低自旋状态变为高自旋和低自旋混合态,从而加速了O2-/OH的位移。

年度Joule:2018年1-2期文章汇总

Hao Wang, Ruiping Liu, Yutao Li, Xujie Lü, Qi Wang, Shiqiang Zhao, Kunjie Yuan, Zhiming Cui, Xiang Li, Sen Xin, Ru Zhang, Ming Lei, Zhiqun Lin, Durable and Efficient Hollow Porous Oxide Spinel Microspheres for Oxygen Reduction, Joule, DOI:10.1016/j.joule.2017.11.016

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(17)30187-3

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