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年度Joule:2018年5-6期文章汇总(JOULE SPOTLIGHT文章评选)

1、阴阳离子协同嵌入提高容量(南京大学)

传统的摇椅电池,如碱金属离子电池,通过单一类型的阳离子(Li+,Na+,K+)在充电和放电过程中嵌入电极,因此容量受到这些阳离子嵌入能力的严格限制。尽管在研究用于高能摇椅电池的层状金属氧化物方面已经做出了很大努力,但是常规材料的容量也已经达到理论值的极限。近日,南京大学周豪慎和郭少华教授提出了在典型层状正极中阳离子和阴离子的协同嵌入,证明了超出常规正极的理论容量的概念。结果表明,首先阴离子可以可逆地嵌入/脱出到层状结构中,然后进行Na离子脱出/嵌入,这两者都明确地改善了电池容量性能,并为设计钠储存高能正极材料开辟了新的途径。此外,结果表明阴离子参与的电化学过程是一个快速动力学过程,这种机制的可行性可以扩展到各种阴离子。

年度Joule:2018年5-6期文章汇总(JOULE SPOTLIGHT文章评选)

Qi Li, Yu Qiao, Shaohua Guo, Kezhu Jiang, Qinghao Li, Jinpeng Wu, Haoshen Zhou, Both Cationic and Anionic Co-(de)intercalation into a Metal-Oxide Material, Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.03.010

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118301259

 

2、一颗锂离子电池的一生(美国普林斯顿大学

专为电动汽车设计的电池必须能够提供持续,可靠的性能,并且寿命要达到10 – 15年。但商用锂离子电池的密封设计使得探测和理解电池在循环过程中如何变化显得很困难,车辆制造商难以提供准确的诊断。在这项工作中,美国普林斯顿大学Daniel A.Steingart教授使用电化学阻抗谱(EIS)和超声波飞行时间两种互补技术来研究锂离子电池的演变,这使得在循环过程中同时观察电化学和材料性质变化成为可能。这项工作表明,即使在初始循环之后,电池中仍然处于性质快速变化的阶段。这段时间表现为石墨阳极的膨胀增加,这可能是由副反应引起的。这会增加电池内的压力,增加的压力迫使电解质继续浸润锂钴氧化物正极的无活性部分,从而降低电池阻抗。

年度Joule:2018年5-6期文章汇总(JOULE SPOTLIGHT文章评选)

Kevin W.Knehr, Thomas Hodson, Clement Bommier, Greg Davies, Andrew Kim, Daniel A.Steingart, Understanding Full-Cell Evolution and Non-chemical Electrode Crosstalk of Li-Ion Batteries, Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.03.016

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118301314

 

3、高面积能量密度3D锂离子微电池(加州大学洛杉矶分校

三维(3D)微电池是一种新颖的设计方法,用于提高面能量密度,同时保持良好的功率和循环性能。这种架构特别有希望用于小型化设备诸如可穿戴设备,嵌入式传感器和构成物联网(IoT)等的小型设备的移动电源。但将这些电极组装成全3D电池是一项困难的工作。近日,加州大学洛杉矶分校Bruce Dunn教授介绍了一种可扩展的,基于半导体的处理方法,适用于制造全3D电池。使用部分锂化(理论容量的10%)硅作为负电极保持适当地控制体积变化,以便在充电和放电期间保持Si阵列配准。该结构所需的共形电解质是通过在3D硅阵列周围光刻图案化光刻胶来实现的。在3mm×3mm的印迹上制备的可充电3D微电池具有接近2mAh cm-2的面积容量,在高达0.66 mA cm-2的电流密度下工作,并可承受100次循环。基于半导体的处理和可光致图案化电解质的组合为物联网应用的3D微电池的进一步发展带来了巨大希望。

年度Joule:2018年5-6期文章汇总(JOULE SPOTLIGHT文章评选)

Janet I. Hur, Leland C. Smith, BruceDunn, High Areal Energy Density 3D Lithium-Ion Microbatteries, Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.04.002

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118301399

 

4、在-70°C下运行的有机电池(复旦大学)

在低温环境下,可充电电池的电解液冻结且离子导电性不足会严重影响电池的性能。对此,复旦大学夏永姚教授课题组开发了一种乙酸乙酯基电解液,它在-70°C的超低温下具有0.2mS/cm的高离子导电性。基于这种电解液,该课题组分别使用插层化合物和有机聚合物作为电极制造了二次电池。结果表明,由于Li+的溶剂化/去溶剂化过程缓慢,基于插层化合物的LIB仍不能在-70°C下工作。然而,使用有机电极的可充电电池得益于电荷快速动力学的存储特性,可以在-70℃的低温下很好的工作,并且在在室温下保持70%的容量。这些成果为开发低温电池提供了新的方法。 

年度Joule:2018年5-6期文章汇总(JOULE SPOTLIGHT文章评选)

Xiaoli Dong,Zhaowei Guo,Ziyang Guo,Yonggang Wang,Yongyao Xia,Organic Batteries Operated at −70°C,Joule,DOI:10.1016/j.joule.2018.01.017。

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S254243511830045X#!

 

5、探索未曾开发化合物,用作高质量白光二极管荧光粉(加州大学圣地亚哥分校)

磷光体转换发光二极管(pc-WLED)具有高效、环保、耐用性和可靠性等优点。在家用照明中,要求暖白光LED有良好量子效率、耐热猝灭性、高显色指数(CRI)和低相关色温。加州大学圣地亚哥分校的Shyue PingOng教授课题组使用密度泛函理论对未开发的化合物进行结构预测和筛选,发现了Sr2LiAlO4荧光材料。合成的Sr2LiAlO4:Eu2+和Sr2LiAlO4:Ce3+磷光体分别具有宽的绿黄色和蓝色发光范围,且具有优异的耐热淬火性。使用Sr2LiAlO4:Eu2+的pc-WLED 具有优异的显色指数(0CRI> 90)。Sr2LiAlO4在低成本、高色彩质量的WLED中具有很大的工业应用潜力。

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Zhenbin Wang, Jungmin Ha, Yoon Hwa Kim, Won Bin Im, Joanna McKittrick, Shyue PingOng, Mining Unexplored Chemistries for Phosphors for High-Color-Quality White-Light-Emitting Diodes, Joule, DOI:10.1016/j.joule.2018.01.015.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118300436#!

 

6、用于高能安全锂离子电池的混合水/非水电解液(美国马里兰大学)

水性电解液经过不断突破已经能够让水系锂离子电池电压达到3.0V。然而,界面形成的SEI膜仍然不能有效地保证高能量密度负极和正极材料性能稳定发挥。美国马里兰大学王春生教授和许康教授等人将水性和非水性电解质组分混合制备出一种新的电解质(HANE),这种电解质保留了水体系的不可燃性和无毒特性。基于Li4Ti5O12/LiNi0.5Mn1.5O4的3.2V锂离子电池,在循环1000次以上仍能保持165 Wh/kg的高能量密度。

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Fei Wang, Oleg Borodin, Michael S.Ding, Mallory Gobet, Jenel Vatamanu, Xiulin Fan, Tao Gao, Nico Edison, Yujia Liang, Wei Sun, Steve Greenbaum, Kang Xu, Chunsheng Wang, Hybrid Aqueous/Non-aqueous Electrolyte for Safe and High-Energy Li-Ion Batteries, DOI:  10.1016/j.joule.2018.02.011

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118300576#!

 

7、自愈多重网络粘合剂用于硅微粒负极(上海交通大学)

硅材料具有较高的容量,但在循环过程中会有较大的体积变化甚至粉化。为了解决这个问题,上海交通大学王久林教授课题组设计合成了一种水溶性聚合物粘合剂,聚(丙烯酸-聚(丙烯酸2-羟乙酯-共聚多巴胺甲基丙烯酸酯)。它显示出比聚(丙烯酸)更好的润湿性。此外,它的多重网络结构由刚柔结合的链和键组成,并具有特殊的自我修复能力。这不仅能为电极提供足够的机械支撑,而且还可以缓冲由硅微米颗粒体积变化引起的应变,显著提高电极的循环稳定性和倍率性能。

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Zhixin Xu, Jun Yang, Tao Zhang, Yanna Nuli, Jiulin Wang, Shin-ichiHirano, Silicon Microparticle Anodes with Self-Healing Multiple Network Binder, Joule, DOI: 10.1016/j.joule.2018.02.012

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118300813#!

 

8、电池电极中粒子-粘合剂相互作用的原位声学诊断(巴伊兰大学)

几乎所有的复合电极材料在循环过程中都会经历体积变化,从而使电极的循环性能恶化。巴伊兰大学的Mikhael D. Levi教授课题组使用带有耗散监测的电化学石英晶体微量天平(EQCM-D)证明在NaFePO4电极在水系电解液中长期循环期间会发生粘结剂聚合物网络的完全降解。相反,在非质子溶液中,软化的粘合剂容易适应高应变,可使电极保持优异的循环性能。

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Netanel Shpigel, Sergey Sigalov, Mikhael D. Levi, Tyler Mathis, Leonid Daikhin, Alar Janes, Enn Lust, Yury Gogotsi, Doron Aurbach, In Situ Acoustic Diagnostics of Particle-Binder Interactions in Battery Electrodes, Joule, DOI: 10.1016/j.joule.2018.02.014

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118300837#!

 

9、木质素的深度加工用于制备高能量密度燃料(英国帝国理工学院)

受石油资源减少以及环境和政治问题的刺激,可发酵糖生产乙醇逐渐成为生物燃料行业的支柱。目前获得燃料的方法是将木质纤维素生物质转化为可发酵糖,用于生产生物乙醇。从纤维素生物乙醇的低能量密度和高汽油当量单位成本来看,这种策略目前远非最佳。近日,英国帝国理工学院Roberto Rinaldi教授提出了上游——木质素组分催化和下游——深度加工精炼生产脂肪族/芳烃相结合的概念。不再需要外部输入CO2 -浓缩氢气,烃产物可通过蒸馏轻松分离,产品混合物的脂肪族/芳香族特征可以通过微调反应参数来控制。

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Zhengwen Cao, Michael Dierks, Matthew Thomas Clough, Ilton Barros Daltro de Castro, Roberto Rinaldi, A Convergent Approach for a Deep Converting Lignin-First Biorefinery Rendering High-Energy-Density Drop-in Fuels, Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.03.012

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118301272

10、提高太阳能蒸汽发电能效的三维光热结构(阿卜杜拉科技大学

利用太阳能生产清洁水以及处理废水是解决水资源短缺和清洁能源短缺这一全球性挑战的可行解决方案。由光热材料辅助的太阳能蒸汽发生装置是太阳能蒸馏和除水过程的组成部分,用于太阳能蒸汽发生的2D平面光热材料的能量效率已被推到极限,其中漫反射和热辐射导致能量损失的主要原因。本文中,阿卜杜拉科技大学Peng Wang教授介绍了一种3D杯形光热结构,能够回收2D光热材料中的大部分损失的能量,从而打破了2D材料的能量极限。通过有目的地从周围空气中收集热量,进一步改善了3D光热材料的太阳能蒸汽产生率。3D结构在单阳光照射下有接近100%的高能效,在单日照射下暴露时,从环境空气中获得额外的热量,有高达2.04 kg m^-2 h^-1的蒸汽产生率。3D结构具有高热稳定性,在实际应用中具有很大的前景,包括生活污水减量和海水淡化。

年度Joule:2018年5-6期文章汇总(JOULE SPOTLIGHT文章评选)

Yusuf Shi, Renyuan Li, Yong Jin, Sifei Zhuo, Le Shi, Jian Chang, Seunghyun Hong, Kim-Choon Ng, PengWang, Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.03.013

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118301284

 

11、低对称性菱面体GeTe热电材料(同济大学)

通过热电材料可以将热流转换为电荷载流以产生电能。晶体结构对称性是热电材料最基本的晶体参数。高对称性热电材料通常具有高的简并度优点,而低对称性热电材料具有低的晶格热导率优点。如果带简并度的对称性破坏很小,则可以同时具有以上两种优点。同济大学的裴艳中教授课题组在菱面体GeTe合金中证明了这一原理,通过控制晶体结构中的菱形畸变,在600 K时实现了创纪录的优值系数(zT ~2.4)。器件ZT在菱面体相中高达1.3,在整个GeTe合金工作温度范围内高达1.5,使得这种材料成为迄今为止最有效的热电材料。 这项工作为探索低对称材料作为高效热电材料铺平了道路。

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Juan Li, Xinyue Zhang, Zhiwei Chen, Siqi Lin, Wen Li, Jiahong Shen, Ian T. Witting, Alireza Faghaninia, Yue Chen, Anubhav Jain, Lidong Chen, G.Jeffrey Snyder, Yanzhong Pei, Low-Symmetry Rhombohedral GeTe Thermoelectrics, Joule, DOI: 10.1016/j.joule.2018.02.016

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118300850#!

 

12、高效染料敏化太阳能电池(瑞士洛桑联邦理工学院)

近日,瑞士洛桑联邦理工学院的Michael Grätzel教授介绍了新一代染料敏化太阳能电池,它在环境光下功率转换效率(PCE)可达到32%,超过了硅基或GaAs等光伏器件的最佳性能。在充足的阳光下DSC的PCE性能达到13.1%,因此非常适用于环境和阳光直射的电子设备和物联网相关设备。

年度Joule:2018年5-6期文章汇总(JOULE SPOTLIGHT文章评选)

Yiming Cao, Yuhang Liu, Shaik Mohammed Zakeeruddin, Anders Hagfeldt, Michael Grätzel, Direct Contact of Selective Charge Extraction Layers Enables High-Efficiency Molecular Photovoltaics, Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.03.017

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118301326

 

13、单结太阳能电池的能量产出限制(麻省理工学院)

“能量产出”是太阳能电池的关键指标,其重要性超出了传统实验室测量的转换效率。但是,目前还缺少这些指标之间的简单转换。在本文中,麻省理工学院Ian Marius Peters教授罗列了从2015年以来的数据计算的各种太阳能电池的基本能量产量限制,基于具有实验验证的详细平衡模型,提出一个经验关系,允许从实验室测量的效率直接近似任何太阳能电池材料的能量产量。其研究结果发现最大化能量产出的理想带隙为1.35 eV,而且收获效率与Köppen-Geiger气候区相关,这表明在特定气候下获得的结果可以转化为具有相似气候的其他区域。

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Ian Marius Peters, Tonio Buonassisi, Energy Yield Limits for Single-Junction Solar Cells, Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.03.009

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118300989

 

14、混合电热太阳能接收器(麻省理工学院)

光伏发电(PV)和太阳能热系统是太阳能转换的主要方式。但是PV不能利用整个太阳光谱且使用成本高。太阳能热系统整体比PV成本更高。但而二者结合形成的混合系统可将一部分太阳光直接转换为电能,其余部分转换为热能,这种策略可以实现比PV或太阳能热系统更高的效率。麻省理工学院陈刚院士课题组结合了PV和太阳能热系统,制备了一种由透明气凝胶和光谱选择性光管复合的混合电热太阳能(HEATS)接收器,有效地将太阳辐射转换为电能和热能。在理想化模型预测下具有35%的太阳能-电能转换效率。

年度Joule:2018年5-6期文章汇总(JOULE SPOTLIGHT文章评选)

Lee A. Weinstein, Kenneth McEnaney, Elise Strobach, Sungwoo Yang, Bikram Bhatia, Lin Zhao, Yi Huang, James Loomis, Feng Cao, Svetlana V. Boriskina, Zhifeng Ren, Evelyn N. Wang, Gang Chen, A Hybrid Electric and Thermal Solar Receiver, Joule, DOI: 10.1016/j.joule.2018.02.009

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118300552#!

 

15、TiO2可提高铁电PbTiO3晶体的光催化活性(沈阳材料科学国家(联合)实验室)

光催化本质上依赖于光吸收,光生电荷载体的分离和转移,以及表面催化三个步骤的协同作用,但在诱导催化反应之前,电荷载体从铁电光催化剂到合适的助催化剂的有效转移是必不可少的,但通常受它们之间的高的肖特基势垒限制。近日,沈阳材料科学国家(联合)实验室的刘岗研究员通过在PbTiO3的(001)面上选择性的化学外延生长锐钛矿TiO2,可以有效地解决这种限制,并大大提高铁电光催化剂的光催化活性。 

年度Joule:2018年5-6期文章汇总(JOULE SPOTLIGHT文章评选)

Gang Liu, Li Ma, Li Chang Yin, Gedeng Wan, Huaze Zhu, Chao Zhen, Yongqiang Yang, Yan Liang, Jun Tan, Hui-Ming Cheng, Selective Chemical Epitaxial Growth of TiO2 Islands on Ferroelectric PbTiO3 Crystals to Boost Photocatalytic Activity, Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.03.006

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118300953

 

16、显著提高氧气还原速率的高效多相催化剂(美国佐治亚理工学院)

氧还原反应(ORR)是许多化学和能量转化过程中一个重要但过程缓慢的步骤。即使在拥有最前沿技术的燃料电池中,由ORR引起的能量损失仍然较大。在较低的环境温度下,这一情况则更为严重。因此,需要开发低温下对ORR具有高催化活性的低成本催化剂材料。美国佐治亚理工学院刘美林教授课题组制备出由BaCoO3-x(BCO)、PrCoO3-x(PCO)纳米粒子(NPs)和共形PrBa0.8Ca0.2Co2O5+δ(PBCC)薄膜组成的多相催化剂(约30nm厚) 薄膜,大大提高了ORR进行的速率。当催化剂涂层应用于固体氧化物燃料电池(SOFC)中La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3(LSCF)正极时,在600℃条件下,电池的极化电阻从2.57降低到0.312 Ω/cm2。基于密度泛函理论的计算证实,氧分子富集的表面氧空位,在NP上可快速吸附和解离,然后迅速通过PBCC膜。两个具有独特性质的独立相协同组合显著增强了ORR动力学,这不仅对中温SOFC有吸引力,而且对例如合成清洁燃料的电解槽和膜反应器等其他类型的能量转换和存储系统也具有吸引力。

年度Joule:2018年5-6期文章汇总(JOULE SPOTLIGHT文章评选)

Yu Chen, YongMan Choi, Seonyoung Yoo, Yong Ding, Ruiqiang Yan, Kai Pei, Chong Qu, Lei Zhang, Ikwhang Chang, Bote Zhao, Yanxiang Zhang, Huijun Chen, Yan Chen, Chenghao Yang, Bende Gle, Ryan Murphy, Jiang Liu, Meilin Liu, A Highly Efficient Multi-phase Catalyst Dramatically Enhances the Rate of Oxygen Reduction, Joule, DOI: 10.1016/j.joule.2018.02.008

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118300540#!

 

17、室温下红外光驱动的CO2分解(中国科学技术大学)

将H2O作为质子源和电子转移媒介,利用太阳能将CO2分解成碳氢化合物和O2是太阳能转换中最重要的一种。然而,红外光(IR)利用和CO2光还原之间存在不可克服的矛盾,例如CO2分解成CO和O2理论上要求1.35 eV,意味着920 nm以上的IR光不能同时触发两个半反应,所以,迄今为止几乎占50%太阳能的IR仍然不能得到有效利用。为了解决这个问题,中国科学技术大学谢毅院士课题组设计了超薄中频带半导体,以超薄缺氧立方WO3层实现了在单一材料上IR驱动的CO2分解。理论计算表明,所产生的氧空穴达到临界密度,产生中间带,并通过同步辐射价带谱,光致发光谱,紫外-可见-近红外光谱和同步辐射红外反射光谱进行了验证。结果显示超薄氧缺位WO3原子层可利用IR将CO2分解成CO和O2,且即使在3天后仍然保持催化活性。此外,较高的氧空穴浓度有利于CO2吸附和活化成COOH *自由基,保证了CO和O2形成速率。这项工作为设计红外驱动的光催化反应开辟了新的途径,从而大大提高了太阳能利用效率。

年度Joule:2018年5-6期文章汇总(JOULE SPOTLIGHT文章评选)

Liang Liang, Xiaodong Li, Yongfu Sun, Yuanlong Tan, Xingchen Jiao, Huanxin Ju, Zeming Qi, Junfa Zhu, Yi Xie, Infrared Light-Driven CO2 Overall Splitting at Room Temperature, Joule, DOI: 10.1016/j.joule.2018.02.019

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118300886#!

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