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智慧之光!Advanced系列能源轉換與存儲類封面大賞(8月第1期)

解說頭版文章
品味智慧之光
縱使攬勝四方

我自封面大賞

——編語

低溫鋰金屬電池

智慧之光!Advanced系列能源轉換與存儲類封面大賞(8月第1期)

中科院金屬所李峰研究員、孫振華研究員等報道了一種通過調控Li+離子-溶劑偶極相互作用力提升鋰金屬電池在低溫下儲電性能的策略。他們發(fā)現(xiàn)將碳酸乙烯酯(EC)分子中的氫原子以氟原子部分取代形成單氟代乙烯酯(FEC)或雙氟代乙烯酯(DFEC)后,Li+與溶劑分子間的離子-溶劑偶極相互作用力減弱,便于Li+在嵌入層狀電極前去溶劑化,從而加速電池儲能過程。這種加速作用會隨氟代程度升高而提升。例如,-20 °C時,Li+在DFEC中的去溶劑化過程就比在EC中快近6倍。
加速去溶劑化有利于提升電池在低溫下的電容量保持率。采用DFEC電解液的 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2||鋰金屬電池在-20 °C充放電300次后可保持91%的初始電容量。而EC對照組在相同條件下幾乎損失全部電容量。
智慧之光!Advanced系列能源轉換與存儲類封面大賞(8月第1期)
寒風凜冽中,一輛電動汽車疾馳而過。這輛車的電池能在低溫下工作的奧秘在于其電解液:剔透的氟代碳酸乙烯酯溶劑與Li+作用力弱,便于Li+脫去,從而快速前行供給汽車電池運行。畫面中可見一些已脫去Li+的電解液液滴。

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熱電材料

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日本國立材料研究所(National Institute for Materials Science)團隊研究了Ti或Zr摻雜對SnTe半導體熱電性能的影響。這兩種過渡金屬摻雜后,SnTe的品質因子(zT)及熱電轉換效率在中低溫范圍內(高溫熱源溫度<723 K)均有所提升。例如,未摻雜的SnTe在中低溫范圍內zT很難超過0.5,而本文報道的摻雜SnTe的zT已接近0.7。

作者們對觀察到的性能提升進行了細致而全面的表征,認為原因包括三點:1)摻雜平衡了載流子有效質量、濃度和遷移率;2)摻雜使材料磁熵(magnetic entropy)增大,增大了載流子有效質量;3)最主要的因素是摻雜使構成晶格的原子間化學鍵減弱,“軟化”了晶體。
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這是一幅傳統(tǒng)的利用溫差產(chǎn)電的熱電裝置示意圖。下端為熱源,上端為冷源,中間為熱電元件陣列。熱電材料利用上下溫差對外輸電(閃電示)。

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太陽能電池

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沙特阿卜杜拉國王科技大學(King Abdullah University of Science & Technology)研究團隊指出有機太陽能電池受體分子的四極矩(quadrupole moment)對非富勒烯太陽能電池中電荷傳遞有影響。他們首先合成了兩種受體分子。其一是以羅丹寧為端基的IDT(indacenodithiophene)分子。第二種主體也是IDT,但端基變?yōu)槎枰蚁┗?。給體分子均為PCE10聚合物。由于氰基強烈吸電子,第二種受體的四極矩更大。
通過測試、對比二者在光照下電荷傳遞行為與相應太陽能電池的性能,作者們發(fā)現(xiàn)受體的四極矩越大,電池開路電壓(Voc)越小,激子非輻射結合概率越大。這是因為四極矩降低了電荷轉移態(tài)的能量。
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漂浮的藍色分子骨架為受體分子,紅色條帶應為PCE10給體分子。圖像清晰地展示了二者間發(fā)生的一次電荷傳遞瞬間,這是論文研究的核心過程。仔細看背景還能發(fā)現(xiàn)若隱若現(xiàn)的受體分子的結構式。

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鈣鈦礦太陽能電池材料

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韓國高麗大學(Korea University)Jun Hong Noh教授課題組聯(lián)合韓國成均館大學(Sungkyunkwan University)Hyun Suk Jung教授課題組,成功解決了鈣鈦礦p-i-n太陽能電池空穴傳輸層的制備難題。在鈣鈦礦p-i-n太陽能電池中,空穴傳輸層需附著在鈣鈦礦層上導出光生空穴。但傳統(tǒng)的溶液涂布制備法會因使用極性溶劑而部分損壞下方的鈣鈦礦材料。使用非極性溶劑雖能保護鈣鈦礦材料,但空穴傳輸層難以涂布均勻。

針對這一問題,研究者們開發(fā)了一種利用混合溶劑沉積空穴傳輸層的方法。他們先用水熱法合成了表面具有油胺配體的NiO納米顆粒。表面配體能防止NiO納米顆粒團聚。然后將制好的NiO顆粒分散至等體積混合的1-丁醇和氯仿溶劑中。這種混合溶劑不僅能防止NiO局部不規(guī)則聚集,形成均勻空穴傳輸層,還能避免破壞鈣鈦礦層。溶劑的選取依據(jù)了Hansen溶解度參數(shù)理論。
所合成的鈣鈦礦太陽能電池在85 °C、10%相對濕度環(huán)境中放置10天后,光電轉換效率的保持率高達98%。
智慧之光!Advanced系列能源轉換與存儲類封面大賞(8月第1期)
封面將本工作報道的空穴傳輸層制備過程類比為洗車。門外等待的是表面帶有油胺配體的NiO顆粒。這些顆粒經(jīng)黃色毛刷去掉表面配體,再經(jīng)噴淋分散至混合溶劑中,最后規(guī)整排列成膜,覆蓋在鈣鈦礦材料表面。

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智慧之光!Advanced系列能源轉換與存儲類封面大賞(8月第1期)

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