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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。他們發現將碳酸乙烯酯(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。
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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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這是一幅傳統的利用溫差產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,但端基變為二氰乙烯基。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,作者們發現受體的四極矩越大,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。仔細看背景還能發現若隱若現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。溶劑的選取依據了Hansen溶解度參數理論。
所合成的鈣鈦礦太陽能電池在85 °C、10%相對濕度環境中放置10天后,光電轉換效率的保持率高達98%。
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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。這些顆粒經黃色毛刷去掉表面配體,再經噴淋分散至混合溶劑中,最后規整排列成膜,覆蓋在鈣鈦礦材料表面。

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