能源問題是人類長期面臨的主要挑戰之一。能源材料是當前最具有決定性影響的技術領域之一，開發新型能源材料、設計和制備相關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展，供廣大科研工作者學習參考。

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，大多數報道的金屬/金屬化合物異質結構的設計是在單金屬基礎上將金屬部分轉化為相應的金屬化合物。在此基礎上，同濟大學Zuofeng Chen等人提出了一種簡便的“協調構造-熱分解”策略來構建嵌入Co/MnO異質界面。采用氮摻雜碳納米線，以氮三乙酸為螯合劑穩定不同的金屬離子，構建納米線結構。原位生成的Co納米晶體不僅能與MnO形成高導電性的異質界面，還能促進石墨碳的形成。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。密度泛函理論計算表明，Co/MnO異質結構的形成導致OER和ORR中含氧中間體的吸附能優化。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次循環的放電/充電穩定性。Co/MnO@NC基準固態ZAB除了具有良好的電池性能外，還具有卓越的機械靈活性。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，為開發高效、堅固的能量轉換和儲存電催化劑開辟了新的道路。相關研究以“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)是下一代儲能系統的有力候選材料，因為其來源豐富，成本效率高，與鋰電極電位相當的能量密度高。然而，開發實用的KIBs電極材料仍處于起步階段，對特定材料的電化學反應機理還很不清楚。MoTe2，由于具有相當大的離子插層間距的范德瓦爾斯型材料，其金屬-半金屬特性優越的電子導電性被廣泛研究的MoS2，首次作為工作電極進行研究。布拉格化學技術大學Bing Wu、 Zdenek Sofer等人結合電化學分析、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。在電化學循環過程中，活性電極材料因不可逆的結晶開裂和結構演變而失活，25次循環后迅速衰減。在初始鉀化過程中，2H-MoTe2不可逆地轉化為1T-MoTe2，然后進一步轉化為碲化鉀。在2.5 V (vs. K/K+)的初始脫鉀過程中，初步形成了具有R-3HCs4Mo18Te20結構的K-Mo-Te化合物，并在隨后的鉀化過程中不可逆地轉化為K2Te3。同時，K2Te3 - KTe-K5Te3的逐步可逆轉化主導了初始充放電后的連續電化學過程。除了鉀離子電池的潛在應用外，碲化鉀之間的轉換機制也為未來的碲化鉀電池提供了指導。相關 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，發表在Energy Storage Mater.上。DOI: 10.1016/j.ensm.2021.09.006

圖2 MoTe2的電化學性能

3、ACS Energy Lett.：高導電COF@CNT電催化劑促進多硫化物對Li-S的轉化

共價有機框架化合物(COFs)在Li - S化學中的催化作用主要受到弱化學相互作用和低電導率的阻礙。華東理工大學 Shuhao An、 Dongfang Niu，聯合北京理工大學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)，以揭示其強化學相互作用和高導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基團可以介導由C=O/C O鍵轉換貢獻的多硫化物的轉換。因此，在1000次循環中，改性電池的衰減率為0.042%，在10 mg cm⁻²的含硫和稀電解質(E/S =5)。本研究將為COF基電催化混合動力車的合理設計提供參考。相關研究以“A Highly Conductive COF@CNT Electrocatalyst Boosting Polysulfide Conversion for Li-S Chemistry”為題目，發表在發表在ACS Energy Lett.上。

圖3 COF@CNTs的理化參數

4、AFM：有機配體電荷轉移效應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Jinhan Cho等人報道了有機配體的物理/化學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配體(或連接體)與導電銦錫氧化物(ITO) NPs層層(LbL)組裝。特別是聯氨配體，其分子尺寸極小，化學還原性強，可以有效地從NP表面去除體積較大的有機配體，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，聯氨配體顯著增加了Fe3O4和ITO NPs上的氧空位數量，與其他體積較大的有機配體相比，電極的速率能力和電容顯著提高。該方法為開發和設計基于金屬氧化物NPs的各種高性能電化學電極提供了基礎。相關研究以 “Charge-Transfer Effects of Organic Ligands on Energy Storage Performance of Oxide Nanoparticle-Based Electrodes”為題目，發表在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：通用碳復合材料的構造用于高效的能源儲存

碳材料在電化學儲能與轉化的發展中起著至關重要的作用。目前，通過一步合成工藝制備形貌可控、尺寸可調、成分可調的多功能碳基復合材料仍然是一個巨大的挑戰。浙江大學Lingjie Zhang、Jiangping Tu等人報道了一種麥芽糖基膨化炭化技術，用于大規模構建多尺度碳基復合材料，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/半導體，碳/碳被制備和演示所需的性能。這些精心設計的復合材料具有孔隙率大、多孔結構層次化、導電性高、組分可調、比例可調等優點。麥芽糖的膨化炭化以及麥芽糖與前驅體之間的原位碳熱反應是其形成機理。以多層多孔交聯膨化碳(CPC)為基體，原位注入Li2S，驗證其在鋰硫電池中的應用。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)、更小的極化和更強的長周期電化學性能。該研究為構建多功能組分可調碳復合材料提供了一條通用的途徑。相關研究以“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：生物質均質增強碳氣凝膠衍生功能相變材料用于太陽能熱能轉換和存儲

桂林電子科技大學Yongpeng Xia、張煥芝、孫立賢等人設計了一種功能穩定的復合相變材料(PCMs)實現三維(3D)互連多孔碳氣凝膠結構，用于封裝聚乙二醇(PEG)。通過將來自生物質瓜爾膠的柔性碳資源與來自聚酰亞胺的硬脆碳相結合，構建了一種具有良好互連多孔結構的新型均質增強碳氣凝膠，以克服傳統碳氣凝膠的嚴重收縮和較差的機械性能。結果表明:復合材料相變材料具有良好的三維相互連接結構，儲能容量分別為171.5 J/g和169.5 J/g, 100次熱循環后儲能容量變化不大，復合材料能在50.0 oC-58.1 oC的平衡溫度下保持約760.3 s。復合材料的熱導率可達0.62 W m-1 K-1，有效提高了熱響應速率。該復合材料具有良好的防漏性能和優異的光熱轉換性能。復合材料抗壓強度PCMs可提高到1.602 MPa。結果表明，該策略可以有效地用于開發具有改進的綜合熱性能和高光熱轉換的新型復合相變材料。相關研究以“Biomass Homogeneity Reinforced Carbon Aerogels Derived Functional Phase-Change Materials for Solar-Thermal Energy Conversion and Storage”為題目，發表在EEM上。DOI: 10.1002/EEM2.12264

圖6  CA-PI@GG和復合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異的性能。中科院青島生物能源與過程技術研究所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構良好的多孔碳材料鍺-卡二炔(Ge-CDY)。由線性丁二烯鍵和sp3雜化鍺原子構成的獨特的類金剛石結構保證了Ge- CDY的穩定性。sp-C組成的共軛炔烴鍵的較大比例保證了Ge-CDY具有良好的電導率和較低的帶隙，這在實驗和理論上得到了進一步證實，使Ge-CDY具有了電化學應用的潛力。Ge-CDY提供了豐富均勻的納米孔，適合金屬離子的存儲和擴散。進一步的半電池評價也表明Ge-CDY在鋰存儲方面表現出了出色的性能。這些都表明sp雜化碳基材料在能源、電子等領域具有廣闊的應用前景，具有優異的性能。相關研究以“Germanium-Carbdiyne: 3D Well-Defined sp-Hybridized Carbon Based Material with Superhigh Li Storage Property”為題目，發表在EEM上。DOI: 10.1002/eem2.12269

圖7 Ge-CDY的制備及物理形態示意圖

8、ACS Nano：高溫下儲能材料的能量儲存的運輸和耐用性

溫度是一個狀態變量，對儲能材料的熱力學、動力學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象的最新進展（> 100°C）。電極包括還原氧化石墨烯薄膜、泡沫和導電金屬有機框架;電解質包括磷酸摻雜的聚苯并咪唑和雙網絡離子凝膠。電極和電解質的電化學、熱學和力學性能與儲能性能和高溫降解有關。研究還討論了聚合物電解質的離子傳輸的基本理解和納米尺度限制的快速移動質子在高溫下的出現。相關研究以“Transport and Durability of Energy Storage Materials Operating at High Temperatures”為題目，發表在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，電極和電解質材料及其接口的概念設計