Nature Energy热点论文盘点

Nature Energy致力于探讨能源这一持续热门话题的各个方面，从能源的生产到能源的储存，从能源的输送到能源的管理，各参与方的需求和要求，以及能源技术和政策对社会的影响。自2016年创刊以来，影响因子水涨船高2019年最新IF为54，已经超过了其主刊Nature（43.07）。

前言

2019年Nature Energy共在线发表文章225篇，其中产生了13篇热点论文，热点论文是指在SCIE、SSCI近两年发表的论文（仅限Article和Review）中，按照同一出版时间、同一ESI学科论文在当前更新周期的两个月内，新增的被引次数排在前0.1%的论文，且全都是高被引论文（在SCIE、SSCI近十年发表的论文（仅限Article和Review）中，按照同一出版年、同一ESI学科论文的被引次数排在前1%）。

可以说入选热点论文的文章不仅水平高，而且涉及的都是热门前沿领域。这13篇论文中国学者贡献了其中的6篇！美国科研机构5篇，新加坡和日本各1篇。在此我们将这13篇文章汇总成文（被引量降序），希望能为大家的研究带来启发！

1. 实用锂金属电池高能量密度长寿命的途径

目前锂离子电池正在接近其能量极限，受到当今能量存储和电力应用（尤其是电动汽车）不断增长的需求的挑战。当前大多数研究都集中在电池材料的层面，而很少提及电池设计原则。美国西北太平洋国家实验室刘俊教授（通讯作者）等讨论了对于使用高镍三元正极的锂金属可充电电池来说实现350 ~500 Wh kg-1 能量密度的关键条件如使用袋式电池形式的高容量阴极—高镍含量的锂镍锰钴氧化物（Ni≥60％）等，对如正极负载量、电解液使用量和锂金属厚度等影响电池长循环性能的关键因素做出了分析。最后介绍了一些降低锂-电解液副反应、保护锂负极表面和稳定锂负极结构而保证长循环高能量密度电池的重要策略。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41560-019-0338-x

2. 高电导率是固体电解质中锂枝晶形成的根源

固体电解质被广泛认为是高能电池锂负极的“发动机”。但最近的报道表明，实际上在Li7La3Zr2O12（LLZO）和Li2S–P2S5中的Li枝晶形成比在锂电池中的Li枝晶形成容易得多，其中机理尚不清楚。美国橡树岭国家实验室Nancy J. Dudney和马里兰大学的Howard Wang&王春生教授（共同通讯）联合提出通过使用计时原位中子深剖技术检测在锂沉积过程中在固态电解质中的锂离子浓度动态演变来说明锂枝晶的形成机制，对LiPON、LLZO、无定形Li3PS4 三种流行且具有代表性的固态电解质进行了研究。尽管没有观察到LiPON中锂浓度的明显变化，但可以看到Li在本体LLZO和Li3PS4内部的直接沉积。作者研究表明LLZO和Li3PS4的高电子电导率是锂枝晶形成的主要原因。因此，降低电子电导率对于全固态锂电池的成功至关重要。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41560-018-0312-z

3. 通过与氟化物的化学键增强来固定阳离子和阴离子，用于稳定的卤化物钙钛矿太阳能电池

缺陷在混合卤化物钙钛矿吸收剂的降解过程中起着重要作用，从而阻碍了它们在太阳能电池中的应用。在所有缺陷中，卤化物阴离子和有机阳离子空位普遍存在，从而促进离子扩散并导致表面和晶界处的薄膜分解。北京大学周欢萍研究员（通讯作者）等提出了利用氟化物来同时钝化阴离子和阳离子空位的方法，这是因为氟化物具有极高的电负性。经过氟化钠处理的铯、甲基铵(MA)和甲酰胺(FA)三阳离子钙钛矿(Cs0.05FA0.54MA0.41)Pb(I0.98Br0.02)3的设备中获得了21.46%的功率转换效率(和一个认证的21.3%效率的电池)。在最大功率运行1000 h后，电池仍保持90%的功率转换效率。通过第一性原理密度泛函理论计算，作者认为氟化物同时与有机阳离子形成强氢键以及与铅离子形成强离子键的双重效果抑制了卤化物阴离子和有机阳离子空位的形成。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41560-019-0382-6

4.Co-Zn羟基氧化物作为OER催化剂发生晶格氧氧化机理的化学和结构起源

析氧反应是电化学能量转换装置中的一个关键过程。理解晶格氧氧化机制的起源是至关重要的，因为通过该机制运行的OER催化剂可以绕过与传统吸附物演化机制相关的某些限制。过渡金属氢氧化物常被认为是各种OER催化剂中真正的催化物质，它们的低维层状结构很容易直接形成O-O键。新加坡南洋理工大学的王昕教授和徐梽川教授（共同通讯）等将催化惰性的Zn2+掺入CoOOH作为模型，研究表明OER机理取决于催化剂中Zn2+的量，Zn2+离子的包合导致了不同局域构型的氧非键态，这些局域构型取决于Zn2+离子的数量。研究者提出了金属羟基氧化物上发生晶格氧氧化机理的条件：只有当两个相邻的氧化的氧可以杂化它们的氧孔而不显著牺牲金属-氧杂化（即存在Zn-O2-Co-O2-Zn的局部构型），结果发现Zn0.2Co0.8OOH具有最佳活性。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41560-019-0355-9

5.平面p-n同质结钙钛矿电池效率超过21.3%

钙钛矿太阳能电池由于其出色的功率转换效率而成为一种有吸引力的光伏技术。即使采用基于异质结的体系结构，钙钛矿层中载流子的重组也限制了器件效率的进一步提高。华北电力大学李美成教授（通讯作者）等通过调控前躯体组分的化学计量比，采用联合沉积法制备钙钛矿p-n同质结结构，进而在p-n结处构筑了内建电场，并由器件横截面的KPFM（开尔文探针力显微镜）表征证实，促进光生载流子的定向传输，有效减少了载流子的复合损耗。基于MAPbI3的同质结钙钛矿电池认证效率超过20%，FA0.15MA0.85PbI3基的同质结钙钛矿电池平均效率可达21.38%，相比于标准p-i-n平面钙钛矿电池器件，光电转换效率和稳定性都有了明显的改善。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41560-018-0324-8

6.铂单晶表面上获得ORR中间物种的原位拉曼光谱证据

对催化过程的结构-活性关系和反应机理的了解对于成功设计高效催化剂至关重要。作为燃料电池中的基本反应，阐明Pt表面的氧还原反应（ORR）机理仍然是研究人员面临的重大挑战。厦门大学的李剑锋教授和西班牙阿利坎特大学的Juan Miguel Feliu（共同通讯作者）等人，采用原位电化学表面增强拉曼光谱（SERS）和密度泛函理论（DFT），研究了Pt单晶表面的ORR反应过程。ORR中间体的直接光谱证据表明，在酸性条件下Pt（111）单晶表面获得ORR中间物种HO2*，在Pt(110)和Pt(100)单晶表面，则获得ORR中间物种OH*。而在碱性条件下，他们在Pt(hkl)三个基础单晶表面获得ORR过程的中间物种O2-。因此，SERS技术为原子级平滑的单晶表面的催化过程的研究提供了一种有效而可靠的原位光谱途径。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41560-018-0292-z

7. 用于双功能氧电催化的晶格应变金属—有机骨架

中科大的刘庆华副研究员（通讯作者）等证明不含贵金属的金属-有机骨架（MOF）的诱导晶格应变可以获得稳定的双功能氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）活性。NiFe-MOF在ORR的半波电位为0.83 V时，具有500 A gmetal-1的质量活性；在OER的0.30 V过电位时，具有2000 A gmetal-1，这是无应变NiFe-MOF的OER性能的50~100倍。在100-200 mA cm-2的高电流密度下，连续ORR/OER反应200 h后，催化剂的活性保持率为97％。（注：该文章出现少量图片及文字表达错误，不影响原文结论，已于2020年3月19日更正）

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41560-018-0308-8

8.内置快速界面传输的固态聚合物电解质用于二次锂电池

实用的固态电池需要具有高室温离子电导率和快速界面电荷传输能力的固态电解质。美国康奈尔大学Lynden A. Archer教授等报道了一种含铝阳离子引发电化学电池内分子醚的开环聚合反应，以产生固态聚合物电解质的方法，该方法可以保证所有电池组件保持共形界面接触。该电解质在室温下具有高离子电导率（>1 mS cm-1），低界面电阻，均匀的锂沉积和高库伦效率（300次充放电循环后> 98％）。在Li–S，Li–LiFePO4和Li–LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2等电池应用中进一步证明该电解质可实现高库仑效率（> 99％）和长寿命（> 700次循环）。该研究为制备同时满足实用固体聚合物电池的体积和界面电导率要求的固体电解质提供了新方向。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41560-019-0349-7

9.开发浓盐电池电解质的进展和问题

随着全球范围内有效利用可再生能源和电动汽车市场迅速发展，可充电电池技术（尤其是锂离子电池）的重要性不断提高。在过去的几年中，通过简单地增加兼容性好的的盐-溶剂组合中的盐浓度，就在电解质材料上取得了重大突破，与其他材料相比，它具有多方面的技术优势。这种简单有效的策略可以克服大多数限制当前锂离子电池的障碍，而又不牺牲电池生产效率，因此，它在科学界得到了广泛的认可，具有巨大的工业发展潜力。日本东京大学的Atsuo Yamada教授（通讯作者）等撰写的这篇综述旨在为设计更好的商业电池提供及时和客观的信息，包括对其优缺点的多角度分析以及未来的展望。文章的重点放在解决剩余的技术和科学问题的途径上，而不是重新强调许多技术优势。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41560-019-0336-z

10. 构建用于储能的水系K离子电池

由于其固有的安全性和低成本，水系钾离子电池（AKIB）有望成为电网规模储能的候选产品。中科院物理所陆雅翔&胡勇胜研究员（共同通讯）等提出了一个由富铁取代的富锰普鲁士蓝KxFeyMn1-y[Fe(CN)6] w ·zH2O正极、有机3,4,9,10-四羧酸二酰亚胺负极和22 M KCF3SO3 盐水电解质组成的AKIB体系。由于Fe取代减少了相变，正极在100 C倍率下循环10000次还具有70%的容量保持率。同时，由于缺乏游离水，电解质可以帮助减少两个电极的溶解。AKIB具有80 Wh kg−1 的高能量密度并可以在0.1~20 C的倍率下和-20~60°C的宽温度范围内运行良好。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41560-019-0388-0

11.快速充电电池材料的挑战和机遇

极速充电的目标是15分钟的充电时间，这将加速电动汽车的大规模市场应用，抑制温室气体排放，从而为各国提供更大的能源保障。然而电池技术是一个关键的技术障碍，由石墨负极、过渡金属氧化物正极和液态电解质组装的高能锂离子电池在不影响电化学性能和安全性的前提下无法达到快速充电的目的。这是因为，当电池以高倍率充电时，电池内部的各种极化（欧姆、浓度和电化学）将导致活性材料的有效利用受限，增加了镀锂的倾向，并产生过多的热量。有鉴于此，斯坦福大学崔屹教授（通讯作者）等系统总结了超级快充电池材料面临的四大挑战及其带来的机遇。研究团队从质量传递、电荷转移、热管理、表征技术四个方面阐述了分析了当前电池材料快速充电所面临的主要问题、解决方案以及未来研究方向。先进的表征技术有助于从根本上了解电池快速充电时的故障机制，为电池设计提供合理信息。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41560-019-0405-3

12.用于氢氧化物交换膜燃料电池的聚（芳基哌啶）膜和离聚物

降低燃料电池系统成本的一种有前途的方法是开发氢氧化物交换膜燃料电池（HEMFC），创造了不含铂族金属的催化剂和低成本双极板的可能性。但是，目前尚无法获得具有所需性能的可伸缩碱性聚电解质（氢氧化物交换膜和氢氧化物交换离聚物），它们是HEMFC的关键组成部分，这对HEMFC的发展构成了主要障碍。美国特拉华大学Bingjun Xu&Yushan Yan （共同通讯）等报道了基于聚（芳基哌啶鎓）（PAP）的氢氧化物交换膜和氢氧化物交换离聚物，其同时具有优异的离子导电性、化学稳定性、机械强度、气体分离和选择性溶解性。这些性质源自哌啶阳离子和刚性无醚键的芳基骨架的组合。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41560-019-0372-8

13.多种元素痕量掺杂实现稳定4.6 V高压LiCoO2正极

LiCoO2正极凭借其高体积能量密度而成为当今锂离子电池中的主流正极材料，其体积能量密度可以通过充电到更高电位而改善。然而实际使用时当LiCoO2被充电至更高的电压时其深度脱锂态的不稳定性以及由此引发的安全问题限制了该材料的高压应用。中科院物理所禹习谦&李泓研究员连同美国SALC国家加速器实验室Yijin Liu（共同通讯）通过痕量的Ti-Mg-Al共掺杂而实现了LiCoO2在4.6 V下的稳定循环。通过使用最先进的同步加速器X射线成像和光谱技术，证明将Mg和Al掺入了LiCoO2晶格中，抑制了高于4.5 V的电压时的不可逆相变。同时，研究人员还发现即使微量，Ti元素也会在晶界和表面显着偏析，从而改变了颗粒的微观结构的同时在高电压下稳定了表面氧。这些掺杂元素通过不同的机制起作用，并协同促进LiCoO2在4.6 V的循环稳定性。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41560-019-0409-z

总结展望

通过分析可知目前对高能的锂电正极、固态电解质以及快充性能的研究仍是储能领域的热点，占据了热点文章的近一半（6/13），表明学者们仍致力于解决锂电循环过程中的结构稳定性、锂枝晶生长机理探究以及锂电产业化应用中的能量密度及快充等关键问题。钙钛矿太阳能电池（2/13）、水系电池（1/13）及燃料电池（1/13）也因其独特的优势促成了电池领域的多元化研究。此外，电催化的相关研究（3/13）也是一大热点，主要集中于催化过程的结构-活性关系和反应机理研究。