新策略为电池带来新趋势！绿色环保必将是电池、储能的未来发展道路
- 2022-03-23234
电池在我们的日常生活中几乎无处不在。近年来，各种电池的发展都相当迅速，例如锂电池、氢燃料电池、太阳能电池等，越来越多的新材料体系不断成熟，硅碳负极、复合隔膜、新型锂盐、石墨烯导电剂等新型材料也更多的进行产业化应用，但无疑都是与环保能源紧密相连。“环保”已然成为了当下十分流行的词汇。环保的核心是“新能源”，而新能源的核心则是电池。
储能电池发展潜力巨大，但由于成本、技术、政策等原因仍处于市场导入阶段，相对于动力电池增长滞后，并且目前电池产品传统的制造工艺、分散订单发展模式等很难满足电池市场的高质量、一致性要求。只有瞄准高精度、高稳定性、全自动化、智能化、绿色环保的生产线制造方式，才能适应新市场。
全新策略提升钙钛矿太阳能电池稳定性
钙钛矿是一种具有与矿物钙钛氧化物相同的晶体结构的材料。这些元素的原子非常适合与作为半导体材料的其他原子形成分子，这些半导体材料的电子可以被光能激发并沿着电线引导以产生电。钙钛矿太阳能电池就是利用这种有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池。
钙钛矿结构的材料是近年来兴起的新型太阳能电池材料，其光电转化效率高、制作工艺简单、生产成本和材料成本低。其核心光电转换材料具有廉价、可溶液制备的特点，便于采用不需要真空条件的卷对卷技术制备，比传统的硅电池更易生产。钙钛矿太阳能电池经过十几年发展已成为一种极具商业潜力的光伏技术，目前其光电转换效率达到商业化晶硅电池的水平，大面积制备技术路线也日渐成熟。然而，钙钛矿太阳能电池容易在阳光直射下，性能会随着时间的流逝而退化，其较差的稳定性仍然是制约其商业化的主要问题。
加州大学洛杉矶分校杨阳课题组与西湖大学工学院王睿课题组以及成均馆大学Jin-Wook Lee课题组合作，通过对传统的表面处理策略所导致的能级不匹配问题进行了深入探索，发现尽管表面处理材料中的有机阳离子可以实现有效的表面缺陷钝化，但被忽视的卤素阴离子会导致表面电势的改变，从而对长期稳定性存在不利影响。科研团队对此设计了全新的表面处理策略，他们通过引入有机阴离子替换卤素阴离子，减少了表面电势的偏移。
该方案实现了具有高光电转换效率，是一种长期稳定性的钙钛矿太阳能电池。在经过2000小时全天候加速光照测试后，钙钛矿电池仍然保持着超过87%的原始光电转换效率。相比之下，在同样条件下，经历相同时间后，未经处理的太阳能电池性能下降到原来的65%。
这项研究为钙钛矿太阳能电池技术商业化和广泛采用奠定了基础。作为目前主流的光伏技术，晶硅光伏发电效率已越来越接近极限。而钙钛矿太阳能电池的使用低成本、工艺相对容易制造和沉积到表面上高功率转换效率的潜力可调谐带隙，意味着其生产所需的材料比硅电池少20倍，并且不使用稀土金属，与传统太阳能电池相比，制造过程的能源密集程度要低很多。在技术的不断开发和完善下，钙钛矿太阳能电池展现出其在未来光伏领域中的巨大潜力。
为能源催化转化、燃料电池领域提供新角度
现代工业快速发展的同时也带来了日益严峻的能源和环境问题，可持续能源的应用为这两大问题的解决带来了新的机遇，而发展高效廉价的催化剂对能源转化来说至关重要。其中，像是电解水装置、氢能燃料电池及金属-空气电池备受关注。
然而，这些装置所涉及到的阴极反应，如氧化还原反应都较为缓慢，虽然采用贵金属作为催化剂可以有效地加速这些反应进程以提高上述装置的工作效率，但造成的高成本问题却又严重制约了这些装置的实际运用，因此，开发高活性及高稳定性的低成本非贵金属催化剂被认为是推进上述能源转换装置的产业化应用的关键。
碳基单原子催化剂是一种新颖、低成本并且高性能的催化剂，在电化学能量转换与催存中有着重要的作用。碳基过渡金属单原子催化剂(M-N-C)其本身就具有元素利用率高、本征活性强、相对贵金属廉价和丰富的优势，在电催化氧还原等领域展现出了广阔的应用前景。但如今，M-N-C催化剂面临着在碱性、酸性环境中稳定性欠佳、单原子活性位点暴露比例较低的瓶颈问题，其主要是由于常规热解方法处理碳氮前驱体构筑的M-N-C催化剂碳基底中的孔道结构普遍以微孔为主，极易造成活性位点暴露受限和电解液深入扩散受阻，影响了传质和催化效率。
近日，中科院青岛生物能源与过程研究所的研究员们为了构筑性能优良、稳定性突出的氧还原催化剂，在前期生物质衍生铁-氮-碳，金属框架聚合物形貌结构调整以及碳载铂基合金纳米催化剂材料制备的基础上，通过巧妙设计，开发了一种非常简易有效的利用有机弱酸盐辅助热解策略，来同时提升最终铁-氮-碳催化剂中介孔分布和铁单原子含量。这种策略能够有效实现该络合物的原位包覆，并且这种催化剂0.67V的碱性环境下运行90小时后活性依然能够保持90%以上，显著优于文献中普遍报道的10小时就会出现明显衰减的现象，在锌空燃料电池中也取得了良好应用效果。
为了能够继续提升过渡金属单原子催化剂的应用范围和促进铂基材料氧还原催化效率，研究组进一步设计开发了一种利用阳离子表面活性剂络合氯铂酸盐，并将其在聚合物合成过程中原位植入到低钴沸石咪唑酯骨架材料中。再结合优化的原位还原与合金化处理策略，可以获得过渡金属钴单原子载体负载的具有Co-N-C包覆层的Pt3Co和钴纳米颗粒杂化结构。
该策略可以实现铂在聚合物中的高度均匀分散，并且能够有效缓解因高温发生的快速迁移和聚集长大，为在强腐蚀环境下延长稳定性提供结构保障。该研究工作为合成具有碳包覆铂基纳米颗粒结构材料和同时具有铂基组分、过渡金属单原子活性组分的新型高效催化剂提供了新思路，为探索在能源催化转化、燃料电池应用等领域的研究提供了新角度，同时也为电池寿命大幅提升提供了条件。
随着国家颁布了以绿色、节能为导向的行业发展政策之后，碳中和、碳达峰再次成为被狙击的对象。重要的是，这项“国策”级别的政策，已经将新能源汽车和储能被列为新兴产业，国家的发展侧重彻底明了，一些相关利好政策也将逐步出台，未来应用领域电池应用的空间会越来越大，小到穿戴设备，达到航天航空高科技，都会配套电池的使用。
(资料来源：科技日报、中国科学报、知网)
(原标题：新策略为电池带来新趋势！绿色环保必将是电池、储能的未来发展道路)