人类发展的历史, 也是能源变革的历史, 人类社会的每一次技术革命无不伴随着对能源认识、开发和利用的创新与进步。当下, 我国已经成为全球排名第一的能源生产和消费大国, 并且两个总量还在不断攀升。能源技术是解决对传统化石能源过度依赖及环境污染等问题, 构建合理的社会能源结构, 推进可持续发展, 实现“双碳”减排的关键手段。2020年, 我国以太阳能、风能为代表的可再生能源增长达到全世界的三分之一, 发展迅速。这其中, 能源材料是能源工业和能源技术体系中涉及的特殊材料, 在实现清洁能源的转化和利用, 发展新能源技术, 以及支撑整个能源系统中扮演着核心角色。
近年来, 能源材料在诸多领域取得了广泛而持续的发展, 包括二次电池、燃料电池、太阳能电池、超级电容器、光电催化、含能材料等。比如, 以高镍三元材料(NCM)为代表的新型锂离子电池正极材料, 正引领着新一代汽车动力电池技术的发展, 以支持更快的充电速度、更久的服役寿命和更长的行驶里程^[1-4]。不断提升的储能需求也催生了一系列新型电池技术, 如锂硫^[5]、锂空气^[6]电池体系, 以及固态电池^[7]技术等, 多种技术并行发展。它们在能量密度、经济性、安全性等方面各具优势, 但也存在如锂硫电池中多硫化锂造成的穿梭效应, 锂空气电池中放电产物易堵塞基底的孔道以及固态电池中电解质的电导率不佳等诸多问题, 其技术完善和产业化推动强烈依赖于电极和电解质材料的创新设计和结构优化。同时, 为了提高非化石能源占一次能源的消费比, 太阳能电池作为新能源技术的翘楚, 被寄予厚望。其中, 以钙钛矿为代表的第三代太阳能电池技术已获得与单晶硅相媲美的光电转换效率^[8], 让人们对光伏产业的未来充满了期待, 然而其对温、湿、光、氧的敏感性和不稳定性^[9], 以及在材料制备过程中难以回避污染环境的含Pb原料, 种种问题仍需从材料的底层设计中寻求解决之道。此外, 以Pt、Pd等贵金属为代表的传统催化剂材料不断优化, 以及开发的新型非贵金属、非金属催化剂, 正逐步提高燃料电池的能量转换效率, 降低其技术成本, 并已取得了一定程度的商业化应用^[10-11]。同时, 涉及如CO₂还原、固氮等过程的光、电催化新材料与新技术, 也为可再生能源的存储及利用形式提供新的出口, 为2030年完成碳达峰、2060年实现碳中和提供技术支撑^[12-13]。
在可持续发展的时代大背景以及竞争激烈的国际前沿科技大环境下, 我国在能源材料的理化机理探索、功能发现、精准设计制备以及先进器件组装等方面做出了许多开创性的工作。为集中展示我国学者在相关领域的研究成果, 推动学术交流, 激发社会各界对能源材料的兴趣, 南京理工大学联合中国科学院上海硅酸盐研究所、华中科技大学等单位组织出版“能源材料专辑”, 专辑收录了能源材料相关的最新研究论文和综述文章, 涉及钙钛矿太阳能电池、半透明太阳能电池、锂离子电池、镁电池、锂硫电池、热电、二氧化碳裂解等。期望该专辑能够抛砖引玉, 为促进我国能源材料的科学研究和学科发展提供有益参考。

太阳热辐射能储量丰富且无污染, 是未来最具竞争力的清洁能源之一。近年来, 卤化物钙钛矿量子点以其优异的光电特性以及量子限域效应、可溶液加工等独特优势被广泛应用于太阳能电池和荧光型聚光太阳能电池, 应用前景广阔, 但在未来的商业化应用中仍然面临诸多挑战。本文结合钙钛矿量子点太阳能电池领域的国内外研究进展, 重点归纳了提升电池性能的优化策略, 并探讨了钙钛矿量子点在荧光聚光电池中的应用, 最后阐述了该领域当前面临的挑战, 并对其发展趋势进行了展望, 旨在为未来光伏技术的设计和开发提供一些思路, 推进其研究进程。

研究钙钛矿晶体缺陷对于推动钙钛矿太阳能电池的发展至关重要。缺陷不仅会引起大量非辐射复合, 而且会造成器件稳定性下降。为降低材料缺陷对光伏性能的影响, 有必要深入了解钙钛矿薄膜缺陷的种类及抑制方法。根据电子特性, 缺陷可分为富电子缺陷和缺电子缺陷。利用Lewis酸碱理论, 富电子缺陷可以被Lewis酸钝化, 而缺电子缺陷可以被Lewis碱或离子液体钝化。这些钝化功能添加剂可在钙钛矿成膜过程中加入, 或对薄膜表面进行后处理。本文通过总结近年报道的缺陷钝化案例, 直观地呈现了添加剂的设计策略及缺陷钝化对光伏性能的影响,最后, 提出开发多功能钝化剂、大面积钝化策略与先进电荷传输层的建议, 期望为钙钛矿太阳能电池的发展提供助力。

金属氰胺化合物M_x(NCN)_y作为类氧硫族化合物, 是一类新兴的无机功能材料。准线性[NCN]^2-阴离子赋予其空旷和具有孔道的晶体结构、独特的电子结构和新奇的物化性质, 金属氰胺化合物在固态发光、光/电催化及电化学储能等诸多领域展现出应用前景, 近年来逐渐成为研究热点。本文简要回顾了金属氰胺化合物的研究历史, 概述了金属氰胺化合物的晶体结构及物化性质, 总结了常见合成方法及策略, 探讨了金属氰胺化合物在电化学储能领域的应用, 重点论述了其作为锂钠离子电池新型负极材料的电化学性能及存储机制。

锂硫电池因其高能量密度和低成本等优势成为新一代电化学储能技术的重要发展方向。然而, 其较低的转换反应动力学和可逆性导致电池的实际容量、库仑效率和循环稳定性等仍难以满足实用化发展需求。对此, 合理设计和开发具有导电、吸附、催化特性的功能材料是稳定和促进硫电化学反应的关键途径。得益于硼独特的原子和电子结构, 硼基材料具有丰富且可调的物理、化学和电化学性质, 近年来在锂硫电池的研究中受到了广泛关注。本文综述了近期硼基材料, 包括硼烯、硼原子掺杂碳、金属硼化物和非金属硼化物在锂硫电池中的研究进展, 总结了存在的问题并展望了未来的发展方向。

析氧反应(OER)是一种复杂的四电子转移反应, 其动力学缓慢、所需能量高, 制约了电解水制氢等新型能源技术的发展。近年来, 非贵金属复合材料因其优异的催化活性以及相比于贵金属基催化剂的成本优势而受到广泛关注。本文概述了这一研究领域的最新进展, 首先简要介绍析氧反应的机理以及材料催化性能的评价方法, 重点关注非贵金属/碳氮复合材料析氧电催化剂, 并且将非贵金属/碳氮复合材料分为金属单质/碳氮复合材料、单原子/碳氮复合材料、合金/碳氮复合材料、金属氧化物/碳氮复合材料, 从制备方法和催化活性出发, 探究氮掺杂碳材料在催化剂结构和催化剂性能中的作用, 总结分析了几类非贵金属/碳氮复合材料在电催化析氧反应中的研究进展。最后, 针对非贵金属/碳氮复合材料目前存在的问题和未来发展方向提出了建议。

镁金属电池因为镁金属负极的高体积比容量(3833 mAh/cm³)和高安全性而日益受到关注。然而, Mg²⁺引起的极化效应抑制了Mg²⁺在固相中的扩散, 限制了镁金属电池的比容量。锂镁双盐电解液利用Li⁺代替Mg²⁺驱动正极反应, 能够绕开Mg²⁺在固相中扩散缓慢的问题。本工作研究了过渡金属硫化物CoS₂在不同锂镁混合电解液中的电化学性能, 并分析了锂盐浓度和充放电电压区间对其转换反应和循环稳定性的影响。添加锂盐的策略提高了CoS₂基镁金属电池的转换反应动力学, 当充电电位提高至2.75 V时, Mg-CoS₂电池在LiCl-APC电解液中的循环稳定性得到显著提高, 在循环150次后, 其比容量仍能维持在275 mAh/g, 远高于在2.0 V截止电压条件下的33 mAh/g。电池容量衰减与CoS₂正极在2.0 V充电电位下Co₃S₄的不可逆生成有关, 其长期循环中伴随的Co和S元素溶解加剧了容量的不可逆损失。本工作为过渡金属硫族化合物在转换反应型镁电池中的应用提供了一种激活策略。

硫化聚丙烯腈(S@pPAN)作为锂硫电池正极材料实现了固-固转化反应机制, 没有多硫离子溶解现象, 但电化学循环过程中出现明显的体积变化, 其表界面特性对电化学性能具有重要影响。本研究以单壁碳纳米管(SWCNT)与羧甲基纤维素钠(CMC)复配作为S@pPAN正极黏结剂, 调控S@pPAN表界面并缓解充放电过程中的体积变化。在2C(1C=1672 mA∙g^-1)电流密度下, 电池循环140圈后容量保持率为84.7%, 在7C的大电流密度下仍能维持 1147 mAh∙g^-1的高比容量。加入SWCNT后复配黏结剂薄膜的极限拉伸强度提升了41倍, 并且复配黏结剂能在循环中维持更加稳定的正极界面, 有效提升了锂硫电池的循环稳定性。

目前钠离子电池采用的有机电解液存在易燃易爆等安全隐患, 迫切需要开发高性能的固体电解质材料。其中NASICON型Na₃Zr₂Si₂PO₁₂电解质具有宽电化学窗口、高机械强度、对空气稳定、高离子电导率等优点, 应用前景广阔。但已有研究的陶瓷生坯由于黏结剂包覆不均匀导致生坯内部气孔较多, 难以烧成高致密、高离子电导的陶瓷电解质。本研究采用喷雾干燥法, 在Na₃Zr₂Si₂PO₁₂颗粒表面均匀包覆黏结剂的同时对颗粒进行球形造粒, 实现颗粒接近正态分布的粒度级配, 从而有效提高了颗粒间接触、降低了陶瓷坯体的孔隙率。制备的Na₃Zr₂Si₂PO₁₂陶瓷电解质的致密度达到97.5%, 室温离子电导率达到6.96×10^-4 S∙cm^-1, 远高于常规方法的致密度(88.1%)和离子电导率(4.94×10^-4 S∙cm^-1)。

印刷钙钛矿太阳能电池采用无机介孔骨架包覆有机无机杂化钙钛矿材料的器件结构, 制备工艺简单, 原材料成本低廉, 且稳定性优异。然而, 在介孔骨架中均匀沉积高质量的钙钛矿材料存在一定困难。本研究通过在典型钙钛矿材料甲胺铅碘(MAPbI₃)前驱液中引入醋酸铅(Pb(Ac)₂)作为添加剂, 加快钙钛矿晶体的成核从而改善其在介孔骨架中的生长和填充。同时, Ac^-与MA⁺所形成的MAAc在热退火过程中逃逸可使得所沉积的钙钛矿光活性层中PbI₂略微过量, 达到钝化晶界的作用。添加摩尔分数1% Pb(Ac)₂的钙钛矿前驱液所制备的印刷钙钛矿太阳能电池的光电转换效率达到15.42%, 表明引入添加剂调控钙钛矿光活性层结晶质量是提升印刷钙钛矿太阳能电池性能的有效途径。

半透明太阳能电池可充分利用现代建筑的太阳照射面积, 具有广阔的应用前景, 其热力学极限效率是重要的基础问题。本工作将已有研究中用于建筑窗户的无色半透明太阳能电池拓展至可安装于建筑幕墙表面的彩色半透明太阳能电池, 基于细致平衡原理计算其热力学极限效率, 以便更全面地描绘半透明太阳能电池在建筑一体化应用的前景。结果表明, 用于窗户的无色半透明太阳能电池的极限效率为18.1%, 而安装于蓝色建筑幕墙表面的半透明太阳能电池的极限效率高达28.3%, 提升了10个百分点。本研究的彩色半透明太阳能电池扩大了可利用的太阳照射面积, 有望弥补太阳能能量密度低的问题。研究结果可以指导选择合适的半导体材料和设计新材料。

MnTe作为一种新型的无铅p型热电材料, 在中温区热电领域具有广阔的应用前景, 但其本身的热电性能不足以与高性能n型热电材料相匹配。本研究通过真空熔炼-淬火和放电等离子烧结的方法制备不同Ge掺杂量的致密且均匀的Mn_1.06-xGe_xTe(x=0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04)多晶块体样品。过量的Mn可以有效抑制MnTe₂相, 提高基体相的热电性能。通过掺杂4%Ge粉末, 材料的载流子浓度提高到7.328×10¹⁸ cm^-3, 电导率在873 K增大到7×10³ S∙cm^-1, 功率因子提升至620 μW∙m^-1∙K^-2。同时, 通过点缺陷增强声子散射使材料的热导率降低到0.62 W∙m^-1∙K^-1, 实现了对材料电声输运性能的有效调控。Mn_1.02Ge_0.04Te在873 K获得了0.86的热电优值ZT, 较纯MnTe材料提高了43%。

电化学氧还原反应(ORR)在能源、催化等领域具有广阔的应用前景, 因此开发性能优异、选择性高的催化剂对于促进ORR发展具有重要意义。ORR反应按照反应过程可以分为二电子反应过程和四电子反应过程。本研究以化学修饰石墨烯为原料, 通过调控其表面缺陷并与银-对苯二琨二甲烷(Ag-TCNQ)纳米点复合, 合成了不同缺陷程度的复合催化剂, 在此基础上比较了Ag-TCNQ/高缺陷石墨烯和Ag-TCNQ/低缺陷石墨烯的ORR性能。研究结果显示Ag-TCNQ/高缺陷石墨烯催化ORR的电子转移数为2.4, 双氧水产率达0.62 mg/h, 法拉第效率为64.45%。相比之下, Ag-TCNQ/低缺陷石墨烯参与ORR的电子转移数为3.7, 氧还原半波电位约为0.7 V(vs. RHE)。因此, 高缺陷催化剂促进ORR的二电子过程, 而低缺陷的催化剂促进ORR的四电子过程。在复合材料中, Ag-TCNQ纳米颗粒和石墨烯发挥了各自的结构优势, 形成复合效应, 共同提高了催化活性。

太阳能驱动两步热化学循环裂解二氧化碳可制备碳中性燃料, 为替代化石燃料、缓解全球变暖提供了技术途径。新型活性材料的开发对该技术非常重要。已有研究通常采用能量描述符(材料生成焓或氧空位生成能)评价候选材料, 忽略了材料熵的重要性。本研究采用活性材料的熵和生成焓的组合作为描述符, 提出评价准则, 开展材料可行性的热力学分析。结果表明, 活性材料应兼具较大的正的熵变与较小的生成焓变。在此基础上, 本研究以氧化铈和钐掺杂的氧化铈为例, 发展了基于第一性原理的活性材料熵和生成焓的计算方法, 为新型材料的筛选与开发提供基础。计算结果揭示了极化子振动熵以及氧空位和极化子构型熵对活性材料熵变的贡献。

全固态薄膜锂电池(TFLB)是理想的微电子系统电源。目前报道的固态非晶电解质存在离子电导率偏低的问题, 限制了TFLB性能的提升。本工作采用磁控溅射法制备了一种新型非晶锂硅氧氮(LiSiON)薄膜用作TFLB的固态电解质。结果表明, 优化制备条件后的LiSiON薄膜具有6.3×10^-6 S∙cm^-1的高离子电导率以及超过5 V的宽电压窗口, 适合作为TFLB的电解质。在LiSiON薄膜电解质的基础上, 本工作构建了MoO₃/LiSiON/Li TFLB并获得高的比容量(50 mA∙g^-1下282 mAh∙g^-1)、良好的倍率性能(800 mA∙g^-1下50 mAh∙g^-1)和可观的循环寿命(200次循环后容量保持率为78.1%), 验证了该电解质在薄膜电池中应用的可行性。