背景介绍

由于在短波红外波段（600~2500 nm）带隙可调、强量子限域效应和可溶液处理的特点，PbS和PbSe胶体量子点（QDs）在光伏、光电探测器和发光二极管等光电器件中的应用受到了广泛关注。在光伏应用方面，近年来PbS和PbSe量子点单结太阳能电池的研究主要集中于1.3~1.4 eV带隙附近。然而，除了单结电池，PbS和PbSeQDs还可用于制备红外太阳能电池，捕获不被传统光伏器件（如Si和钙钛矿太阳能电池）吸收的低能光子（能量<1.1eV）。理论计算表明，通过收集波长>1100 nm的太阳光光子，可以在硅基太阳能电池基础上额外增加约6%的绝对效率。目前，PbS和PbSe 量子点红外太阳能电池的研究主要集中于量子点的表面钝化。这是由于与宽带隙（~1.4 eV）量子点太阳能电池相比，红外太阳能电池需使用带隙更小、尺寸更大的PbS和PbSe量子点。激子吸收峰位于1200 ~ 1700 nm的PbS量子点，其直径在4.2 ~ 7.4 nm范围内，远大于带隙为~1.4 eV (~2.9 nm)的PbS量子点。PbS量子点尺寸的增加导致其表面暴露{100}晶面的比例增加。该晶面不仅对空气中的氧和水敏感，而且难以有效钝化。然而，除了量子点的表面钝化外，器件结构，尤其是各功能层厚度的控制也是决定光电器件性能的关键因素。增厚光活性层可以有效提高红外区域的光吸收，然而，这也可能导致光生载流子在扩散至耗尽区之前复合，从而对器件的载流子提取和短路电流(J_SC)不利。考虑到红外太阳能电池针对的是小范围内的低能红外光子，如1100 ~ 1300 nm，利用光学共振效应可选择性地增强腔内光场，非常适合增强目标波段的光利用效率。

成果简介

本工作将光学共振效应与调控载流子提取相结合，通过控制光活性层的厚度来实现高性能的PbS QD红外太阳能电池。当光活性层的厚度与共振条件相匹配时，在不使用较厚光敏层的同时可实现红外光吸收的增强。此外，在此厚度下，器件仍具有较好的光生载流子提取效果。因此，当光活性层厚度合适时，红外J_SC（IR-J_SC）明显提高，红外开路电压（IR-V_OC）也未明显恶化，最终获得了较高的红外功率转换效率（IR-PCE=1.3%）。这些结果表明，构建光学共振和优异载流子抽取的协同作用是提升量子点红外太阳能电池效率的一个有效途径，该方法也可应用于其他量子点光电器件中。

作者简介

第一作者：刘思思，武汉理工大学理学院讲师，主要从事半导体纳米材料的制备及其光电器件研究，主要包括太阳能电池、光电探测器等，研究论文发表在ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Nano-Micro Lett., Small, ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊。

共同一作：李明钰，武汉理工大学理学院研究员。研究方向为金属粒子等离子效应在光电探测器，生物探测器, 以及能量收集材料与器件中的应用。所得成果在Mater. Horiz., Nano Energy,Nano-Micro Lett., J. Mater. Chem. A, Small, ACS Appl. Mater. Interfaces, Chem. Eng. J., Nanoscales等国际一流杂志发表学术论文近90篇。以唯一作者在国家出版社出版著作《自组装金属纳米结构在紫外光电探测中的应用》。

通讯作者：张建兵，华中科技大学光学与电子信息学院/武汉光电国家研究中心，双聘副教授，博士生导师。长期从事量子点（半导体纳米颗粒）的溶液工艺合成、表面调控及其光电应用的研究，在该领域做出重要贡献，引起学术界和工业界的广泛关注。在美留学期间，师承量子点领域的开创者之一、量子点太阳能电池研究的先驱、量子点中多激子产生效应的提出者及国际权威Arthur. J. Nozik教授。以第一或通讯作者（包括共同）在本领域顶级期刊，如Nano Lett., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Nano Energy, Chem. Mater.，发表论文多篇。研究工作获得湖北省自然科学二等奖，并受到华为、TCL、华星光电等知名企业的关注。当前主要致力于量子点在红外探测和成像、光谱探测和成像、太阳能电池等光电应用的研究。

通讯作者：高亮，华中科技大学武汉光电国家研究中心副教授，博士生导师。2008-2018年本硕博就读于华中科技大学，2016-2017年于加拿大多伦多大学访学，2018年入职于华中科技大学。主要从事低温工艺半导体及其光电器件研究，低温工艺半导体具备工艺兼容性高、光电性质优良等特点，其光电器件涉及光电探测器与发光二极管。以第一作者或通讯作者(含共同)在Nature Photonics、Nature Electronics、Light: Science & Applications、Nano Letters等期刊上发表论文，累计引用5000余次，h指数34；受邀POEM、中国光学工程协会会议报告；于2019年荣获湖北省自然科学二等奖、华中科技大学重大学术进展，于2021年荣获湖北省“楚天学子”称号。

S. Liu, M.-Y. Li, K. Xiong, et al. Efficient quantum dot infrared solar cells with enhanced low-energy photon conversion via optical engineering. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4906-1.

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背景介绍

在广受关注的水系锌离子电池中，锌离子在电极材料中的缓慢扩散会严重影响电荷存储动力学。为此，正极依靠单价阳离子脱出/嵌入的水系锌基混合电池被开发出来以提高倍率性能。然而，这种电池仍然存在金属锌负极的一系列问题，包括锌金属腐蚀、锌枝晶、负极表面钝化、析氢反应等。虽然通过表面保护层、三维负极结构、电解液和隔膜优化等策略能够提高负极锌溶解/沉积的可逆性，但是往往采用了过厚的锌箔负极，会增大成本及降低电池的能量密度。

成果简介

通过简便的刮涂法在不锈钢箔表面构建了Ti₃C₂T_x/纳米纤维素复合涂层。整个电极的厚度仅为6.2微米，能够有效地避免电极材料的过量使用及提高电池的能量密度。采用该电极作为无锌负极，搭配磷酸钒钠正极材料和高浓度电解液组装了水系锌钠混合电池，实现了杰出的倍率性能、优异的循环稳定性和较好的抗冻性。在该电池体系中，锌离子和钠离子能够共同可逆地在磷酸钒钠正极材料中嵌入和脱出，而极薄的无锌负极能够增大电解液浸润性、降低水合锌离子脱溶剂化活化能和锌沉积成核过电势、提高锌沉积动力学以及抑制锌枝晶和有害副反应。该种电极结构设计有望扩展至其他电化学储能体系。

图文导读

图1基于Ti₃C₂T_x和纳米纤维素的极薄无锌负极的制备流程及表征结果

图2 水系锌钠混合电池的电化学测试结果

图3该电池体系下磷酸钒钠正极材料的储能机理研究

图4循环性能测试后无锌负极的表面物相和形貌研究

图5 无锌负极上锌沉积/溶解行为研究

作者简介

陈继章，南京林业大学教授/博导，香港中文大学博士后，上海交通大学学士/博士。近年来围绕电化学储能器件（锌离子电池、锂离子电池和超级电容器）关键材料和农林生物质资源高效利用开展了系统性研究工作，以第一作者或通讯作者在Adv. Mater.、Energy Storage Mater.、ACS Nano等期刊发表SCI论文50余篇（8篇他引>100次），以第一发明人获4项授权发明专利。承担国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等科研项目。E-mail：chenjizhang@njfu.edu.cn。

H. Chen, W. Zhou, M. Chen, et al. Ultrathin Zn-free anode based on Ti₃C₂T_x and nanocellulose enabling high-durability aqueous hybrid Zn-Na battery with Zn2+/Na+ co-intercalation mechanism. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4916-z.

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背景介绍

发展低成本、高安全、长寿命的二次电池在新能源汽车、动力电池及规模储能领域具有非常重要的意义。目前用于电动汽车及移动设备等的二次电池主要是锂离子电池（LIBs），但是锂资源日益紧缺，价格昂贵，且容易产生安全问题。近年来，基于多价离子的二次电池技术（如Mg²⁺、Ca²⁺、Zn²⁺或Al³⁺等）吸引了越来越多的关注。在这些新兴二次电池技术中，可充电镁电池（RMBs）受到的关注尤为广泛，因为地壳中的镁资源丰富，理论比容量高（3831 mAh cm^-3），具有相对较低的还原电位（相对于标准氢电极为-2.37 V），并且在大部分电解液中镁的电沉积不会形成枝晶结构。RMBs的发展也受到以下几个问题的严重阻碍：（1）Mg²⁺半径小，极化作用强，容易与正极材料的晶格阴离子发生静电相互作用，导致其在电极材料中的插层扩散动力学非常缓慢；（2）正极材料和电解液的兼容性差导致充放电过程不可逆；（3）镁在大多数溶液中容易生成镁离子难以通过的致密钝化膜，不利于镁的可逆溶解/析出。因此，开发高性能可充电镁电池正极材料是可充电镁电池发展迫切需要解决的问题之一。

目前为止，已经有许多关于RMBs正极材料的报道，包括过渡金属氧化物、过渡金属硫化物、过渡金属硒化物、聚阴离子化合物、和有机物等。氧化物和聚阴离子化合物正极材料中Mg²⁺会与晶格中的O^2-发生强烈的静电相互作用。相比地，软碱S^2-和Se^2-与硬酸Mg²⁺的作用较弱，利于Mg²⁺的迁移。硫化铜（CuS）由于它的低成本，资源丰富，具有很高的理论比容量（560 mAh g^-1），已被广泛用于各种储能器件。但是，在镁电池体系中，目前报道的CuS正极的可逆比容量与理论值相差大，且电极的循环稳定性很差。大多数的报道都是基于材料的合成，通过控制材料的形貌、尺寸等改善材料的性能，结果并不理想。

研究方法

本研究工作通过调节金属硫化物基正极材料的纳米结构及电解液的成分和兼容性，有效提升镁离子电池的倍率性能和循环寿命。

成果简介

本研究工作合成了一种CuS微米花，并探究了其在不同电解液中的电化学储镁性能，并通过非原位XRD和XPS表征证明，CuS正极与Mg²⁺发生了可逆的转化反应。该CuS正极在亲核性电解液全苯基铝镁盐电解液（(PhMgCl)₂-AlCl₃，APC）中会发生不可逆的副反应，循环可逆性较差。然而，在非亲核电解液Mg(HMDS)₂-MgCl₂/THF中，CuS正极镁化/去镁化反应的可逆性变好，性能有明显改善。当进一步向该电解液中添加N-甲基-N-丁基-哌啶-双三氟甲基磺酰胺（PP14TFSI）离子液体时，CuS与Mg²⁺发生的转化反应可逆性很好，比容量和循环寿命都得到极大的提升。该CuS正极在另一种非亲核电解液Mg(TFSI)₂-MgCl₂/DME中的电化学储镁性能也有明显的改善。当向Mg(TFSI)₂-MgCl₂/DME电解液中加入一定量的超干AlCl₃时，CuS正极的储镁性能大大提升。在100 mA·g^-1下，CuS的首圈比容量高达350 mAh·g^-1，循环150圈之后的可逆比容量保持在175 mAh·g^-1。同时，CuS在该电解液中表现出良好的倍率性能（在500 mA·g^-1的大电流密度下，比容量仍达117.7 mAh·g^-1）和较长的循环寿命，在500 mA·g^-1下循环1000圈之后，比容量还可达98.1 mAh·g^-1，保持最大比容量的93.2%。机理研究表明，CuS正极在Mg(HMDS)₂-MgCl₂/THF-PP14TFSI和Mg(TFSI)₂-MgCl₂-AlCl₃/DME电解液中电化学储镁性能大大增加的原因可能是因为PP14TFSI能够有效的抑制穿梭效应，此外超干AlCl₃作为牺牲试剂能够除去电解液中的水分和其他杂质。

图文导读

图1 CuS微米花的（a，b）SEM图，（c）TEM图，（d）高分辨TEM（HRTEM）图，（d）图中的插图是相应的快速傅里叶变换图谱，（e，f）CuS微米花的Cu和S元素分布图。

图2 CuS微米花的（a）XRD谱图，（b）Raman光谱图，（c）Cu 2p，（d）S 2p的高分辨XPS谱图。

图3 CuS微米花正极在非亲核电解液Mg(HMDS)₂-MgCl₂/THF-PP14TFSI中的电化学储镁性能。（a）在100 mA·g^-1电流密度下不同循环圈数的充/放电曲线和（b）相应的循环性能，（c）不同电流密度下的充/放电曲线，（d）倍率性能（电流密度范围：100 – 500 mA·g^-1），（e）500 mA·g^-1下循环800圈的性能图。

图4 CuS微米花微米花正极在非亲核电解液Mg(TFSI)₂-MgCl₂-AlCl₃/DME中的电化学储镁性能。（a）在100 mA·g^-1电流密度下不同循环圈数的充/放电曲线和（b）相应的循环性能，（c）不同电流密度下的充/放电曲线，（d）倍率性能（电流密度范围：100 – 500 mA·g^-1），（e）在500 mA·g^-1的大电流密度下循环1000圈的性能图。

图5 CuS微米花电极在电解液Mg(HMDS)₂-MgCl₂/THF-PP14TFSI中的动力学性能。（a）CuS微米花电极在50 mA g^-1的电流密度下活化5圈之后的GITT曲线；（b）根据GITT曲线计算所得的不同充/放电状态时的Mg²⁺的扩散系数（DMg）；（c）CuS微米花电极在不同扫描速率下的CV曲线；（d）根据不同扫描速率CV曲线获得的峰电流对数值与扫速对数值的曲线图及相应的b值。

图6 CuS电极在充/放电过程中的非原位表征：（a）50 mA·g^-1时的充/放电曲线；（b）不同充/放电阶段A、B、C、D、E时的非原位XRD谱；（c）A、B、C、D、E阶段时的Mg 2p XPS谱；（d）A、B、C、D、E阶段时的Cu 2p XPS谱。

作者简介

金钟，南京大学化学化工学院教授、博导、南京大学新材料与能源技术研发中心主任。2003年和2008年分别获得获北京大学学士和博士学位。2008-2014年先后在美国Rice大学和麻省理工学院进行博士后研究。2014年起任教于南京大学，入选了国家“万人计划”科技创新领军人才、国家优秀青年科学基金、国家海外高层次人才引进计划青年项目、科技部中青年科技创新领军人才。担任江苏省化学化工学会青委会主任、江苏省能源研究会储能专委会委员、江苏省汽车工程学会动力电池专委会委员、《Frontiers in Chemistry》副主编、《Nano Research》、《Chinese Chemical Letters》和《电化学Journal of Electrochemistry》青年编委等学术任职。主要研究领域是清洁能源转换与存储材料的结构设计、物理化学机制研究和器件应用，在Nature Chem.、Nature Commun.、JACS、Angew. Chem.、Adv. Mater.等学术期刊发表论文>200篇，他引>14000次，H因子>60。主持国家重点研发计划“纳米科技”重点专项项目、军委科技委国防科技创新特区项目、装备预研教育部联合基金青年人才项目、国家自然科学基金、江苏省碳达峰碳中和科技创新专项、江苏省杰出青年基金等科研项目。获得了2021年国家自然科学奖二等奖(5/5)、Clarivate全球高被引学者和Elsevier中国高被引学者、江苏省科学技术奖三等奖(1/7)、2020年华为“紫金学者”人才基金、2018年教育部自然科学一等奖(4/7)、江苏省教育教学与研究成果二等奖(1/5)、2017年教育部高校优秀科研成果奖一等奖(4/7)、江苏省首届创新争先奖状、江苏省双创人才、江苏省“六大人才高峰”高层次人才等奖励和荣誉。

课题组主页： https://hysz.nju.edu.cn/zhongjin/main.psp

X. Xue, X. Song, A. Tao, et al. Boosting the cycling stability of rechargeable magnesium batteries by regulating the compatibility between nanostructural metal sulfide cathodes and non-nucleophilic electrolytes. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4932-z.

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