【材料日报】钙钛矿太阳能电池稳定性新进展，沥青基过滤器和水进行碳捕获，锂电池领域取得突破

EPFL在钙钛矿太阳能电池稳定性方面取得进展

2017年12月8日，在全光照测试条件下，将胍盐结合到钙钛矿太阳能电池中，使其效率在19％下稳定1000小时。该项研究由瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）进行，并发表在《Nature Energy》上。

随着硅太阳能电池的转换效率稳定在25％左右，钙钛矿太阳能电池成为了市场下一代光伏电池的理想选择。目前，钙钛矿太阳能电池的主要问题是稳定性不够。

▲与现有的MAPbI₃相比，新型MA_（1-x）Gua_xPbI₃钙钛矿材料在连续光照下的稳定性测试

钙钛矿领域面临的主要挑战不是效率高而是稳定。与硅电池不同，钙钛矿是柔软的结晶材料，并且随着时间的推移而分解导致容易出现问题。这使得在商业环境中，钙钛矿比传统硅电池价格更高。

对此，虽然科学家进行了大量的研究，但是迄今为止，还没有发现能够同时提高效率和稳定性的方法。现在，EPFL的研究团队联合科罗拉多大学研究发现，通过将大的有机阳离子胍盐（CH₆N₃⁺）引入甲基碘化铅钙钛矿，可以提高钙钛矿的稳定性，是目前最具前景的替代品之一。

研究表明，胍阳离子插入到钙钛矿的晶体结构中，增强了材料整体的热稳定性和环境稳定性，克服了本领域已知的“Goldschmidt容忍因子限制”。这是一个钙钛矿晶体的稳定性指标，描述了特定离子与其相容的程度。理想的Goldschmidt公差系数应小于或等于1，而胍仅有1.03。

研究发现，胍的添加显著改善了钙钛矿材料的稳定性，同时平均光电转换效率超过19％（19.2±0.4％），并且在持续光照下可稳定工作1000小时。经过科学家估计，这相当于1333天（或3.7年）的实际使用情况。

Mohammad Khaja Nazeeruddin教授说：“这是钙钛矿领域的一个基本步骤。这为钙钛矿设计提供了一个新的范例，因为在阳离子混合物之外，超出容忍因子极限的进一步探索可以占主导地位，同时通过增加无机框架内的氢键数量来保持3D结构的稳定性，这个问题现在我们很快就会解决。”

美国莱斯大学研究人员利用沥青基过滤器和水进行碳捕获

近期，美国莱斯大学（Rice University）通过官网发布消息称，莱斯大学的研究人员已经找到了一种方法来使他们的沥青基吸附剂更好地捕获气井中的二氧化碳：只需加水即可。

莱斯大学James Tour实验室发现，用水处理廉价的沥青基吸附剂，使得该材料在温室气体中的吸附量是其重量的两倍以上。经处理的沥青基吸附剂对二氧化碳和有价值的甲烷的选择性吸收比例达到200:1。该材料在环境温度和井口压力下表现良好。当压力降低时，可将吸附的二氧化碳释放出来，然后通过储存，出售用于其他工业用途，或通过泵送回井下。这项研究成果刊发在本月的“Nature Energy”。

天然气井口通常含有3-7%的二氧化碳，但是在一些地方可能含有高达70%的二氧化碳。石油和天然气生产商传统上采用两种策略之一来捕获二氧化碳：

方法一是使用膜或固体吸附剂如沸石或多孔碳来进行吸附（物理法）；

方法二是通过用氨的衍生物液态胺进行化学过滤（化学法）。

但是这两种方法都有缺点。物理法很难区分二氧化碳和甲烷分子，它们在尺寸和极化性上相差甚微。化学法具有更好的选择性，但也更昂贵和更具腐蚀性，需要消耗大量的能量和使用大型设备。Tour表示，尽管胺选择性很高，但捕获的二氧化碳只占13%，还需要过热蒸汽来回收过滤系统，而莱斯大学团队的开发的新系统可捕获重量超过200%的二氧化碳，且不需要热源。

这种新的沥青基吸附剂具有胺的选择性，更高的二氧化碳吸收率和不需要热量等特点。用水涂覆孔表面增加了弱化学吸收和高选择性，同时保持了物质的强物理吸附。Tour说：“这就是所谓的变压吸附系统，由于其体积小，易于实施，而且不需要加热，因为它可以利用气井的固有压力来驱动工作。”

研究人员在不同的压力和温度之间进行了多个测试循环，材料的降解损失据报道可以忽略不计。研究人员发现，在循环过程中，大约损失了1%的水，但是天然气本身的含水量可能会补充进来而不影响其综合性能。

独立油气勘探和开发公司阿帕奇（Apache Corp.）支持了这项研究。

美国桑迪亚国家实验室在锂电池领域取得突破 

美国桑迪亚国家实验室（Sandia）官网近日公布消息称，研究人员发现在小型电子产品中提高固态锂离子电池性能的主要障碍是锂离子在电池界面上的流动。

桑迪亚国家实验室为期三年的定向研发项目，研究了固态电池纳米科学，重点放在电极和电解质接触区域。大多数商用锂离子电池由液体电解质和两个固体电极组成；而固态电池具有固体电解质，使其可以持续更长时间，并且操作也更安全。

▲研发人员

研发人员表示对任何锂电池而言，在充放电过程中，锂离子必须从一个电极到另一个电极来回移动。然而，锂离子在所有材料中的流动性并不相同，材料间的界面是其主要障碍。

研发人员表示桑迪亚对此项研究感兴趣的主要原因是固态电池维护量低、可靠和安全。液态电解质通常具有反应性、挥发性和高度易燃性，通常是商业电池故障的主要原因。消除液体组分可以使相关装置的性能表现更好。

桑迪亚国家实验室物理学家Farid El Gabaly表示：“这项工作的基本目标是使固态电池更有效率，并改善不同材料间的界面。在这个项目中，所有的材料都是固态的，我们没有传统锂离子电池中的液固界面。”

此项研发成果发表在“Nano Letters”上。