材料与可持续发展（一）——面向洁净能源的先进材料

核聚变堆包层结构材料研究进展及展望

徐玉平, 吕一鸣, 周海山, 罗广南

材料导报 2018,32(17 ):2897 -2906. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2018.17.001

摘要（1525）

PDF（pc）（2227KB）（1889）

收藏随着人类对能源需求的增加,核聚变能的发展越来越受到人们的关注。材料问题是目前限制聚变能发展的一个重要因素。包层是实现能量转换、氚自持及辐照屏蔽的主要部件,满足包层结构材料苛刻环境要求的结构材料的开发及性能检测成为目前研究的热点。
   以低活化铁素体马氏体(RAFM)钢为代表的包层结构材料已发展多年,然而依据中国聚变能发展路线图,CFETR一期包层结构材料的中子辐照水平可达到约10 dpa,在二期达到约50 dpa,目前没有材料能满足包括抗辐照损伤在内的苛刻环境要求并能满足工程建设需求。
   低活化铁素体马氏体钢是目前包层结构材料的首选候选结构材料,国内外已开发了多个牌号的低活化品种并具备了丰富的材料基础数据库,然而低活化钢的工作温度区间严重受限,高温蠕变及抗辐照能力无法满足CFETR二期及未来聚变堆的要求。为解决传统RAFM钢的不足,提出了两条思路:一种是添加氧化物弥散相以有效提高高温蠕变强度,其中又以制备过程中是否涉及机械合金化可进行进一步的区分;另一种思路是基于热力学模拟计算,优化RAFM钢化学成分并进行多轮热机械处理以增加MX相密度。其中,机械合金化制作的氧化物弥散强化钢(ODS钢)的性能最佳,但受限于机械合金化法,成本高且效率低。非机械合金化ODS钢与优化的RAFM钢的性能接近机械合金化ODS钢,成本远远低于机械合金化ODS钢且制备效率高,大批量制备技术相对容易。除了铁基材料外,钒合金及碳化硅复合材料在多方面展现了优势,长期以来都是研究人员关注的热点。钒合金的热蠕变和氦脆导致温度上限低并且与氢同位素兼容性不好,碳化硅复合材料的规模化生产及连接技术仍存在困难,这些缺陷限制了钒合金与碳化硅复合材料的发展,使之在现阶段无法满足应用需求。面向更高辐照水平的示范堆及商用堆,目前已有的包层结构材料可能无法满足需求。根据目前很有限的研究数据,非晶材料及高熵合金的工程应用还非常遥远:一方面需要借助材料设计和制备的新理念、新方法不断挖掘现有材料的性能潜力,另一方面应重视具有潜在优势的复合块状非晶材料及低活化高熵合金等新型材料的研发。
   本文依据中国磁约束聚变材料路线图草稿,对RAFM钢、机械合金化制备的ODS钢,钒合金以及碳化硅复合材料的发展进行了综述,对最近几年兴起的改良RAFM钢、非机械合金化制备的ODS钢等新型候选结构材料进行了介绍,并对具有更佳性能的先进结构材料种类进行了展望。

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三维结构聚丙烯酰胺/聚乙烯醇水凝胶的合成及其在超级电容器中的应用

王德玄, 王磊, 于良民

材料导报 2018,32(17 ):2907 -2911. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2018.17.002

摘要（900）

PDF（pc）（2198KB）（596）

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超级电容器电极材料及器件的柔性化与微型化

董文举, 孔令斌, 康龙, 冉奋

材料导报 2018,32(17 ):2912 -2919. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2018.17.003

摘要（794）

PDF（pc）（1877KB）（1168）

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锂离子电池SiO_x/C/CNTs复合负极材料的制备及其电化学性能

李文超, 唐仁衡, 王英, 王华昆, 肖方明, 黄玲

材料导报 2018,32(17 ):2920 -2924. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2018.17.004

摘要（650）

PDF（pc）（3237KB）（1029）

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温度和CO₂对热解成型生物质炭孔隙结构和表面分形维数的影响

刘泽伟, 闫思佳, 夏子皓, 田霖, 刘煜康, 王竟成, 胡建杭

材料导报 2018,32(17 ):2925 -2931. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2018.17.005

摘要（860）

PDF（pc）（2757KB）（448）

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吩噻嗪和吩噁嗪给电子体在染料敏化太阳能电池中的性能对比分析

谭海军, 何敬文, 裴海睿, 李和平, 张淑芬, 张淑华

材料导报 2018,32(15 ):2538 -2541. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2018.15.002

摘要（667）

PDF（pc）（1429KB）（594）

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空穴传输材料在高效钙钛矿太阳能电池中的发展演变

邹金龙, 罗玉峰, 肖宗湖, 胡云, 饶森林, 刘绍欢

材料导报 2018,32(15 ):2542 -2554. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2018.15.003

摘要（800）

PDF（pc）（1695KB）（587）

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二氧化锰基超级电容器的研究进展

黄文欣, 李军, 徐云鹤

材料导报 2018,32(15 ):2555 -2564. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2018.15.004

摘要（1224）

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收藏在能源日益紧张的今天,超级电容器作为一种新型的储能装置,以其寿命长、功率高、绿色环保等特点而备受关注。其中二氧化锰基超级电容器不仅具有高功率密度、长循环寿命、快速充放电等特点,还具有价格低廉、来源广泛、环境友好的优势,在各个领域都拥有非常广阔的应用前景和经济价值。然而因受到二氧化锰材料自身导电性和比表面积的限制,二氧化锰基超级电容器的比电容与理论值相差较大;同时其结构不稳定也造成循环稳定性较低。针对上述问题,目前对于二氧化锰超级电容器的研究主要集中于寻找简单可控的电极制备方法以提高电极的导电性、比电容、循环稳定性等电化学性能,以及设法综合利用各种电极材料的优点发挥其协同效应等方面。
探究简单可控的电极制备方法是获得高质量二氧化锰基超级电容器的研究的首要任务,常见的方法有溶胶-凝胶法、水热合成法、化学沉淀法、低温固相法和电化学沉积法。溶胶-凝胶法制备的样品纯度高,但是受干燥条件的影响较大,易团聚。化学沉淀法可直接得到化学成分均一、分布均匀的粉体材料,但是对合成温度要求较高,也易发生团聚。低温固相法制备电极粉末改善了高温时产物粒子易快速生长、团聚的问题,但是存在接触不均匀、反应不充分的缺点。水热法简单、成本低,是目前制备粉末电极较为常用的方法。这些制备方法各有千秋,但是这类先制备出粉末再合成电极的方式不仅延长了工艺,而且不符合节能环保的原则,相比之下电沉积法可直接将二氧化锰沉积到基底上,操作简单且参数灵活可控。二氧化锰电极材料的改性问题一直颇受关注,目前掺杂和复合仍是改性方面较为常用的方法。例如向二氧化锰中掺杂少量的金属元素可以提高电极的导电性,而与某些导电聚合物复合则可以有效地解决二氧化锰因结构不稳定而易在电解液中溶解的问题。掺杂物质与复合材料的选择、掺杂和复合方式以及与二氧化锰材料的配比是获得高质量电极的关键。当前二氧化锰基超级电容器电极材料不仅仅只有二氧化锰这一种,而是结合了各种炭材料、复合材料或者金属及其氧化物等物质,组合形成多元复合材料以利用各组分的特点,这对优化电容器性能有很大的帮助。此外,学者们还发现电解液的选择对扩大超级电容器的电化学窗口、提高电容器能量密度和功率密度有很大的影响。
本文简单介绍了二氧化锰基超级电容器的储能机理,综述了电容器电解液与电极的制备和改性研究现状,此外还介绍了二氧化锰基超级电容器的组装方式,并对未来的研究趋势提出了展望。

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退火处理对A₂B₇型La_0.63(Pr_0.1Nd_0.1Y_0.6Sm_0.1Gd_0.1)_0.2Mg_0.17Ni_3.1Co_0.3Al_0.1

邓安强, 罗永春, 王浩, 赵磊, 罗元魁

材料导报 2018,32(15 ):2565 -2570. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2018.15.005

摘要（458）

PDF（pc）（1797KB）（351）

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退火对铝诱导结晶锗薄膜的影响及其机理

贺凯, 陈诺夫, 魏立帅, 王从杰, 陈吉堃

材料导报 2018,32(15 ):2571 -2575. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2018.15.006

摘要（581）

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用于太阳能集热介质的纳米铜制备技术与铜纳米流体性能综述

周璐, 马红和, 马素霞, 杜慧娟

材料导报 2018,32(15 ):2576 -2583. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2018.15.007

摘要（636）

PDF（pc）（2025KB）（736）

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质子交换膜燃料电池双极板材料研究进展

李俊超, 王清, 蒋锐, 吴爱民, 林国强, 董闯

材料导报 2018,32(15 ):2584 -2595. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2018.15.008

摘要（1013）

PDF（pc）（1481KB）（807）

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氢、氘在铌膜中的渗透性研究

周燕燕, 周鑫, 陈长安, 王维, 王占雷, 饶咏初, 梁传辉, 周元林

材料导报 2018,32(15 ):2596 -2600. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2018.15.009

摘要（617）

PDF（pc）（1718KB）（978）

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二维材料MXene的储能性能与应用

郑伟, 杨莉, 张培根, 陈坚, 田无边, 张亚梅, 孙正明

材料导报 2018,32(15 ):2513 -2537. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2018.15.001

摘要（1596）

PDF（pc）（2199KB）（1900）

收藏能量存储和转化器件是现代社会的重要基础。随着清洁能源、便携式电子设备及电动汽车的快速发展,人们对储能器件性能的要求越来越高。储能材料是决定储能器件性能的重要因素。通常,储能材料需满足具有可逆的氧化还原反应、易于电解液离子脱嵌、尽可能多地提供氧化还原位点、良好的导电能力等要求。
近年来,二维材料因比表面积大、离子传输路径短等特点而得到广泛关注,在储能领域也具有巨大的发展潜力。只有原子量级厚度的二维材料,表面活性位点多,力学性能优良,正契合储能器件对电极材料的要求。MXene是一类新型二维材料,通式为M_n+1X_nT_x,其中M代表过渡族金属元素,X为碳和/或氮,T代表MXene在制备过程中产生的官能团(-F、-OH、-O等),n一般为1~4。自2011年首次报道以来,MXene在储能领域就被寄予厚望。MXene含有碳原子层,所以具有类似石墨烯的良好导电性;而过渡金属层使其表现出类似过渡金属氧化物的性能;同时,表面多样的官能团赋予MXene良好的亲水性。这种独特的性能组合,使得MXene电荷响应速度快,具有赝电容特征且循环性能稳定,成为储能领域的研究焦点。另外,便携式储能器件要求更高的体积容量与体积能量密度,而MXene与碳基电极材料相比堆积密度高,可有效降低器件体积,拓展应用范围。
目前,MXene及其复合材料已经在超级电容器、锂/钠/镁离子二次电池、锂硫电池、锌-空气电池、储氢等诸多储能领域展现出实用价值。但是,MXene容易发生塌陷和堆垛,影响其作为电极材料的性能。因此,需将MXene进行插层、改性、掺杂或与其他材料复合,以阻止MXene堆叠,减小离子扩散阻力,并增加离子吸附位点,从而提高其电化学性能。而且,不同的能量存储和转化装置对MXene的合成方法和结构特征有不同的要求,鉴于MXene能源应用相关研究的大量呈现,有必要对其进行全面总结与分析,以期推动MXene在该领域的发展。
本文旨在综述MXene在制备、结构、性能及其在储能方面的最新研究动态与发展方向,并讨论面临的挑战。

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金属-有机框架(MOFs)衍生材料及其在储能器件和电催化领域的应用

叶绍凤, 刘文贤, 徐喜连, 沙东勇, 施文慧, 曹澥宏

材料导报 2018,32(13 ):2129 -2142. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2018.13.001

摘要（1957）

PDF（pc）（4558KB）（2115）

收藏金属-有机框架(MOFs)是一类由金属离子/团簇和有机配体通过配位形成的具有多孔结构的无机-有机杂化材料。MOFs具有比表面积高、孔径均一、结构可调等优点,受到了人们的广泛关注。然而,MOFs的导电性和稳定性较差,制约了其应用的进一步拓展。以MOFs作为前驱体,通过水热反应或煅烧得到组成、形貌、结构可调的MOFs衍生材料,既能够保持MOFs材料结构多样性和多孔性的特点,又能有效提高其导电性和稳定性,近年来已成为该领域的研究热点。然而,MOFs衍生材料单一的组成和结构,使其能够提供的性能(如电容性能、催化性能)有限,极大地限制了其相关应用的发展。因此,近几年除了研究制备各种不同MOFs衍生材料外,研究者们主要从MOFs衍生材料的组成和结构方面出发,制备出多样化且在各方面应用中(如储能器件、催化)表现出优异性能的材料。 MOFs衍生材料作为性能优异的应用型材料,其研究较为成熟的组成和结构分别主要包括多孔碳、金属氧化物、金属硫化物、金属磷化物、金属氢氧化物以及纤维状结构、中空结构、核壳结构等。MOFs衍生材料不仅具有高的比表面积、均一的孔径分布,通常还结合了衍生多孔碳的高导电性及其他衍生材料(金属化合物或掺杂的金属原子及杂原子,如N、P、S等)的优异性能(如电容性能、催化性能),从而发挥出更加优异的性能。其中,MOFs衍生金属化合物材料具备多孔结构,能够提供优异的容量性能及催化性能等,且其性能通常优于通过其他方法制备得到的同种材料。从结构方面出发,近几年,研究者们通过调控前驱体结构亦或是反应条件,制备得到多种不同结构的MOFs衍生材料。一方面,部分制备得到的结构(如核壳结构、中空结构)可以缓解MOFs衍生材料在使用过程中所受到的冲击,从而表现出优异的循环性能。另一方面,通过调控MOFs衍生材料的结构,使其活性位点得到充分的暴露,从而使其性能得到最大化的发挥。本文综述了MOFs衍生材料的研究进展,包括组成特点、结构调控,及其在储能器件、催化领域的应用,最后阐述了MOFs衍生材料研究领域当前面临的挑战以及未来的发展前景。

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有机太阳能电池阴极界面层概述

周丹, 秦元成, 徐海涛, 李明俊

材料导报 2018,32(13 ):2143 -2150. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2018.13.002

摘要（838）

PDF（pc）（2536KB）（926）

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浅析有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池稳定性的研究

陈健, 缪卫峰, 王吉林, 郑国源, 龙飞

材料导报 2018,32(13 ):2151 -2160. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2018.13.003

摘要（704）

PDF（pc）（1330KB）（1242）

收藏有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池近几年来发展迅速,其器件认证光电转效率已达22.1%。同时,这类电池具有成本低廉、能量回收期短等优势,有望实现商业化应用。然而,钙钛矿吸光层本身在湿度较大、温度较高及光照等条件下不稳定,并且与其他功能层组装成器件时易引发电极腐蚀、深缺陷态等问题,使得器件不稳定性加剧。越来越多的文献报道了提升器件稳定性的方法,主要集中在:(1)从成分优化方面提升钙钛矿吸光层的稳定性;(2)从器件结构优化方面提升器件的稳定性。在成分优化方面,科研者们主要从钙钛矿ABX₃结构成分、结构维度和保护层的使用等角度提升钙钛矿材料的稳定性。(1)在满足容差因子t或八面体因子μ的条件下,将甲脒离子、铯离子等疏水或耐热基团引入ABX₃结构的A位中,而X位掺入溴离子或硫氰根离子能提升钙钛矿材料的抗湿性,或者整合单一位置优势得到混合位Cs_x(MA_0.17FA_0.83)_(100-x)Pb(I_0.83Br_0.17)₃不仅能提升材料的热稳定性,而且可使器件的转换效率提高至21.1%。(2)较低结构维度(主要为二维)钙钛矿材料的研究也获得了一定的进展,例如制得的BA_0.05(FA_0.83Cs_0.17)_0.95Pb(I_0.8Br_0.2)₃材料的湿度和光照稳定性优异。(3)疏水性能好、电荷传输能力优异的保护层如丁基膦酸4-氯化铵或苄胺等同样可增强钙钛矿吸光层的稳定性。在器件结构优化方面,研究者们分别从电子传输材料(如二氧化锡、镧掺杂锡酸钡等)、空穴传输材料(如CuGaO₂、酞菁铜等)和上电极(碳、铜等)等角度提升器件的稳定性。其中,(1)紫外光催化活性差、电子迁移率优异、能带结构适宜的镧掺杂锡酸钡组成的器件展现了优异的光照稳定性。(2)由化学和热稳定性优异的酞菁铜组成的器件也获得了良好的热稳定性和17.5%的转换效率。(3)优化上电极方面,将碳电极应用到大面积器件上时,器件呈现了良好的湿度和光照稳定性;而铜电极替换金或银电极时,器件的光电转换效率同样超过20%,并且其热和光照稳定性良好。本文主要从钙钛矿吸光层材料成分和器件结构两大角度梳理了关于提升器件稳定性的研究现状,分别对钙钛矿吸光层ABX₃的组分、钙钛矿材料的结构维度、其他功能层等优化方面提升器件稳定性的工作进行了综述。最后,结合现有的研究成果展望了有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池的发展趋势。

程亮, 张鹏程

材料导报 2018,32(13 ):2161 -2166. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2018.13.004

摘要（656）

PDF（pc）（1447KB）（706）

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650 ℃第三代超超临界锅炉管候选钢种的化学成分研究现状

文新理, 章清泉, 陈列

材料导报 2018,32(13 ):2167 -2175. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2018.13.005

摘要（625）

PDF（pc）（3448KB）（525）

收藏据最新统计数据,截至2016年底,我国火力发电量占总发电量的71.60%,火力发电的装机容量占总发电装机容量的64.04%。在总发电量中,水力发电量占比不足20%,核能、风能和太阳能发电量之和占比不足10%,因此,火力发电仍然是我国电力能源的支柱。然而,随着人们环保意识的日益加强,低效率、高排放、重污染的传统发电技术已不能满足发电产业健康、可持续发展的需要。超超临界发电技术作为一种高效率、低排放、低污染的新型先进发电技术,其应用将日益广泛。在工程热力学中,水的临界点参数是22.115 MPa和374.15 ℃,在此参数之上为均匀的单相流体水,这种状态称为超临界状态,在此参数之上运行的机组称为超临界机组。超超临界在物理上并没有明确的对应参数点,对于超超临界机组,各国并没有统一的定义,国内普遍认为当蒸汽压力不小于27 MPa或温度不低于580 ℃时,即可称为超超临界机组。650 ℃超超临界技术是目前我国和世界发达国家竞相研究和发展的先进燃煤发电技术,其主蒸汽温度高达650 ℃、主蒸汽压力高达35 MPa,该技术的关键是主蒸汽锅炉管用钢的研发,要求钢种能够承受650 ℃、35 MPa主蒸汽的高温、高压和腐蚀作用,其研究焦点集中在化学成分的设计上。目前日本和中国已分别独立开发出了各自的成分体系,并研制出了原型钢。日本国立物质材料研究所(简称NIMS)开发出了9Cr-3W-3CoVNbBN钢(代号为MARBN),日本新日铁住金公司开发出了9Cr-3W-3CoNdVNbBN钢(代号为SAVE12AD),我国钢铁研究总院和宝钢开发出了9Cr-2.8W-3CoCuVNbBN钢(代号为G115)。但以上三种钢的工艺性能和使用性能仍处于试验评价阶段,配套焊材和焊接技术也还在研发中。从世界范围看,650 ℃超超临界锅炉管已有多个不同成分体系的候选钢种,但不同钢种之间的成分差别较大,各开发者对不同化学元素作用的认识也不尽相同,究竟哪一种成分体系是最佳选择并没有明确的定论。本文综述了目前世界上关于650 ℃超超临界锅炉管候选钢种化学成分的研究现状,分析了钢中化学元素B、N、C、W、Ta、Nd、Co等的作用机理,阐述了化学元素对基体组织、碳化物和高温蠕变性能等的影响。针对650 ℃超超临界锅炉管用钢的关键技术瓶颈——配套焊材和焊接技术,从焊接性能的角度指出焊材化学成分设计应与管材基体化学成分有益配合,避免二者微量元素的不良结合引起焊接性能劣化,明确了焊材开发中应注意的问题。

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事故容错燃料包壳候选材料的研究现状及展望

刘俊凯, 张新虎, 恽迪

《材料导报》期刊社 2018,32(11 ):1757 -1778. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2018.11.001

摘要（1452）

PDF（pc）（4982KB）（1283）

收藏 2011年福岛核电站事故中,反应堆堆芯燃料中的锆合金包壳在事故工况下与高温水蒸汽发生剧烈氧化反应继而产生大量的氢气和热量,最终导致反应堆堆芯熔化和氢气爆炸,对社会和环境造成极大负面影响。自此之后,国内外纷纷展开对事故容错燃料的研究开发。相较于传统的UO₂-Zr合金燃料体系,事故容错燃料能够在反应堆正常运行工况下维持或提高燃料性能,并在事故发生后相当长的一段时间内维持堆芯完整性,提供足够的时间裕量来采取事故应对措施。
  反应堆堆芯环境非常极端,包壳长期处于高温高压腐蚀介质中,同时还受到中子辐照的影响,因此新型包壳材料需要较好的耐腐蚀性和辐照稳定性。经不同研究者的研究评估,目前能够替代Zr合金的事故容错燃料包壳材料可分为陶瓷材料和金属材料两类:陶瓷材料主要以SiC/SiC复合材料为代表;金属材料主要有以FeCrAl为代表的Fe基合金和以Mo为代表的难熔金属及其合金。
  上述三种替代Zr包壳的材料各有其利弊,均未达到工程应用水平,并且都存在待解决的关键性问题。其中,FeCrAl合金的研发进展最快,目前在热学性能、力学性能、抗腐蚀性能、抗辐照性能等方面表现较好,但在工业加工和焊接等方面仍有待进一步改善。就SiC/SiC复合材料而言,由于SiC自身的高脆性而导致力学强度不足,不同的研究者提出了不同的结构设计思路试图降低包壳管失效概率,但包壳最终的结构设计仍未确定,而辐照引起的热导率急剧降低及连接密封和加工制造等方面还在不断研究中。Mo及Mo合金的力学性能和抗辐照性能较好,但自身抗腐蚀性较差,解决思路主要集中在提高钼纯度、调整合金的元素成分、进行表面涂层等方面。目前,对后两种材料包壳管的加工能力均未达到薄壁长管的工业制造水平。对于这几种候选包壳材料,需要建立属性数据库和一套完善的标准来衡量材料的质量。此外,还需开发相应的程序来评估包壳在堆内的行为。
  本文主要综述了SiC/SiC复合材料、FeCrAl合金、Mo及Mo合金三种候选包壳材料的研究进展,包括候选包壳材料的物理性质、耐腐蚀性能、力学性能、抗辐照性能、芯块-包壳力学与化学相互作用、在事故工况下的行为和工程应用等,综合分析了事故容错燃料包壳材料当前的研究现状,指出了各事故容错燃料包壳未来需集中解决的关键性问题。

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面向可充电电池的锂金属负极的枝晶生长:理论基础、影响因素和抑制方法

梁杰铬, 罗政, 闫钰, 袁斌

《材料导报》期刊社 2018,32(11 ):1779 -1786. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2018.11.002

摘要（1137）

PDF（pc）（1885KB）（1083）

收藏在全球能源与环境问题日趋紧迫的大背景下,可再生能源的获取与利用途径及高效安全的储能技术的研发一直是工业界和科学界关注的热点之一。锂离子二次电池作为能量存储器件,拥有高比能量、长循环寿命等优点,近十几年来其研究取得了长足进展,并在各类便携式电子设备和电动交通工具中获得了广泛应用。然而,随着各种高性能设备的不断涌现,商业化的锂离子电池越来越难以满足其在能量密度、循环稳定性和安全性等方面的要求。
    为了进一步提高锂离子电池的能量密度,需要开发出高比容量的负极材料(硅、锡和锂等)以取代传统石墨负极。硅、锡等新式负极材料通过与锂离子反应形成含锂化合物的原理来存储与释放锂离子,完成电池的一个充放电过程。这个过程往往伴随着负极材料体积的剧烈变化,经历较长时间循环使用后会导致负极材料的粉化甚至从集流体上剥离,引起电池容量迅速衰减甚至失效。而锂负极通过锂在负极上的溶解和沉积来完成电池的充放电过程,该过程不存在反应相变所导致的体积变化。另外,锂金属负极材料具有极高的质量比容量(3 860 mAh/g)、低密度(0.59 g/cm³)和低的还原电位(-3.04 V,相比于氢标准电极),被认为是一种理想的可充电电池负极材料。然而,锂的枝晶生长、锂金属电池低的库伦效率和锂的无主体沉积引起的体积膨胀等一些关键问题长期以来制约着锂负极的商业应用。
    锂的每次沉积都会产生枝晶,在充放电循环中,锂枝晶会导致电池内部短路甚至发生爆炸,带来严重的安全问题。除此之外,锂枝晶还会增加负极表面积,新暴露的锂金属会与电解液反应生成固态电解质膜(Solid electrolyte interface, SEI),这会损耗活性材料以及降低电池的库伦效率。为了解决以上问题,研究者们对锂金属电极进行了许多探索,尤其是在锂枝晶生长的机理及其抑制方法方面。一些理论模型如扩散模型、SEI保护模型、电荷诱导生长模型和薄膜生长模型等,以及与这些模型相对应的一些抑制方法如均匀锂离子流法、SEI膜保护法、稳定沉积主体法和静电屏蔽保护法等被提出。这些抑制方法能够在一定程度上缓解锂枝晶的生长问题,但都未能达到商业化应用的要求。
    本文总结了近几年研究人员针对锂离子电池锂金属负极的一些重要研究,系统地介绍了业内较为认同的枝晶生长模型和影响因素,并着重叙述了抑制枝晶生长的方法及成效,最后就锂金属负极将来的研究方向给出一些建议。

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硒化温度对CIGS/Mo界面微观结构和化学成分的影响

袁琦, 茶丽梅, 明文全, 杨修波, 李石勇, 韩俊峰

《材料导报》期刊社 2018,32(11 ):1787 -1790. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2018.11.003

摘要（578）

PDF（pc）（1781KB）（608）

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中空硅纳米球锂离子电池负极材料的制备及电化学性能

丁昂, 张钟元, 程厅, 董星龙

《材料导报》期刊社 2018,32(11 ):1791 -1794. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2018.11.004

摘要（553）

PDF（pc）（1710KB）（572）

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定向凝固法多晶硅杂质控制数值模拟概述

苏文佳, 牛文清, 齐小方, 李琛, 王军锋

《材料导报》期刊社 2018,32(11 ):1795 -1805. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2018.11.005

摘要（469）

PDF（pc）（2022KB）（853）

收藏在传统能源日渐消耗及可再生能源开发利用日趋受到重视的形势下,太阳能光伏发电逐渐成为最具潜力的可再生能源技术之一。多晶硅凭借高效率、低成本的优势成为最主要的光伏材料,其铸锭的品质和成本将直接影响太阳能电池的成本和光电转换效率。定向凝固法是制备多晶硅铸锭的重要方法,该方法晶硅生长过程中存在很多问题,包括熔体流动、杂质传输、固液界面的形状和结构以及缺陷。定向凝固过程中引入的有害杂质严重影响晶硅的机械和电学性能,是限制多晶硅光电转换效率的关键因素。
    长晶过程中定向凝固炉处于高温环境中,内部的传热传质极其复杂,不具备单一的线性关系和可推断性,且难于进行实验测量,因而数值模拟是研究定向凝固过程中传热传质现象的重要方式。降低长晶过程中杂质的含量可从两方面入手:(1)杂质的来源——原材料本身所携带的杂质和长晶过程中生成的杂质;(2)杂质的输运——找到杂质在熔体和氩气中的输运规律,并利用该规律控制杂质的分凝与输运。
    近年来,从控制杂质产生和输运的角度考虑,国内外对降低多晶硅中有害杂质的研究主要采用以下手段:(1)控制杂质产生,包括减缓坩埚与挡板之间的化学反应、优化顶部坩埚盖板、增设碳化硅涂层等;(2)优化氩气流动,例如使用导流系统、调整炉膛压力和氩气流量;(3)优化熔体对流形式,包括控制熔体流动方式及分凝、调整加热器功率大小及其排布、采用可旋转坩埚和调整石墨碳毡位置等。
    为进一步降低定向凝固法多晶硅铸锭成本,坩埚尺寸和投料量不断增大,熔体对流、杂质输运和界面形状也更加难于控制,外加磁场则成为控制熔体对流的一种强有力工具,并能进一步控制杂质输运。目前利用外加磁场控制定向凝固法多晶硅杂质的研究仍刚刚起步,具有很大的研究价值,其中电磁场(EMF)和行波磁场(TMF)在控制搅拌熔体对流方面具有巨大潜力,逐渐被用于多晶硅长晶过程。
    本文在深入分析杂质来源和输运机理的基础上,综述了国内外对多晶硅定向凝固过程中有害杂质的产生、分布、输运以及排出等问题的研究现状,总结了数值模拟中氩气导流系统、加热器以及外加磁场等因素对杂质的影响。

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基于印刷技术制备钙钛矿太阳电池

李恒月, 龚辰迪, 黄可卿, 阳军亮

《材料导报》期刊社 2018,32(9 ):1385 -1400. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2018.09.001

摘要（985）

PDF（pc）（3317KB）（1345）

收藏近年来,钙钛矿太阳电池(Perovskite solar cells, PSCs)以其优异的光电转换性能和溶液制备成本低等优势受到了科研工作者和产业界人士的广泛关注,被认为是新一代薄膜太阳电池技术中的杰出代表。目前,钙钛矿太阳电池的光电转换效率(Power conversion efficiency, PCE)已经从2009年报道的3.8%迅速提升到现在的22.7%,达到商业化多晶硅、碲化镉、铜铟镓硒等太阳电池水平。目前,溶液旋涂法是实验室制备钙钛矿太阳电池的常用方法。虽然旋涂法操作简单、成膜速度快、重复性好,然而该法缺点也很明显:(1)材料浪费严重;(2)不具备图案化功能;(3)不适用于工业化的连续生产。因此,溶液旋涂技术无法满足钙钛矿太阳电池今后大规模工业化生产所需的大面积、低成本等制造要求。从实验室小面积器件制备转变到可大面积的产业化制备以及降低钙钛矿太阳电池的生产成本,将是钙钛矿太阳电池产业化过程中的一个重要课题。在钙钛矿太阳电池的制备方法中,印刷技术因具有材料利用率高、成本低、工艺效率高、可大面积制备、适用于柔性基底等特点而备受关注。基于印刷工艺制备的小面积钙钛矿太阳电池效率已接近20%,大面积(>10 cm²)钙钛矿太阳电池效率在10%~16%之间,大面积柔性钙钛矿太阳电池效率为10%左右。然而,从实验室小器件转变到大规模工业化生产依旧存在许多问题亟待解决。例如:(1)为了加快钙钛矿材料的结晶,在钙钛矿薄膜退火过程中通常采用溶剂工程或惰性气体辅助的方式,这将导致印刷的大面积钙钛矿薄膜质量难以控制以及重复性降低;(2)退火过程中较高的退火温度会限制柔性基底和界面材料的选择;(3)钙钛矿材料本身对空气湿度敏感,需提高钙钛矿层制备过程的环境适应性,降低制备工艺本身对环境条件的限制等。基于此,完善钙钛矿太阳电池的印刷制备工艺并使其适用于工业化生产显得十分重要。本文综述了基于喷墨打印(Inkjet-printing)、喷涂(Spray-coating)、狭缝涂布(Slot-die coating)、刮涂(Doctor-blading)等印刷技术制备钙钛矿太阳电池的研究进展,并对印刷技术制备钙钛矿太阳电池的前景进行了展望。

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锂硫电池硫正极材料研究进展

陈子冲, 方如意, 梁初, 甘永平, 张文魁

《材料导报》期刊社 2018,32(9 ):1401 -1411. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2018.09.002

摘要（1214）

PDF（pc）（2082KB）（1598）

收藏由化石燃料的大量使用导致的全球能源和环境问题日益严重,已对人们的生产和生活产生了明显的影响。开发利用储量丰富的清洁能源(如太阳能、水能和风能等)有望较好地解决全球能源和环境问题。由于这些清洁能源存在地域性、间歇性等特点,高效的能量转化和存储技术是实现清洁能源规模化利用的关键和基础。锂离子电池作为绿色环保的储能器件,已在手机、笔记本电脑、相机等便携电子产品中广泛使用。近年来,锂离子电池开始在电动汽车等动力电池领域得到应用。但是,由于其能量密度不够高,导致锂离子电池电动汽车续航短、充电频繁及购车成本高。由金属锂为负极和硫为正极组成的锂硫电池的能量密度(2 600 Wh·kg^-1)远高于目前广泛使用的锂离子电池。此外,硫正极材料具有储量丰富、毒性低、价格便宜、环境友好等突出优点。因此,锂硫电池被认为是当前最具研究前景的高能量密度二次电池之一。硫正极材料的本征导电性差、在充放电过程中存在较大的体积膨胀和收缩,储放锂过程中形成的多硫化锂易溶于电解液,使得锂硫电池的倍率性能、循环寿命和库伦效率等电化学性能离实际应用仍有较大距离。迄今为止,关于硫正极材料的研究工作,主要集中于如何提升其导电性、抑制或消除由多硫化锂的溶解引起的穿梭效应以及在反复的循环过程中保持电极材料微结构的稳定性等方面。相关研究表明,将硫与不同形貌的碳材料复合构筑成具有特殊微观结构的硫/碳复合正极材料可显著提高其导电性、抑制多硫化锂的穿梭效应和减缓储放锂前后的体积变化,进而改善倍率性能、循环稳定性和充放电效率等。此外,在硫正极材料中引入异质元素掺杂碳材料、金属氧化物和导电集合物均可通过化学吸附实现对易溶解多硫化锂的有效吸附。将上述多种改性方法结合也可使硫正极材料具有优异的电化学储锂性能。本文从锂硫电池的工作原理出发,总结了硫正极材料存在的主要问题,综述了近几年锂硫电池复合正极材料的研究进展,最后对锂硫电池正极材料的研究思路与发展趋势进行了分析和展望。

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