EcoMat 2025年第一期上线

镍锌（Ni-Zn）电池因其高功率密度、低成本及环保特性，成为电化学储能产业中一项重要的潜在技术。然而，容量衰减、自放电、热稳定性差以及电极退化等关键可靠性问题，制约了其市场竞争力并阻碍了大规模应用的实现。香港可靠性与安全性研究中心 (CAiRS) Steven T. Boles团队在EcoMat发表研究论文，全面剖析了Ni-Zn电池的退化机制及提升其可靠性的策略：从其基本化学特性、运行原理及退化路径出发，探讨了材料改性、电解质优化、电池设计改进及热管理技术等一系列解决方案。同时，本文还系统分析了用于数据收集和可靠性评估的先进表征技术，包括电化学、结构分析、光谱学及原位技术，这些工具可有效识别该电池体系的关键问题。此外，文章展望了诸多新兴趋势，如新材料开发、与其他能源技术的融合，以及大规模实施面临的挑战，并强调了建立标准化可靠性测试协议的重要性。值得一提的是，本文还探讨了先进传感技术的潜力，例如利用光纤布拉格光栅（FBG）传感器实现实时监测与异常检测，以及结合机器学习（ML）的预测与健康管理方法。

超级电容器作为未来集成化甚至植入式电子设备的潜在能源单元，展现出广阔的应用前景。然而，其有限的可降解性和较高的生物毒性严重限制了进一步发展。为解决这一问题，大连理工大学Xufeng Dong团队通过广泛应用可降解聚合物，并采用精心设计的封装与隔离策略，成功制备了具备完全可降解特性且具有优异生物安全性的未来导向型超级电容器。该器件结合了自支撑纸浆纤维/石墨烯复合电极与瓜尔胶凝胶电解质，展现出优异的倍率性能和持久的使用寿命。同时，其极低的细胞毒性和良好的生物相容性表明，器件植入后不会引发显著的排斥反应，也不会对SD大鼠的存活状态产生影响，充分显示了其为植入式电子设备供电的潜力。值得一提的是，该器件的所有组件（包括电极、电解质、基底和封装材料）均由无害且可降解的材料构成，实现了真正意义上的完全可降解性。本研究提出的制备策略与材料选择有望广泛应用于各种储能系统，为能源存储设备乃至微电子设备的无害化处置提供了重要的参考与指导。

高丽大学Jin Hyuck Heo，Sang Hyuk Im在EcoMat发表研究论文，通过战略性界面改性，利用定制化石墨烯量子点（GQDs）提出了一种提升钙钛矿太阳能电池（PSCs）效率和长期稳定性的新策略。通过精确控制GQDs的烷基胺链长度（如丁胺C4、辛胺C8和十二胺C12），赋予其适配特定PSCs界面的理想光学和电子特性。研究发现，引入C4-GQDs能够显著优化SnO2电子传输层（ETL）的能级对齐和导电性能，而C12-GQDs则通过降低钙钛矿表面的陷阱密度，有效增强了缺陷钝化效果。这些界面改性措施使单元电池的光电转换效率提升至24.41%，小型模块达到18.91%。尤其值得关注的是，在25°C、相对湿度35%的持续光照条件下，经过1000小时的最大功率点跟踪测试，小型钙钛矿模块仍能保持初始效率的89%。本研究突显了定制化GQDs在提升PSCs性能和稳定性方面的巨大潜力，为未来光伏技术的发展提供了一种可扩展且高效的解决方案。

层状双金属氢氧化物（LDHs）是一类具有离子层状结构的材料，其特征是在带正电的类水滑石层间嵌有含阴离子的区域。LDHs在电池和燃料电池等能源转化系统中展现出优异的电化学活性。庆尚大学Juyeong Kim与滑铁卢大学Anna Klinkova在EcoMat发表研究论文，基于沸石咪唑酯骨架-67（ZIF-67）开发出一种分级多孔纳米结构，并进一步将其转化为具有不同镍（Ni）浓度的LDH结构。通过精确调控LDH中的Ni/Co比例，系统探究了不同摩尔分数的Co和Ni对电化学尿素氧化反应（UOR）催化活性与选择性的影响。研究发现，Ni含量较低（≤40%）的LDH结构表现出较高的O₂生成活性和选择性，这主要归因于其结构不稳定性及ZIF-67衍生材料中占主导地位的析氧反应（OER）。相反，当Ni含量较高（≥60%）时，LDHs有效抑制OER并显著提升了UOR的催化活性。这一优势归功于高Ni含量LDH形成的中空结构，其扩展的电化学活性表面有助于改善电极界面的质量传输与扩散性能，从而加速反应动力学，提升电流密度。本研究为金属有机框架（MOF）衍生纳米结构在尿素氧化反应（UOR）中的设计与优化提供了重要的理论依据和指导原则。

在强烈的户外太阳辐射下，金属结构设施的温度显著升高，可能导致严重的安全事故。由于主动冷却技术能耗较高，特别是在复杂的户外环境中，其应用面临较大挑战。相比之下，具有高太阳反射率和热辐射能力的被动冷却装置可以在阳光下持续降温。然而，传统的白色或银色被动冷却装置在美学和特定需求上往往难以满足要求。华中科技大学陶光明团队在EcoMat发表研究论文，提出了一种创新的分层超涂层（metapaint）技术，专为户外设施设计，既能展现鲜艳的颜色，又具备优异的被动冷却效果。其顶层选择性地吸收可见光波长，展现所需颜色，而底层则增强近红外至短波长红外（NSWIR）光的反射，防止太阳辐射加热。超涂层涂覆的金属材料在高低温、酸碱环境以及模拟海水中均表现出良好的耐受性，同时具有优异的抗污性能。与未涂商业涂料的金属相比，涂覆分层被动冷却涂层后的金属温度可分别降低最高9.7°C和17.1°C。该超涂层的出色被动冷却性能，源于其宽谱选择性调节功能。我们的研究提供了一种简单、经济且可扩展的解决方案，能够有效减少冷却能源消耗，并促进低碳生活方式的推广。

交联有机半导体凭借其高溶剂抗性的三维网络结构，为有机电子学领域的多种制造技术开辟了新路径。然而，近年来在合成交联半导体聚合物方面的研究受限于低分子量和低产率。成均馆大学Boseok Kang团队在EcoMat发表研究论文，提出了一种新颖的后聚合策略，成功克服了这一限制。作者通过硫酯化和对位氟-硫反应，将含有交联功能基团的试剂（3-巯基丙基三甲氧基硅烷）连接至基于二吡咯并吡咯酮（DPP）的受体-供体共聚物（DPPTT），同时对两个位点进行改性。这一改性方法在保留原始聚合物分子量和电学性能的同时，通过点击化学实现了高达98%的产率，且无需进一步纯化。改性后的DPPTT表现出对有机溶剂的优异耐受性（在1-氯苯中浸泡1小时后保留80%的性能）。得益于这一特性，利用传统光刻法制造的超薄柔性有机场效应晶体管阵列（共计100个）展现了卓越的性能可靠性。因此，本研究提供了一种通用策略，用于合成多功能聚合物半导体，为有机电子学的实际应用奠定了基础。

供体（D）-受体（A）型聚合物的复杂分子结构为实现高效能量转换效率（PCE）的钙钛矿太阳能电池（PVSCs）空穴传输材料（HTMs）的开发提供了宝贵的启示。随着近年来PCE的显著提升，研究越来越关注通过调整HTMs的功能性来优化其性能。韩国釜山大学Sung-Ho Jin团队在EcoMat发表研究论文，通过将吡嗪基受体与两种知名供体——苯并二噻吩（BDT）和二噻吩并苯并二噻吩（DTBDT）结合，合成了两种新型D-A型聚合物（NBD-Pyz和NDT-Pyz），用作无掺杂HTMs的PVSCs。吡嗪基团的引入有效地降低了能级，并提高了两种HTMs的共平面性。值得注意的是，NBD-Pyz显著降低了陷阱密度并钝化了钙钛矿层。此外，NBD-Pyz的表现优于NDT-Pyz，表现出更高的空穴迁移率以及在2-甲基苯甲醚（2MA）和邻二甲苯中的更好溶解性。此外，使用2MA/邻二甲苯共溶剂工艺制备的无掺杂聚合物NBD-Pyz HTM器件实现了高达22.9%的最佳PCE。与基于NDT-Pyz和Spiro-OMeTAD的PVSCs相比，未封装的NBD-Pyz器件表现出显著更高的稳定性，在1000小时后仍保持初始效率的近90%。此外，所得PVSCs即使在未封装的情况下也表现出优异的热稳定性。这些结果表明，NBD-Pyz是一种性能卓越、稳定性良好的HTM，具有用于下一代钙钛矿太阳能电池的巨大潜力。

乌拉尔联邦大学Lyubov A. Frolova与Pavel A. Troshin在EcoMat发表研究论文，展示了在MAPbI3薄膜中引入Cu+离子可引发 p 型掺杂效应，并改变材料的电子特性。更重要的是，这种钙钛矿薄膜的改性显著提高了其光稳定性以及在 γ 射线和高能电子辐照下的抗辐射性能。研究表明，即使仅通过用Cu+离子替代1%的Pb2+对钙钛矿成分进行微小改性，也能显著改变材料的降解路径，从而增强光稳定性和抗辐射性能。特别是，Cu+离子的存在完全阻止了光化学和辐射诱导的金属铅 (Pb0) 的生成，这一发现对于开发更稳定的钙钛矿吸收材料具有至关重要的意义。在器件层面，优化浓度的Cu+离子掺入不仅提高了钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 的性能，还增强了其在γ射线照射下的抗辐射能力。进一步探索这一方法可能为设计多种具有显著不同特性的钙钛矿配方开辟新途径，这对于当前不同光电应用的需求具有重要意义。