卤化物钙钛矿能否彻底变革SSB蓄电池与超级电容器：储能领域的重大飞跃

2026-06-26 19:47:36

金属卤化物 钙钛矿已敏捷兴起成为材料科学领域的革命性前沿，推动了储能技术的严峻打破。最初作为太阳能电池领域的革新性材料，这些钙钛矿已打破传统界限。本总述依据钙钛矿材料出色的功用特性，系统探求其在储能领域的巨大潜力。我们将深化评论这一展开领域中最具招引力的三个方向：电池、超级电容器 ，以及光伏电池与储能系统的无缝集成。在电池领域，我们引入了钙钛矿材料的运用，特别聚焦于含铅与无铅卤化物钙钛矿以保持论说简练。这些材料仰仗其出色的电学特性，例如高达离子电导率（范围在10−3至10−4Scm−1锂离子）以及多样化的结构维度，兼具优异的涣散系数 (2.68 × 10−8cm2和3.63×10−1cm−9别离针对氯基和碘基钙钛矿2卤化物−1我们探求了钙钛矿作为电极材料相较于层状主体材料（如氧化物、碳基材料等）的巨大潜力，特别是在铝离子、锌离子和锂离子电池运用领域，为新一代储能器件的展开铺平道路。在超级电容器，我们关键评论卤化物钙钛矿的运用优势与局限性，并概述该材料在超级电容器领域取得的重要展开。此外，我们探求了太阳能电池与储能系统集成的潜在途径，深化分析光加速电容器/超级电容器及光加速电池等立异概念。值得注意的是，我们具体分析了钙钛矿成分对不同储能运用的影响。毕竟，我们阐述了卤化物钙钛矿在储能领域的显着优势，认识到现有局限性，并激发对其无限未来潜力的设想，然后培养一种科学立异的视角，为钙钛矿材料的持续研讨和实践运用做出奉献。, carbon, etc., specifically for Al-ion, Zn-ion, and Li-ion batteries application, paving the way for the next generation of energy storage devices. In the domain of supercapacitors, we discuss the application of halide perovskites, highlighting both their advantages and limitations. We also provide a brief overview of the significant progress made in the supercapacitor domain using perovskite materials over the years. Additionally, we venture into unexplored territories, emphasizing the potential integration of solar cells and energy storage systems, delving into innovative concepts such as photo-accelerated capacitors/supercapacitors and photo-accelerated batteries. Importantly, we presented a detailed analysis of the impact of the perovskite composition on different energy storage applications. Ultimately, we outline the significant advantages, recognize the existing limitations, and stimulate imagination concerning the boundless future potential of halide perovskites in the energy storage domain, fostering a scientific and innovative perspective that contributes to the ongoing research and practical application of perovskite materials.

图文摘要

近年来，由于化石燃料造成的污染加重以及持续存在的动力危机，对可再生动力的需求日益添加。太阳能和风能是最丰厚的清洁动力办法之一，而风力涡轮机和太阳能电池等能量采集装备已成为未来发电的重要组成部分。可是，要有用运用所产生的电能，有必要开发高效、经用且低成本的储能材料。因此，寻觅此类材料是科学界的首要任务。
钙钛矿材料归于一类以特定晶体结构为特征的结晶化合物，这种结构被称为钙钛矿结构。钙钛矿化合物的通用化学式为ABX3其间A和B代表不同的阳离子，X代表阴离子。钙钛矿结构由BX6通过角同享的八面体结构构成，其间A位阳离子坐落八面体构成的空腔中[1,2]，并可分为多种类型，如图1(i)所示。自2009年以来，钙钛矿材料在太阳能电池制备领域取得了广泛重视并持续展开。此外，这种一起结构赋予钙钛矿材料特别的功用，使其成为太阳能电池[3,4]、发光二极管(LEDs)[5]、激光器[6]、电池及超级电容器[[7], [8], [9]]等多种运用领域中极具招引力的多功用材料，如图1所示。多年来，卤化物钙钛矿材料已展示出多种新颖特性，包括带隙可调性[10]、高缺陷容忍度、高光致发光量子产率（PLQY）以及出色的双极电荷载流子行为（如高载流子迁移率和长涣散时长）[11,12]。这些材料可通过多种溶剂与气相堆积工艺及组分工程方便制备[13]。钙钛矿还广泛运用于光电探测器、激光器和催化剂等领域[[14], [15], [16]]。可是，如图1(ii)所示，钙钛矿在持续光照[17]、湿度[18,19]、水分[20,21]、高温[22]及电场[[23], [24], [25]]作用下的不稳定性构成了严峻应战。除稳定性问题外，规模化出产难题也阻挠其长时间商业化进程，成为亟待处理的要害问题。
针对分化机制，研讨者提出了多种进步稳定性的办法。例如，引入超薄铝2[26]层和运用PMMA层[27]可作为防止水分侵入的保护措施。一同，为进步热稳定性，高导热材料有望成为缓解钙钛矿太阳能电池（PSCs）内部热量积聚的有用手法。3 [26] layer and the use of a PMMA layer [27] act as protective measures against water intrusion. Meanwhile, to improve thermal stability, highly thermally conductive materials are anticipated to be an effective means to mitigate internal heat accumulation in Perovskite solar cells (PSCs).
由于卤化物钙钛矿在水性介质中极易产生降解与分化，将其运用于水性系统是一项要害且富有应战性的课题，这使得水性系统电解质成为电池和超级电容器运用中的首要难点。此外，钙钛矿描摹[28]对其在水性介质中的降解行为具有显着影响，特别是钙钛矿的标准会直接影响稳定性——颗粒越小，比表面积越大，降解敏感性越高，反之亦然。为减轻水溶液环境中的晦气影响，可选用多种技术手法，如人工保护层构筑、表面钝化处理、固态材料运用及纳米结构调控等[29]。通过精确规划纳米结构，可有用削减缺陷与晶界、强化表面钝化作用、构建扩展多孔结构、完结可控传输进程、进步载流子迁移率，并为水相环境中的可控离子交换供应更多可及位点。
鉴于太阳能电池领域广大的研讨前景与充满希望的展开未来，本总述旨在通过揭示钙钛矿材料的新颖运用——特别是在电池、混合电容器和超级电容器等储能系统要害领域——突显其至关重要的意义。跟着研讨的深化，我们将关键评论卤化物钙钛矿电池、光加速超级电容器以及钙钛矿太阳能电池（PSCs）在集成储能系统中的运用这一激动人心的研讨方向。这些顶级技术将太阳能电池与储能系统的世界紧密结合，为未来储能展开供应了前瞻性视界。尽管太阳能电池已取得严峻展开，本总述旨在对现有储能设备提出全新见地——这一新兴且引人入胜的研讨主题蕴含着巨大的展开潜力。这一战略转型标志着要害性打破，有望在更广大的可再生动力技术领域敞开革命性展开。依据量子点[30]、层状氧化物和有机材料等其他材料所取得的严峻展开，开发用于能量转化与存储的钙钛矿衍生物虽前景广大但应战重重，未来将为绿色动力和动力可持续型城市的建造供应微弱动力。图1(iii)展示了钙钛矿的多重特性及其跨领域运用，图1(iv)则出现了Ragone曲线[31]。
首要，我们介绍一种运用最广泛的能量存储设备——电池。具体而言，我们将聚焦锂离子电池（LIBs）并具体阐释其作业机制。随后，我们评论钙钛矿材料与LIBs的集成运用。迄今为止，在所有可充电电池类型中，LIBs已成为最高效的能量存储处理计划[32]。图2展示了LIBs在充放电进程中的作业机制及其能级结构。1990年代，SONY首先完结了LIBs的商业化运用，而在过去十年间其商场主导地位显着增强。LIBs因其高能量密度、低自放电率和可忽略的回忆效应而备受喜欢[33]。依据此，研讨者们连续开宣告锂硫电池、锂空气电池、钠离子电池等LIBs衍生系统。可是，尽管取得显着成功，LIB研讨的指数级添加仍面对若干应战。这些应战包括：1) 锂离子过度嵌埋：过充电进程中，已嵌入负极材料晶格内的过量锂离子无法脱嵌；2) 过放电效应：过放电时许多锂离子从正负极资猜中脱出，导致晶格结构坍塌，且负极过度脱锂会引发固体电解质界面衰减。相关衍生问题还包括腐蚀、氧化和电解液渗漏[[34], [35], [36]]。为处理上述问题并完结高效储能，电极与电解质材料的规划至关重要。为此，研讨者正探求不同钙钛矿基复合材料作为电极的潜在运用价值。
此外，钙钛矿材料在太阳能活性电极运用中展示出潜力，可将太阳能电池与蓄电池集成于单一器件。可是，将钙钛矿运用于锂离子电池和太阳能可充电电池仍存在严峻应战。这些应战包括：了解不同结构钙钛矿的锂存储机制、调控钙钛矿表面合金化界面层的构成、处理钙钛矿中的电荷转移动力学问题，以及消除钙钛矿太阳能电池与锂离子电池在集成至太阳能可充电电池系统时潜在的兼容性失配。
在全面评论电池技术之后，本总述文章转而评论超级电容器——这一受其巨大储能潜力驱动的储能器件。超级电容器（又称ultracapacitor或电化学电容器）是一种作业原理与常规电池不同的储能设备[37]。电池通过化学反应存储能量，而超级电容器（特别是双电层电容器EDLC）则通过静电办法存储能量，然后完结快速充放电循环[38]。
超级电容器的根本作业原理触及两个首要组件之间的相互作用：电极和电解液。电极通常选用高比表面积多孔材料制成，如活性炭、石墨烯或其他碳衍生物，这类材料能轻松供应用于能量存储的大比表面积[39]。电解液是一种离子导电介质，既分隔电极又促进电荷移动。在充电进程中，施加于超级电容器器件的电压会在两个电极间构成电势差。这种电压差会招引电解液中的离子，使其吸附在电极表面。能量存储在电极-电解液界面构成的双电层中。电极的高比表面积为许多离子供应了吸附位点，然后进步了超级电容器的电容值和储能容量。放电时，存储的能量通过离子从电极表面解吸并回来电解质的进程被开释。这一进程导致电子通过外部电路活动，产生可用于为设备供电或做功的电流。尽管表现出优异的循环稳定性，超级电容器的首要缺陷在于其能量密度值较低[40]。为缓解这一问题，研讨者们正深化探求卤化物钙钛矿领域，以运用其一起性质完结超级电容器的运用。其时研讨关键集中于组成和优化钙钛矿基电极与电解质，以进步能量密度和存储容量。
在寻求可持续清洁动力与处理动力应战的进程中，太阳能电池已成为最具前景的处理计划之一。可是，高功用集成能量转化与存储系统的开发仍存在巨大潜力[41]。这类集成系统由能量转化设备（如太阳能电池）和能量存储设备（包括电池与超级电容器）构成。为完结能量搜集-转化-存储集成系统的成功工作，选用如PSC[42]之类的高效光伏器件至关重要。光加速储能技术通过太阳能电池与超级电容器的有用整合，展示出显着的运用前景。因此，本总述关键评论卤化物钙钛矿基材料在光加速超级电容器中的运用价值。
值得注意的是，钙钛矿材料因其显着的离子涣散特性，在储能器件领域展示出巨大潜力。这种特性尽管在太阳能电池中或许因迟滞效应和较低的能量转化功率（PCE）而产生晦气影响，但在锂离子电池（LIBs）[43]、超级电容器等储能运用中却极具优势。
卤化物钙钛矿的另一重要特性是其离子电导率显着高于电子电导率。例如，简单MAPbI3的离子电导率高达10−8Scm−1[44]。这一一起性质使其在超级电容器运用中具有显着优势。此外，由于钙钛矿材料具有更大的比表面积和更高的离子迁移率——这两个特性一起进步了电荷存储才能——该类材料在超级电容器领域备受喜欢。跟着金属卤化物钙钛矿太阳能电池的光电转化功率（PCE%）急剧进步[45]，将其与储能电池结合构建能量转化-存储系统，关于完结太阳能高效转化为多种可存储动力办法至关重要，这将为未来建立可持续、自主工作的电力系统奠定根底。