摘要：能源是人类文明发展的基石，更是实现碳中和目标的核心引擎。 从可再生能源的高效转化到新型储能技术与材料的突破，能源系统的深度变革与材料创新正重塑全球产业格局。 从清洁能源系统重构到储能技术的突破，每一轮产业跃迁都离不开底层材料的颠覆性创新——纳米催化、固态电解质

能源是人类文明发展的基石，更是实现碳中和目标的核心引擎。 从可再生能源的高效转化到新型储能技术与材料的突破，能源系统的深度变革与材料创新正重塑全球产业格局。 从清洁能源系统重构到储能技术的突破，每一轮产业跃迁都离不开底层材料的颠覆性创新——纳米催化、固态电解质、柔性光电材料等前沿突破持续释放技术潜能。

《自然》系列期刊始终站在科研前沿，《自然-能源》、《自然综述：清洁技术》、《自然-材料》、《自然综述：材料学》、《自然-纳米技术》等学科领域内一流权威期刊，深度追踪能源技术与政策、材料科学与工程领域等众多相关领域研究。本期聚焦近三月重磅成果，涵盖清洁能源电网增强技术、新能源电车的储能管理、锂离子电池与固态电池、自修复水凝胶生物材料等跨学科进展与前沿议题，为科研工作者与产业决策者提供跨学科洞察，推动探索发现。

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直接空气碳捕集用于太阳能燃料流动生产

清洁能源系统的电网增强技术

Grid-enhancing technologies for clean Energy systems

通讯作者：Junbo Zhao（University of Connecticut）

第一作者：Tong Su（University of Connecticut）

可再生能源接入能源系统会造成输电阻塞，而解决这一问题需要花费大量时间和投资进行升级。电网增强技术（GET）能用最少的投资提升电网容量，防止可再生能源的阻塞和弃电。这篇综述探讨了GET的原理和应用。GET是一类利用软件和/或硬件分析实时情况，优化电网资产现有容量使用的技术，包括动态线路额定、动态变压器额定、功率流控制、拓扑优化、先进导线技术、储能系统和需求响应。这些GET各自都能增强系统性能，但多种GET联合部署能同时消除多个容量瓶颈，从而极大提升电网容量与稳定性。用于实时数据采集、传输和分析的基础设施是成功部署GET的关键，但需要进一步开发和商业化以实现更广泛的运用。

电动汽车储能管理

Energy storage management in electric vehicles

通讯作者：Ziyou Song（National University of Singapore），Xiaosong Hu（Chongqing University）

第一作者：Jiawei Zhang（National University of Singapore），Yunhong Che（Chongqing University）

储能与管理技术是电动汽车（EV）部署与运行的关键。为跟上储能技术的持续发展，有必要制定相应的管理策略。这篇综述探讨了储能管理的技术进展。储能管理策略（如寿命预测和故障检测）能在提高电池安全性的同时减少EV充电时间。将先进传感器数据和预测算法相结合，可提高EV的效率，增加续驶里程并促进技术采用。储能管理还能推动清洁能源技术的发展，例如车辆到电网储能和EV电池回收用于可再生电力电网储存。本文概述了EV储能管理的技术挑战及其发展趋势。

锂离子电池正极材料的自循环电化学回收

Self-looped electrochemical recycling of lithium-ion battery cathode materials to manufacturing feedstocks

通讯作者：Haotian Wang（Rice University）

第一作者：Zhiwei Fang（Rice University）

现有的锂离子电池回收方法通常存在能耗高、化学试剂消耗大和/或废弃严重等问题。来自莱斯大学的研究团队提出了一种自循环电化学电池回收方法，能够从废旧正极材料中高效回收锂和过渡金属。这些回收材料无需进一步处理，可直接用于生产新电池。通过在三腔室多孔固态电解质反应器中进行析氢反应和氢氧化反应，输入的Li2SO4溶液在100 mA cm−2的电流密度和低能耗（起始电压0.36 V）条件下可转化为LiOH和H2SO4，Li+传输效率约90%。随后通过化学计量的酸浸和碱沉淀过程，废旧的锂金属氧化物被分离为高纯度（>99.7%）锂和过渡金属氢氧化物。Li2SO4溶液能在每次回收循环结束后成功再生，从而实现了一种仅需H2O2作为外部输入的可持续工艺。该方法避免了外来阳离子污染和废物流处理。

用于锂离子电池制造的先进电极加工

Advanced electrode processing for lithium-ion battery manufacturing

通讯作者：Runming Tao、Jianlin Li（Argonne National Laboratory）

第一作者：Runming Tao（Argonne National Laboratory）

锂离子电池（LIB）需要实现快速大规模生产，以满足电动汽车和电子器件的需求。然而，LIB电极制造所使用的传统湿浆料法能耗大、成本高，难以实现可持续、可负担和简易生产高性能LIB的目标。这篇综述探讨了几种先进电极加工方法（干法、辐射固化、先进湿法和3D打印），这些方法能减少能源使用和材料浪费。Maxwell型干法是一种可扩展的传统工艺替代技术，制造成本和能耗相对较低。辐射固化可实现高通量制造，但粘结剂的选择范围有限。3D打印可生产具有不同结构和倍率性能更优的电极，但可扩展性有待证实。3D打印适合于特定应用场景——牺牲部分生产能力和成本以获得更好的性能。

共平面纳米限域下的聚合物缠结实现刚性自修复水凝胶

Stiff and self-healing hydrogels by polymer entanglements in co-planar nanoconfinement

通讯作者：Josef Breu（University of Bayreuth），Olli Ikkala（Aalto University），Hang Zhang（Aalto University）

第一作者：Chen Liang（Aalto University）

许多生物组织兼具力学强度与修复能力。而水凝胶尚不具备类似的特性，因为目前提升水凝胶刚度的方法会不可避免地抑制链/键动态变化，损害其自修复能力。来自阿尔托大学和拜罗伊特大学的研究团队通过共平面纳米限域下的聚合物缠结，设计了一种模量50 MPa、抗拉强度高达4.2MPa的刚性自修复水凝胶。他们用完全分层的合成锂蒙脱石纳米片作为支架（通过剪切取向形成宏观单畴结构），让高浓度的单体溶液在其中发生聚合。由此得到的物理凝胶同时具有高模量和高达100%的自修复效率，并在一系列基底上表现出高粘接剪切强度。这种纳米限域方法可通过嵌入胶体材料（如MXenes）添加新功能，能推广至其他聚合物和溶剂，以制备刚性自修复凝胶，用于软体机器人、增材制造和生物医学等领域。

调控结晶顺序实现20.82%效率且具备高活性层厚度容忍度的有机太阳能电池

Organic solar cells with 20.82% efficiency and high tolerance of active layer thickness through crystallization sequence manipulation

通讯作者：Yaowen Li（Soochow University）

第一作者：Haiyang Chen（Soochow University）

具有厚膜活性层的先进有机太阳能电池是印刷大面积太阳能电池板的必要条件。然而，增加活性层厚度往往会导致能量转换效率明显降低。来自苏州大学的研究团队开发了一种名为AT-β2O的有机半导体调节剂，以调控活性层成分的结晶顺序。在给体（D18-Cl）和受体（N3）共混物中加入AT-β2O，N3便会在D18-Cl之后结晶，这与D18-Cl:N3二元共混物中的共结晶现象有所不同。这种对结晶动力学的调控有利于在活性层中形成本体异质结梯度分布的垂直相分离，同时获得高结晶度受体和厚膜中平衡的载流子迁移率。由此制备的单结有机太阳能电池的认证能量转换效率超过20%，并且在不同活性层厚度（100–400 nm）中展现出出色的适应性和通用性。这一突破使大面积模组的认证能量转换效率记录达到了18.04%。

远程外延结晶钙钛矿实现超高分辨率micro-LED显示器

Remote epitaxial crystalline perovskites for ultrahigh-resolution micro-LED displays

通讯作者：Jiangang Feng（University of Science and Technology of China），Yuchen Qiu（Jilin University），Yuchen Wu（University of Science and Technology of China）

第一作者：Meng Yuan、Jiangang Feng、Hui Li（University of Science and Technology of China）

发光二极管（LED）小型化是开发超高分辨率显示器的关键。金属卤化物钙钛矿具有高效发光、长载流子传输距离和可扩展制造等优点，有望用于明亮微型LED（micro-LED）显示器。然而，薄膜钙钛矿发光不均匀且在光刻时表面不稳定，无法与micro-LED器件兼容。无晶界、表面稳定且具有光学均匀性的连续单晶钙钛矿薄膜是制造micro-LED的理想材料，但其生长和器件集成仍然具有挑战性。来自中科院理化技术研究所、中国科学技术大学和吉林大学的研究团队实现了结晶钙钛矿薄膜的远程外延生长，使其能无缝集成到像素尺寸4 μm的micro-LED中。通过加入亚纳米石墨烯中间层，他们实现了应变松弛钙钛矿的远程外延和转移。这些micro-LED的电致发光效率高达16.7%，亮度高达4.0 × 105 cd m−2。这些优越性能源于外延钙钛矿（具有高结晶度、应变松弛和数百纳米厚度）中的缺陷抑制和高效载流子传输。这种自支撑钙钛矿能与商用电子面板结合，实现每个像素的独立、动态控制，从而便于静态图像和视频显示。这项成果有望推动片上钙钛矿光子源的发展，例如超紧凑激光器和超快LED。

DNA聚合酶改造用于大RNA位点特异性修饰

Engineering a DNA polymerase for modifying large RNA at specific positions

通讯作者：Yu Liu（Shanghai Jiao Tong University）

第一作者：Dian Chen（Shanghai Jiao Tong University）

合成具有精确修饰的大RNA对于基础研究和临床应用十分重要，但目前缺少有效的方法。新兴的工程化DNA聚合酶是一种有吸引力的RNA标记工具，相较于传统的RNA聚合酶优势明显。来自上海交通大学的研究团队采用半理性设计，开发了一种DNA聚合酶变体，并用它在RNA期望位点上精确添加各种修饰，包括碱基修饰、2′-核糖修饰和骨架修饰。他们在大多数用例中实现了超过85%的修饰效率，成功将2′-O-甲基、硫代磷酸酯、N4-乙酰胞苷和荧光团引入到eGFP和萤火虫荧光素酶mRNA中的特定位点。由此获得的mRNA产物能够增强稳定性并影响蛋白质生产。该方法能够在RNA中引入丰富的修饰，而不受RNA长度和序列的限制，为RNA全面功能化提供了一种有效的工具。

使用混合导体克服三相界面处的转化反应限制，助力高能量密度固态Li–S电池

Overcoming the conversion reaction limitation at three-phase interfaces using mixed conductors towards energy-dense solid-state Li–S batteries

通讯作者：Donghai Wang（The Pennsylvania State University）

第一作者：Daiwei Wang（The Pennsylvania State University）

在安全、耐用和高能量密度的下一代电池技术中，全固态锂硫（Li–S）电池（ASSB）拥有巨大潜力。然而，固态硫转化反应动力学缓慢——主要受限于硫、碳和固态电解质的狭小三相边界区域，因此难以提高硫的利用率。来自宾夕法尼亚大学的研究团队开发了混合离子-电子导体（MIEC），以替代硫正极中常规的固态电解质，从而在传统的三相边界外开辟了新的硫-MIEC界面用于转化反应。微观分析和层析分析显示，硫-MIEC界面处的硫中出现了混合导电区域，促进了活性硫向Li2S充分转化，极大提高了活性硫比例（高达87.3%）和转化效率（>94%），实现了具有高放电容量（>1450 mAh g–1）和长循环寿命（>1000次）的Li–S ASSB。这项策略还可用于增强其他转化型正极的活性材料利用。

来源：东窗史谈一点号