金属卤化物 钙钛矿作为极具潜力的半导体光电资料可使用于太阳能电池、发光二极管及光电探测器; 它们还使用于锂离子等储能设备电池锂离子电池(LIBs)与光充电电池。得益于其优异的离子电导率高分散系数结构优势，钙钛矿该资料被用作锂离子电池电极。研讨评论了结构多样性与成分变化在锂离子电池离子存储机制中的效果，包含电化学动力学与电荷行为等方面。钙钛矿太阳能电池钙钛矿太阳能电池（PSCs）集成的太阳能可充电电池也从可继续开展角度进行了评论；这些电池将太阳能捕获并转化为可存储的化学能存储于电池内部。针对PSCs-LIBs体系的导线衔接与电极同享衔接等集成战略进行了详细评述，其整体能量转化与储存功率仍存在巨大提升空间。最后，评论了金属卤化物钙钛矿在储能使用中存在的应战与未来开展方向。

图文摘要

本文聚集于钙钛矿基可充电电池的存储容量，评论了锂离子与卤化物钙钛矿的相互效果机制，包含电化学演化、电荷转移和离子迁移等进程。一方面，金属卤化物钙钛矿被用作锂离子电池电极，研讨总述了结构多样性和成分变化对存储机制及迁移行为的影响；另一方面，评论了根据钙钛矿太阳能电池（PSCs）的光充电电池体系。集成体系中选用的互连战略（包含导线衔接与电极同享衔接）对整体能量转化功率具有明显影响。整体而言，钙钛矿资料在储能范畴的使用展现出巨大的未来开展潜力。

1996年诺贝尔化学奖得主理查德·埃雷特·斯莫利(Richard Errett Smalley)在其提出的"未来50年人类面对的十大问题"清单中将动力列为首要问题[1]。包含石油、燃料费和煤炭在内的化石动力一直是全球动力消费的主要来源。尽管化石动力供给足够，但因为石油资源逐渐枯竭且仅能保持约50年的开采量，"石油峰值"效应已成为严峻应战[2][3][4]。更为关键的是，化石燃料的很多消耗导致了巨量CO2以及其他污染物排放。不可再生动力的过度使用与污染废弃物的很多排放已引发动力危机和环境问题[5]。因而，亟需充分开发利用绿色可再生动力以晋级全球动力体系。源自氢氦交融反响的太阳能继续以每秒390×10 %% 千瓦的速率发生能量，其间约85×1021千瓦能量到达地球表面[6][7]。这相当于全球总发电量的数十万倍，可以满足全人类的动力需求[8]。太阳能资源丰富，还包含风能、波浪能等多种绿色动力方式[9][10]。通常情况下，只要存在日照，太阳光便能继续稳定地提供能量。12 KW reaches the Earth’s surface [6], [7]. This is equivalent to hundreds of thousands of times the world's total electrical generating capacity, and can satisfy the global energy needs [8]. Solar energy is abundant and includes many additional green energy sources, such as wind, wave, et al. [9], [10] Generally, energy is provided in a steady stream as sunlight when the sun is present.
现在已开发出多种通过能量转化与存储完成绿色动力部署的技术。太阳能电池可以收集并将太阳能转化为电能。但是，因为昼夜更替、季节变换和气候条件的影响，全年可利用的阳光具有间歇性，这阻止了其广泛使用。因而，需求开发能量转化-存储一体化体系（如依靠太阳能电池与蓄电池组合的太阳能可充电电池），将太阳能转化为其他方式存储，完成可继续且自给的电能供给。太阳能可充电电池最早由Hodes等人于1976年报道[11]。随后，越来越多的研讨聚集于太阳能电池与蓄电池的集成，旨在优化器材结构、提升转化功率并提高能量密度[12][13][14][15]。迄今为止，已开发出铅酸电池[16][17]、镍镉电池[18][19]、镍氢电池[20][21]及锂离子电池（LIBs）[22][23][24]等可充电电池以完成高效储能。锂离子电池由索尼公司于1990年代率先完成商业化[25]，因其高能量密度、低自放电率及可疏忽的回忆效应[26]，长期占有可充电电池商场主导地位。此后又相继衍生出锂硫电池[27][28][29]、锂空气电池[1][30][31]及钠离子电池[32][33]等一系列变体。但是，新出现的问题与应战延缓了其进一步开展。例如：过充时过量锂离子会永久嵌入负极资料晶格而无法脱出；过放时过多锂离子从正极脱嵌会导致晶格崩塌，进而引发电解液腐蚀、氧化及走漏等问题[34][35][36][37]。因而，电极与电解质资料的设计对完成高效储能至关重要。
金属卤化物钙钛矿是一类具有优异光电性能的半导体资料，已广泛使用于太阳能电池、发光二极管、光电探测器和场效应晶体管等能量转化器材[38][39][40][41][42]。经过数年开展，卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）的功率转化功率（PCE）已超越25%[43][44]。但是，PSCs中仍存在严重的电流-电压（J-V）滞回现象，这主要源于钙钛矿高离子电导率导致的空位和/或间隙缺陷中的离子分散[45][46]。此外，带电离子的分散特性可用于储能使用，且钙钛矿晶体具有容纳外来离子的容忍度。关于锂离子电池（LIBs），所选负极资料（石墨和金属有机化合物）具有共角框架结构[47][48][49]。金属卤化物钙钛矿ABX3"A"位阳离子的角占有表明其离子存储才能。尤为明显的是，与传统锂离子电池电极资料比较[50][51]，钙钛矿具有更高的理论比容量。此外，通过调控A位大分子有机阳离子和B位无铅金属的组成变化，可改动钙钛矿空间结构，构成化学式为(RNH3)2以及无铅钙钛矿。多种金属卤化物钙钛矿已被研讨作为锂离子电池的候选电极资料，如图1所示[52][53][54][55]。例如，MAPbXn−1将钙钛矿资料作为锂离子电池负极的使用n首次报道的储锂容量约为330 mA h g3n+1其性能与石墨相当[56]。二维铜基杂化钙钛矿表现出比金属卤化物阴极更好的电化学可逆性[57]。凭仗能量转化与存储的两层功能，金属卤化物钙钛矿已如Fig. 1[58]所示被寄予厚望地使用于太阳能电池范畴。特别是钙钛矿可作为光活性电极，将太阳能电池与蓄电池集成于单一器材中，这为太阳能可充电电池开启了多样化的立异路径[14][59][60]。但是，钙钛矿在锂离子电池及太阳能可充电电池中的使用仍面对严重应战，包含不同结构钙钛矿的储锂机制、钙钛矿表面合金化界面层的构成、钙钛矿中的电荷转移动力学，以及集成化太阳能可充电电池体系中光伏电池与锂离子电池的匹配问题。3 perovskites employed as anode for Li+-storing in LIBs were first reported with a storage capacity of approximately 330 mA h g−1, which is comparable to that of graphite [56]. Two-dimensional Cu-based hybrid perovskites exhibit better electrochemically reversible than metal halide cathodes [57]. With the bi-functionality of energy conversion and storage, metal halide perovskites have been expectedly applied in solar batteries, as shown in Fig. 1 [58]. Especially, perovskites can be employed as solar-active electrodes to integrate the solar cell and battery in a single device, which can bright diverse innovations for solar-rechargeable batteries [14], [59], [60]. However, there are significant challenges in the application of perovskites in LIBs and solar-rechargeable batteries, such as lithium storage mechanism for perovskite with different structures, alloyed interfacial layer formation on the surface of perovskite, charge transfer kinetics in perovskite, mismatching between PSCs and LIBs for integrated solar-rechargeable battery system.
迄今为止，已发表的关于钙钛矿储能研讨的总述文献很少。本研讨评论了锂离子与卤化物钙钛矿的相互效果机制，包含电化学演化进程、电荷行为及锂离子在钙钛矿中的迁移特性。体系总述了根据钙钛矿电子结构的锂离子电池性能表现，并比照剖析了钙钛矿晶体结构的影响。此外，还评论了不同集成模式下根据钙钛矿太阳能电池的光电充电储能体系。最后，我们评论了金属卤化物钙钛矿在动力研讨中面对的应战与机遇。