近日，我校材料科學(xué)與工程學(xué)院童國(guó)慶教授、蔣陽(yáng)教授團(tuán)隊(duì)在鈉離子電池高性能負(fù)極材料研發(fā)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Constructing heterojunction interfaces of bismuth-antimony alloys with bimetallic sulfide for ultrafast sodium-ion storage”為題，發(fā)表于材料領(lǐng)域期刊Energy Storage Materials上，文章第一作者為材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生湯召宇，通訊作者為童國(guó)慶教授和蔣陽(yáng)教授。
鈉離子電池由于其資源豐富、安全性高且可在低溫下運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)而在儲(chǔ)能和特殊動(dòng)力領(lǐng)域的應(yīng)用備受關(guān)注。然而，常規(guī)使用的鈉離子電池負(fù)極材料存在容量低、體積膨脹嚴(yán)重、循環(huán)穩(wěn)定性差等問(wèn)題，制約了其性能提升。合金型鉍基材料因理論比容量高、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)快等優(yōu)勢(shì)，成為快充電鈉離子電池負(fù)極材料的重要候選，但其在嵌鈉過(guò)程中高達(dá)252%的理論體積膨脹會(huì)導(dǎo)致電極開(kāi)裂粉化，嚴(yán)重影響電池壽命。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了“合金化調(diào)控異質(zhì)結(jié)界面”的創(chuàng)新策略，通過(guò)兩步水熱-碳化還原法成功構(gòu)建了BiSb/BiSbS3微米棒簇狀異質(zhì)結(jié)負(fù)極材料。密度泛函理論（DFT）計(jì)算表明，銻（Sb）與鉍（Bi）形成合金后，有效調(diào)控了異質(zhì)結(jié)的表面功函數(shù)，增強(qiáng)了界面內(nèi)建電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了鈉離子吸附與擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)的精準(zhǔn)平衡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該BiSb/BiSbS3電極表現(xiàn)出卓越的電化學(xué)性能：在20 A g-1的超高電流密度下，可逆比容量仍達(dá)520.9 mAh g-1，且首次庫(kù)侖效率高達(dá)96.64%。XPS深度剖析和TOF-SIMS證實(shí)了SEI層呈現(xiàn)“外層有機(jī)-內(nèi)層無(wú)機(jī)”的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，NaF和Na2O共同構(gòu)建了一個(gè)具有高機(jī)械強(qiáng)度、快速Na+傳導(dǎo)“電極外衣”，有效的抑制了電極的體積膨脹，循環(huán)500次后體積膨脹率僅為理論值的23%。將該負(fù)極與Na3V2(PO4)3正極組裝成全電池后，在15 C的超高倍率下比容量達(dá)465.5 mAh g-1，能量密度高達(dá)221.1 Wh kg-1，展現(xiàn)出優(yōu)異的實(shí)際應(yīng)用潛力。
圖1. BiSb/BiSbS3異質(zhì)結(jié)材料的合成與表征
圖2.對(duì)BiSb/BiSbS3異質(zhì)結(jié)材料的密度泛函理論計(jì)算
此外，我校童國(guó)慶教授聯(lián)合上海交通大學(xué)、日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)（OIST）等單位，在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域取得重要突破。相關(guān)研究成果以“Synergistic versatile bistriflimide salts in light-accelerated spiro-OMeTAD oxidation and perovskite module photovoltaics engineering”為題發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊Nature Communications上。童國(guó)慶教授、上海交通大學(xué)戚亞冰教授、日本OIST Ono博士為共同通訊作者。
金屬鹵化物鈣鈦礦材料作為新一代的能源光電轉(zhuǎn)換材料，被認(rèn)為是下一代光伏技術(shù)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。在傳統(tǒng)的n-i-p構(gòu)型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中，spiro-OMeTAD因能級(jí)匹配性好、成膜性?xún)?yōu)異，長(zhǎng)期以來(lái)都是主流的空穴傳輸層材料。然而，其傳統(tǒng)摻雜體系（以L(fǎng)iTFSI為摻雜劑、tBP為添加劑）存在核心瓶頸：鋰離子遷移會(huì)加速器件性能衰減，導(dǎo)致太陽(yáng)能電池運(yùn)行穩(wěn)定性差；同時(shí)tBP的強(qiáng)腐蝕性會(huì)破壞鈣鈦礦表層結(jié)構(gòu)，造成界面電荷復(fù)合加劇。這些問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了該類(lèi)器件向規(guī)?；?、實(shí)用化方向發(fā)展。
針對(duì)上述這些問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了“光加速氧化摻雜（LODT）”策略，通過(guò)銨鹽類(lèi)TFSI摻雜物在光照下產(chǎn)生質(zhì)子，實(shí)現(xiàn)spiro-OMeTAD的高效氧化，顯著提升了空穴傳輸層導(dǎo)電性。該技術(shù)創(chuàng)新性地采用THF部分替代腐蝕性較強(qiáng)的tBP作為溶劑，既解決了銨鹽溶解問(wèn)題，又避免了傳統(tǒng)溶劑對(duì)鈣鈦礦層的破壞。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了“雙TFSI添加劑協(xié)同”體系：在鈣鈦礦前驅(qū)體中引入KTFSI，通過(guò)調(diào)控結(jié)晶過(guò)程使晶粒尺寸從不足500 nm增長(zhǎng)至1 μm以上，降低了電子和空穴缺陷態(tài)密度；同時(shí)，在鈣鈦礦表面采用OATFSI進(jìn)行鈍化處理，形成熱穩(wěn)定的2D鈣鈦礦層，水接觸角從2.9°提升至66.1°，大幅增強(qiáng)了器件抗?jié)裥浴?/p>
通過(guò)這一優(yōu)化策略，團(tuán)隊(duì)研制的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池組件（PSM）在12.83 cm2有效面積上實(shí)現(xiàn)了20.95%的認(rèn)證光電轉(zhuǎn)換效率，躋身無(wú)鋰spiro-OMeTAD空穴傳輸層組件的頂尖水平。更值得關(guān)注的是，未封裝的器件在干燥氮?dú)猸h(huán)境下連續(xù)運(yùn)行700小時(shí)后，仍保持初始效率的97%，展現(xiàn)出優(yōu)異的工作運(yùn)行穩(wěn)定性，解決了傳統(tǒng)器件效率與穩(wěn)定性難以兼顧的難題。此外，該技術(shù)兼容刮涂等規(guī)?；苽涔に?，組件放大過(guò)程中效率損失極小，展現(xiàn)出極強(qiáng)的工業(yè)應(yīng)用潛力。
圖3光加速氧化摻雜（LODT）策略及TFSI鹽協(xié)同調(diào)控鈣鈦礦光伏器件的機(jī)制示意圖
圖4基于LODT策略的鈣鈦礦光伏組件（PSM）性能與穩(wěn)定性方面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、安徽省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、安徽省科技攻堅(jiān)計(jì)劃、安徽省自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)以及合肥工業(yè)大學(xué)黃山學(xué)者優(yōu)秀青年人才計(jì)劃等項(xiàng)目的資助，同時(shí)也得到了合肥照陽(yáng)光能科技有限公司、上海交通大學(xué)溥淵未來(lái)技術(shù)學(xué)院和張江高研院的支持。
原文鏈接：
http://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104747
https://www.nature.com/articles/s41467-025-66752-2
（童國(guó)慶/文 湯召宇/圖 羅來(lái)馬/審核）
責(zé)任編輯：雷磊
