近日，我校材料科学与工程学院童国庆教授、蒋阳教授团队在钠离子电池高性能负极材料研发领域取得重要进展，相关研究成果以“Constructing heterojunction interfaces of bismuth-antimony alloys with bimetallic sulfide for ultrafast sodium-ion storage”为题，发表于材料领域期刊Energy Storage Materials上，文章第一作者为材料科学与工程学院博士研究生汤召宇，通讯作者为童国庆教授和蒋阳教授。
钠离子电池由于其资源丰富、安全性高且可在低温下运行的优势而在储能和特殊动力领域的应用备受关注。然而，常规使用的钠离子电池负极材料存在容量低、体积膨胀严重、循环稳定性差等问题，制约了其性能提升。合金型铋基材料因理论比容量高、反应动力学快等优势，成为快充电钠离子电池负极材料的重要候选，但其在嵌钠过程中高达252%的理论体积膨胀会导致电极开裂粉化，严重影响电池寿命。
针对上述挑战，研究团队提出了“合金化调控异质结界面”的创新策略，通过两步水热-碳化还原法成功构建了BiSb/BiSbS3微米棒簇状异质结负极材料。密度泛函理论（DFT）计算表明，锑（Sb）与铋（Bi）形成合金后，有效调控了异质结的表面功函数，增强了界面内建电场，实现了钠离子吸附与扩散动力学的精准平衡。实验结果显示，该BiSb/BiSbS3电极表现出卓越的电化学性能：在20 A g-1的超高电流密度下，可逆比容量仍达520.9 mAh g-1，且首次库仑效率高达96.64%。XPS深度剖析和TOF-SIMS证实了SEI层呈现“外层有机-内层无机”的稳定结构，NaF和Na2O共同构建了一个具有高机械强度、快速Na+传导“电极外衣”，有效的抑制了电极的体积膨胀，循环500次后体积膨胀率仅为理论值的23%。将该负极与Na3V2(PO4)3正极组装成全电池后，在15 C的超高倍率下比容量达465.5 mAh g-1，能量密度高达221.1 Wh kg-1，展现出优异的实际应用潜力。
图1. BiSb/BiSbS3异质结材料的合成与表征
图2.对BiSb/BiSbS3异质结材料的密度泛函理论计算
此外，我校童国庆教授联合上海交通大学、日本冲绳科学技术大学院大学（OIST）等单位，在钙钛矿太阳能电池光电转换领域取得重要突破。相关研究成果以“Synergistic versatile bistriflimide salts in light-accelerated spiro-OMeTAD oxidation and perovskite module photovoltaics engineering”为题发表于学术期刊Nature Communications上。童国庆教授、上海交通大学戚亚冰教授、日本OIST Ono博士为共同通讯作者。
金属卤化物钙钛矿材料作为新一代的能源光电转换材料，被认为是下一代光伏技术的有力竞争者。在传统的n-i-p构型钙钛矿太阳能电池中，spiro-OMeTAD因能级匹配性好、成膜性优异，长期以来都是主流的空穴传输层材料。然而，其传统掺杂体系（以LiTFSI为掺杂剂、tBP为添加剂）存在核心瓶颈：锂离子迁移会加速器件性能衰减，导致太阳能电池运行稳定性差；同时tBP的强腐蚀性会破坏钙钛矿表层结构，造成界面电荷复合加剧。这些问题严重阻碍了该类器件向规模化、实用化方向发展。
针对上述这些问题，研究团队创新性地提出了“光加速氧化掺杂（LODT）”策略，通过铵盐类TFSI掺杂物在光照下产生质子，实现spiro-OMeTAD的高效氧化，显著提升了空穴传输层导电性。该技术创新性地采用THF部分替代腐蚀性较强的tBP作为溶剂，既解决了铵盐溶解问题，又避免了传统溶剂对钙钛矿层的破坏。同时，团队构建了“双TFSI添加剂协同”体系：在钙钛矿前驱体中引入KTFSI，通过调控结晶过程使晶粒尺寸从不足500 nm增长至1 μm以上，降低了电子和空穴缺陷态密度；同时，在钙钛矿表面采用OATFSI进行钝化处理，形成热稳定的2D钙钛矿层，水接触角从2.9°提升至66.1°，大幅增强了器件抗湿性。
通过这一优化策略，团队研制的钙钛矿太阳能电池组件（PSM）在12.83 cm2有效面积上实现了20.95%的认证光电转换效率，跻身无锂spiro-OMeTAD空穴传输层组件的顶尖水平。更值得关注的是，未封装的器件在干燥氮气环境下连续运行700小时后，仍保持初始效率的97%，展现出优异的工作运行稳定性，解决了传统器件效率与稳定性难以兼顾的难题。此外，该技术兼容刮涂等规模化制备工艺，组件放大过程中效率损失极小，展现出极强的工业应用潜力。
图3光加速氧化掺杂（LODT）策略及TFSI盐协同调控钙钛矿光伏器件的机制示意图
图4基于LODT策略的钙钛矿光伏组件（PSM）性能与稳定性方面的实验结果
上述工作得到了国家自然科学基金、安徽省重点研发计划、安徽省科技攻坚计划、安徽省自然科学基金、中央高校基本科研业务费以及合肥工业大学黄山学者优秀青年人才计划等项目的资助，同时也得到了合肥照阳光能科技有限公司、上海交通大学溥渊未来技术学院和张江高研院的支持。
原文链接：
http://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104747
https://www.nature.com/articles/s41467-025-66752-2
（童国庆/文 汤召宇/图 罗来马/审核）
责任编辑：雷磊
