近日，材料科学与工程学院赵英娜教授指导的2024级硕士研究生刘佳庆作为第一作者，以华北理工大学为唯一通讯单位在Advanced Functional Materials上发表题为“Interface Engineering and Multidimensional Heterojunction Design: Sodium Storage Mechanism and Performance Optimization of Sodium-Ion Battery Anode Materials”的学术论文。
综述背景
钠离子电池（SIBs）作为一种新兴的能量储存技术，近年来受到广泛关注。随着锂资源的逐渐枯竭及其价格的波动，SIBs因其原材料资源丰富、成本低廉而成为研究热点。这种电池利用钠离子在正负极之间的移动进行能量转化，与锂离子电池有着相似的工作原理，但在能量密度和循环寿命等方面仍面临挑战。科研人员正在积极探索钠离子电池的性能优化和材料改进，以实现其在电动汽车和可再生能源储存等领域的广泛应用。此外，随着全球对可持续发展的重视，SIBs的环境友好特性也使其在未来的能源系统中展示出良好的发展前景。
SIBs作为新能源存储技术的重要组成部分，其负极材料的选用和机理研究一直是学术界和工业界关注的重点。SIBs的负极材料主要包括碳材料、金属氧化物、磷酸盐等多种类型，其中硬碳因其良好的导电性和适宜的层间距，成为研究的热点。然而，与锂离子电池相比，SIBs的能量密度相对较低，这主要是由于钠离子的更大半径及其在嵌入和脱嵌过程中的动力学限制。传统单一材料作为钠离子电池负极时，仍面临动力学迟缓、体积膨胀显著及循环稳定性不足等问题。因此，研究人员正在探索新型的负极材料和优化其结构，以提高钠离子在材料中的扩散速率及电化学性能。
在这篇综述中，对异质结材料在SIBs负极中的应用及理论计算研究的进展进行了全面总结，并通过密度泛函理论（DFT）计算预示了迁移势能与能带变化的影响，分析了当前主要的负极材料类型和存在的挑战。文中介绍了以结构为分类构建异质结的主要研究进展：i) 2D/2D异质结；ii) 3D/3D异质结；iii) 跨维度异质结；iv) 多维度异质结。最后，通过异质结材料优化性能、多组分体系的协同发展以及动态界面机制解析等多方面总结SIBs目前存在的挑战。
综述亮点
- 提出了一种利用跨维度异质结（如 0D-2D、2D-3D）复合材料的策略，以有效提高钠离子电池的比容量、倍率性能和循环稳定性。
- 通过合理设计异质结界面，形成了内建电场，这有效地优化了电子和离子的传输路径，显著提高了反应动力学和电池效率。
- 通过精确控制缺陷（如空位工程），可以改善材料的电子结构和钠离子扩散行为，从而进一步提升电池性能。
图文导读
图1.异质结构与内建电场示意图
异质结材料近年来在能源存储与转换领域引起了广泛关注。通过复合的方法构建的异质结对电池的性能有显著的提升，界面工程是提升电池性能的关键，同时内建电场是界面工程中最显著的特征之一。通过合理设计异质结界面（如碳基、MXene基等复合体系），可有效调控电子、空穴的传输行为。由于异质结两侧材料的费米能级不同，电子会从高费米能级侧向低侧迁移。这种电荷重新分布形成了内建电场，显著加速了离子传输动力学。高导电性碳基材料与高容量过渡金属硫硒化物复合，可同步优化电子传导网络与钠离子扩散路径。这种界面工程不仅有效缓解了充放电过程中的体积应变效应，还通过内建电场加速电荷转移，显著提升电化学反应动力学。
图2.异质结材料动态演变分析
在SIBs循环充放电过程中观测异质结材料的动态演变过程有助于揭示材料的失效机制并优化材料的设计。动态演变的分析可以发现材料制作过程中关键环节（温度、时间等）的问题，为材料的加工提供指导。在异质结材料中通过观测界面处的变化可以设计更稳定的界面结构，改善离子和电子的传导效率，避免体积膨胀、裂纹产生等失效问题的发生。通过观测循环前后的不同测试图，观察相变、形貌、转化的过程，动态演变过程不能单一的只看一种变化，而是通过多尺度，多物理量的交叉验证，才能完整揭示异质结构中“结构-界面-性能”的动态关联。
图3.DFT计算SIBs负极材料的Na+吸附能
DFT计算可以预测吸附过程中的能量变化，揭示吸附过程中的微观机制，能够深入分析吸附分子与固体表面之间的相互作用，包括吸附能量、吸附构型和吸附位点等信息。DFT计算能够精确预测材料表面的吸附能，为设计出高效的钠离子电池负极材料提供了理论支持。
异质结材料作为钠离子电池负极材料的研究已取得突破性进展。密度泛函理论（DFT）计算揭示了异质界面内建电场的形成以及化学键的耦合，为材料设计的原子级优化提供了理论指导，尤其在吸附能优化与反应路径预测方面展现出独特优势。通过2D/2D、3D/3D、跨纬度以及多维异质结的界面设计，显著优化了材料的电子/离子传输路径、比容量及循环稳定性。异质结界面内建电场的形成有效降低了钠离子扩散势垒，加速了电荷转移动力学，并通过协同效应缓解了体积膨胀问题。尽管成果显著，异质结材料的实际应用仍面临多重挑战，未来研究需聚焦以下方向：
异质结材料优化性能：异质结内部的内建电场能够加速钠离子的迁移过程，降低其扩散能垒，同时还能优化电化学反应的动力学性能。此外，材料之间的协同效应，例如电荷转移和电子重分布，进一步提高了电荷转移效率和反应速率，成为提升钠离子电池性能的关键因素。这些设计策略成功突破了传统材料在动力学和稳定性方面的限制，为钠离子电池性能的提升带来了新的突破。
多组分体系的协同发展：钠离子电池负极材料研究内容丰富，但材料体积膨胀、循环稳定性差的问题都不可避免，因此在设计材料的过程中不仅要知道到材料的主要优势，还要特别注意该材料自身的劣势，通过多组分材料之间的协同效应、结构设计达到提升电池性能的效果。除此之外，还要关注制备材料的成本，避免难以大规模应用。
动态界面机制解析：在循环过程中的动态变化受多种因素（温度、机械应变、电场等）的协同影响，直接决定了界面的稳定性以及循环寿命。因此，未来的研究方向应当突破传统静态到动态的界限，构建多维度、多尺度的界面演化描述体系，结合多种原位表征技术，实现结构+化学态+力学信息的测试信息，甚至结合电化学测试，精确观测界面结构、化学状态与应力的协同演变。
极端环境适配性优化：为了应对低温性能差的挑战，材料需要具有良好的低温导电性，并在低温下保持稳定的结构，防止在低温的极端情况下造成的结构破坏。并且，在电池充放电过程中要避免过度极化的问题，因此迫切需要对材料的离子/电子导电性、结构韧性及界面稳定性进行协同优化。
理论与实验深度协同：构建“计算–合成–测试”闭环研究体系，通过跨尺度建模结果与实验表征（如结构分析、电化学测试）的动态对照，反向指导合成路线和工艺优化。重点聚焦异质界面催化效应（如钠离子插层活化能调控）、动态相变路径预测和界面稳定性提升等关键科学问题，系统探索界面设计、缺陷工程和多维异质结构对储钠行为的影响规律，为下一代高能量密度、长循环寿命的钠离子电池提供创新设计思路、可验证的机理模型及性能提升方案。
总结与展望
异质结材料在钠离子电池负极中的应用取得了显著进展，能够有效提升材料的电子/离子传输能力和循环稳定性。然而，尽管异质结材料展现出优异的性能，实际应用仍面临着界面稳定性和规模化生产等挑战，未来研究应聚焦于进一步优化材料的界面结构和稳定性。
文献信息
Jiaqing Liu , Jianying Zhang, Qianxilong Wang, Jinmiao Ren, Jiansheng Wang, Xiongfeng Zeng ,Yingna Zhao*，Interface engineering and multidimensional heterojunction design: sodium storage mechanism and performance optimization of sodium-ion battery anode materials，Advanced Functional Materials（2025）
DOI：10.1002/adfm.202513954
