研在合工大 | 芯片、材料等领域新进展|光子|固态电池|材料|负极

1.光子集成芯片研究

2.新能源锂硫电池研究

3.能量存储与光电转换研究

光子集成芯片研究

仪器科学与光电工程学院夏豪杰教授团队与皇家墨尔本理工大学、兰州大学合作，在光子集成芯片领域取得重要进展。相关研究成果发表于《Nature Communications》。仪器科学与光电工程学院青年教师韩旭、博士研究生姜湖为论文共同第一作者，夏豪杰教授、兰州大学田永辉教授和皇家墨尔本理工大学任光辉研究员为论文共同通讯作者。

铌酸锂晶体因其卓越的电光、声光和光学非线性特性，被誉为光子学领域的“硅”材料。然而，薄膜铌酸锂光子集成芯片受限于材料的中等折射率、固有各向异性以及与标准CMOS工艺不兼容的波导刻蚀技术，集成密度始终难以媲美成熟的硅基光子芯片，这一技术瓶颈严重制约了该材料在下一代高密度光子集成系统中的大规模应用。

针对这一难题，研究团队采用氮化硅-薄膜铌酸锂异质集成方法，借助氮化硅材料低光学损耗、各向同性和成熟工艺优势，将光子学逆向设计理念成功引入薄膜铌酸锂器件研发。该方法通过智能算法在设定区域内自由“搜寻”最优结构，从而打破传统波导设计的物理直觉限制，实现微观尺度上对光场的精准操控。凭借这一强大工具，研究团队成功设计并制备出一系列超紧凑、高性能的基础光子器件：模式复用/解复用器尺寸仅为19×25μm2，多模波导交叉尺寸低至15×15μm2，多模波导弯曲半径缩减至30μm。这些器件尺寸均显著超越了传统设计方法的极限，有望将薄膜铌酸锂无源器件的面内集成密度提升一个数量级，并极大地优化光路设计自由度。研究团队将这些“微纳积木”高效组合，在一片仅0.06mm2的微型芯片上集成了超过10个波导元件，构建出复杂的多模光子电路并应用于大容量数据通信演示，展现出高密度集成的巨大潜力。

图1. 逆向设计薄膜铌酸锂多模光子电路示意图

为进一步验证系统级综合性能，团队在同一芯片上集成了高速电光调制器。实验结果表明，该集成系统在实现多模信号传输的同时，单个通道的数据调制速率高达120Gbps。这充分证明了该技术方案不仅能实现器件高密度集成，还能保持铌酸锂材料本身的高速电光调制优势，标志着薄膜铌酸锂光子集成技术向“更高密度、更小尺寸、更强功能”迈出了关键一步，为未来研制超大容量、超高速率的光通信与光计算芯片奠定了核心技术基础。

图2. 芯片级高速电光调制及多模信号传输眼图

近年来，研究团队持续开展光子器件及其集成技术的基础与应用研究，在《Nature Communications》等顶级期刊上发表论文30余篇，多篇论文当选期刊封面故事，研究成果得到中国科学报、科学网等学术媒体的详细解读，相关研究工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的支持。

新能源锂硫电池研究

化学与化工学院张茂峰教授团队在锂硫电池化学储能领域取得新进展，相关成果在材料领域国际知名期刊《Advanced Materials》上发表。新进教师魏传亮博士为论文第一作者，张茂峰教授和山东大学熊胜林教授（学校兼职教授）为论文共同通讯作者，合肥工业大学为论文第一通讯单位。

该研究首次提出了一种精准的“结合水分子化学金属锂负极界面调控策略”。利用一水合乙二胺分子（C2H8N2·H2O）与金属锂负极的选择性反应在金属锂负极表面原位构建了均匀、超薄、坚固、纵横交错且亲锂的LiOH纳米片界面层。由于LiOH层的超低电导率和丰富的离子传输通道，锂沉积发生在LiOH层下方，从而保护锂金属负极减少电解液的腐蚀。坚固（14GPa）且纵横交错的LiOH纳米片犹如坚固的“铠甲”能够阻挡锂枝晶的不可控生长。具有亲锂性的LiOH层能够均化电极表面的Li+分布，并降低界面处的Li+扩散势垒，促进锂的均匀沉积。在多功能LiOH层的调节下，锂金属负极的问题得以解决。

当用于锂硫电池时，C2H8N2·H2O改性的锂（MLi）有效缓解了可溶性多硫化锂的侵蚀，锂金属负极和电池性能均显著提高。通过优化电解液的成分、界面反应时间、分子反应器的种类以及反应工艺技术，电池的性能可得到进一步提升。其它含结合水的分子可能具有相同的功能。此外，本研究提出的策略还可推广至其它金属负极（钠、钾、镁、锌等）。这些方面目前课题组正在进行系统研究，为锂金属负极及其它金属负极的改进提供了新的启示。

该研究得到了国家自然科学超越传统电池体系重大研究计划、国家自然科学联合基金重点项目、安徽省自然科学面上项目、合肥工业大学青年教师科研创新启动专项等项目的联合资助和合肥工业大学分析测试中心的大力支持。

近年来，研究团队围绕微纳尺度多功能新能源材料的设计与可控制备开展基础应用研究，并将其应用于碱金属（锂/钠/钾）、锂硫、硅基等高能量密度新型二次电池体系，实现了能源的高效存储与利用。近五年在Adv. Mater.、Sci. Bull.等发表论文50余篇。相关研究成果为国家能源可持续发展提供了重要的科技支撑。

能量存储与光电转换研究

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，相关研究成果发表于材料领域期刊《Energy Storage Materials》上。文章第一作者为博士研究生汤召宇，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520.9mAh·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15C的超高倍率下比容量达465.5mAh·g-1，能量密度高达221.1Wh·kg-1，展现出优异的实际应用潜力。