香港大学梁耀彰/潘文鼎、深圳大学郭镇斌Advanced Materials观点：电极研究弄潮儿：深度解析异质界面对电池性能的影响

异质电极材料具有丰富的异质界面和局部“空间电荷效应”，这些特性能够显著提升容量输出，并加速储能装置中的质量/电荷传递动力学。这些引人注目的特征为电动汽车、电网储能以及便携式电子产品等高需求领域带来了新的发展机遇。然而，目前关于异质界面的基本原理和工作机制尚未完全明晰，这在一定程度上限制了电极材料的科学设计与优化。

近日，香港大学梁耀彰/潘文鼎和深圳大学郭镇斌在国际知名期刊《Advanced Materials》上发表了题为“Heterointerfaces: Unlocking Superior Capacity and Rapid Mass Transfer Dynamics in Energy Storage Electrodes”的综述文章。这篇综述深入且系统地探讨了充电和放电过程中异质界面的动态结构演变，深入剖析了异质界面与电子/离子间复杂的相互作用，并揭示了异质界面对电化学性能的关键影响机制。此外，该综述还提供了实用的指导方针和切实可行的策略，旨在指导设计结构优化的异质界面，以应对储能电极在不同应用场景中面临的具体挑战。这篇综述对异质界面的认识和理解得到了进一步深化，为设计和优化下一代储能材料，从而推动可持续未来的实现奠定了坚实基础。

要点一：异质结构的储能电极材料，在界面“空间电荷效应”（界面电场和空间电荷区）的巧妙调控下，能够充分展现其表面、体相以及界面处的能量存储优势。这种材料不仅具备高效的传质和传核动力学特性，还展现出高容量输出的巨大潜力，为储能领域的发展注入了新的活力。

要点二：光电器件、发光二极管和光催化材料的界面工作原理，核心在于异质界面与电子-空穴对之间复杂的相互作用。而在储能异质界面中，其工作原理具有独特之处，它主要聚焦于界面处离子和电子的转移行为、动力学相互作用，以及电化学反应过程中界面的动态演变。这一研究领域之所以复杂，主要有两大原因。（1）在外加电场和离子浓度场的影响下，储能异质界面结构在充放电过程中会发生动态变化，这需要我们采用动态的研究方法来深入探索其工作机制；（2）界面内的电场在推动电荷向某一方向转移的同时，也会阻碍相反方向的电荷转移。因此，在构建满足特定需求的储能异质界面时，我们需要巧妙运用扬长避短的策略，充分发挥其潜在优势，同时规避潜在的不足。理解以上两个问题对于我们理解储能异质界面的电化学存储机制，以及设计功能性更强的异质界面，都具有重要的意义。

要点三：异质界面无偏压、反向偏压、正向偏压、击穿条件下，空间电荷区具有不同的响应效果。

要点四：异质界面由于存在空间电荷区和内接电场，在储能过程中扮演着关键角色，主要作用体现在两个方面：（1）界面电荷吸附效应；（2）界面电场增强效应。在这两方面效应的作用下，异质界面在充放电过程中经历（1）离子吸附和电荷传递过程；（2）传质和传核过程；（3）离子吸附和电荷转移过程，这些过程进一步诱导异质界面结构的动态演变。简而言之，这一过程的逻辑链条是：异质界面结构初始状态→界面与电子/离子的相互作用→异质界面结构的动态演变→更新后的界面与电子/离子的相互作用。

要点五：储能异质界面的电化学效应主要表现为这几个方面：（1）调整能带结构；（2）加速电荷传递；（3）降低反应势垒；（4）增加存储位点；（5）释放应力。

梁耀彰，香港大学机械工程系教授，主要研究方向为可再生能源和节能技术，近年来在电化学与工程热物理领域做了大量研究工作，已圆满完成各类科研项目40余项，发表学术论文500余篇，其中SCI论文300余篇，会议论文180余篇，26部学术著作（或章节），相关引用超过47000次, h指数95。根据美国科学情报研究所统计，项目申请人是持续10年（2010-2023）能源领域最具影响力的科学家之一（Top 1% highly cited in energy area），也是2017-2023全球高引学者之一（Clarivate Analytics）。

潘文鼎，香港大学机械工程系研究助理教授，主要研究方向为金属基离子及空气电池的材料筛选与结构设计，相关研究成果发表于Science Advances、Advanced Materials和Advanced Energy Materials等知名期刊，h指数20；并获2项国际专利以及10项学术与竞赛奖项。此外，他积极推动产学研一体化，创立了初创公司，获得香港政府百万港币种子基金，已初步制成电池产品，并获得2024年49届日内瓦国际发明展金奖。

郭镇斌，深圳大学机电与控制工程学院助理教授。他主持了多个跨材料科学、纳米力学和能源材料领域的项目，研究重点为微纳米拓扑结构和界面性能。他的研究致力于利用多物理模型精细化材料和电极界面的动态过程。他的研究成果已发表在包括Advanced Materials、Nature Communications、Journal of the Mechanics and Physics of Solids、Int J Heat Mass Tran、Materials & Design等权威期刊上。