【研究背景】
加快高能量密度電池技術革命對于提升先進電池創新競爭力和實現“碳中和”至關重要。然而，緩慢的離子傳輸極大地阻礙了高能量密度電池的商業化進程。由于鐵電材料獨特的非中心對稱晶體結構和自發極化，其在促進離子輸運從而提高反應動力學方面具有很大潛力。本文系統地綜述了鐵電材料在高能量密度電池中的研究進展。首先介紹了鐵電材料的發展簡史、分類和工作機理。其次，分析了高能量密度電池中各關鍵組件面臨的挑戰。在此基礎上，總結了利用鐵電材料改善離子傳輸動力學的相關策略。最后，提出了鐵電材料存在問題和發展方向，點亮了實用化電池的未來。
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【工作介紹】
近日，西北工業大學謝科予教授與香港理工大學黃海濤教授合作，發表題為“Ferroelectric Materials for High Energy Density Batteries: Progress and Outlook”的綜述文章。該綜述文章匯總了鐵電材料在促進離子輸運提高反應動力學方面的研究進展，并指出了鐵電材料在高能量密度電池應用中的發展方向。該文章發表在國際頂級期刊ACS Energy Letters上。李楠博士為本文第一作者。
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【內容表述】
1. 鐵電材料在高能量密度電池負極中的研究進展
鐵電材料在高容量負極中的應用主要集中在調控電結晶行為和利用本征體積變化提高離子傳輸兩方面。首先，明確了不同極化狀態鐵電涂層對金屬電結晶行為的調控作用，研究表明向下極化情況下，鐵電層的上負端可以吸附尖端偏壓處的離子，從而平衡電沉積前的離子分布和梯度，最終實現均勻的金屬電沉積層（圖1）。此外，考慮到鐵電材料通常具有壓電性，因此可以通過合理利用負極本征體積變化來調節離子輸運。在金屬和硅基負極上引入壓電材料，當由于巨大體積變化產生的壓應力施加在壓電層上時，會建立從正極到負極方向的壓電場，其作用相當于離子泵，可顯著增強離子傳輸，提高電化學反應動力學。
圖1. 鐵電材料調控金屬電結晶行為
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2. 鐵電材料在高能量密度電池正極中的研究進展
鐵電材料在高能量密度電池正極中的應用主要集中在增強多硫化物錨定和提高倍率能力兩方面。考慮到非中心對稱晶體結構引起的鐵電自發極化現象，可以在鐵電體表面誘導宏觀電荷。因此，自發極化鐵電材料可以通過化學吸附極性多硫化物來克服“穿梭效應”（圖2）。最重要的是，該策略可以無縫集成到當前的工業生產中，為鐵電材料未來規模化應用奠定堅實的基礎。此外，構建鐵電-活性材料-電解質三相界面可增強電極-電解質界面處的離子傳輸，從而提高電池的倍率性能。
圖2. 鐵電材料增強多硫化物錨定
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3. 鐵電材料在固態電解質中的研究進展
研究表明弛豫鐵電聚合物基固態電解質對鋰離子具有更強的溶劑化能力，促進了鋰鹽解離。因此，鐵電聚合物基固態電解質具有更多的自由載流子和更高的離子電導率。此外，最新研究表明引入鐵電材料可顯著弱化復合固態電解質中聚合物與無機填料之間的空間電荷層，從而增強離子輸運（圖3）。
圖3. 鐵電材料增強固態電解質離子傳輸
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【展望】
鐵電材料在高能量密度電池中的應用仍處于起步階段，許多問題需要進一步研究以推進其商業化進程。目前大多數用于高能量密度電池的鐵電材料都是納米顆粒，具有不同納米形態的鐵電體對離子傳輸的影響尚不清楚，急需開發原位表征技術來揭示離子擴散增強的界面結構和潛在的電化學反應機制。受鐵電調控金屬電結晶行為的啟發，鐵電體在無負極電池中也具有巨大的應用潛力。此外，鐵電體在商用Ah級軟包電池以及在復雜使用環境（如低溫、快充等）中的應用亟待進一步研究。
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Nan Li, Keyu Xie*, and Haitao Huang*. Ferroelectric Materials for High Energy Density Batteries: Progress and Outlook. ACS Energy Lett. 2023.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.3c01643
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通訊作者簡介
謝科予教授 西北工業大學材料學院教授/博導，國家級青年人才，英國皇家化學會會士；現任陜西省鋰電池正極材料校企聯合研究中心副主任、陜西省石墨烯聯合實驗室副主任、西北工業大學材料前沿交叉中心主任；長期從事高性能化學電源及其關鍵材料研究，研究成果先后發表在Nature Communications, Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition等高水平期刊。
黃海濤教授 香港理工大學應用物理系教授，英國皇家化學會會士，國際電化學能源科學院理事。主要研究方向為鐵電材料和電化學能量轉換與存儲材料(可充電電池、超級電容器、電催化劑)，研究成果先后發表在Nature, Nature Photonics, Nature Communications, Journal of the American Chemical Society, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition等高水平期刊。
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第一作者介紹
李楠博士 畢業于西北工業大學，現為香港理工大學博士后，研究方向為能源材料及先進化學電源，研究成果先后發表在Advanced Materials, ACS Energy Letters, Angewandte Chemie International Edition, InfoMat, Nano Letters等高水平期刊。
來源：能源學人
