中南大學Acta Materialia：鐵電BaTiO3 體相與表面協同極化提高鋰硫電池動力學性能

一、【導讀】

高能量密度的鋰硫電池被認為是下一代儲能器件中最具前途的候選者之一。然而，嚴重的穿梭效應及緩慢的動力學反應極大地限制鋰硫電池的商業化應用。為解決以上難題，研究者通過設計硫正極、改性隔膜、優化電解質和修飾中間層來減緩不利影響。其中，多功能隔膜改性被認為是緩解以上棘手問題的有效途徑之一。

具有宏觀自發極化的鐵電材料鈦酸鋇(BaTiO₃)抑制多硫化物穿梭方面顯示出巨大的潛力。利用偶極取向均一的BaTiO₃納米顆粒修飾聚乙烯(PE)隔膜，可通過靜電排斥作用抑制多硫化物穿梭。然而，改性的鋰硫電池容量保持率雖相對提高，但鐵電BaTiO₃較低的電子電導率導致鋰硫電池的循環衰減率仍不理想。因此，探索一種可行的策略來協同提高鐵電BaTiO₃的電子電導率和催化性能是極其重要。

二、【成果掠影】

近期，中南大學韋偉峰研究員、周亮君副教授、王麗副教授合作報道了鐵電BaTiO₃ 體相與表面協同極化策略促使鋰硫電池動力學性能提升。差分相襯掃描透射電子顯微鏡(DPC-STEM)表明，超薄異質外延TiO_x表面的引入可以誘導表面局域電場的形成。實驗和理論結果進一步表明，協同極化工程的構筑即整合增強的體相內極化場與表面局域電場可以實現快速的電子轉移并優化的活性位點，從而獲得優異的吸附-催化活性。因此，使用BaTiO₃@TiO_x改性隔膜可以賦予電池優異倍率及循環性能。

三、【核心創新點】

1、超薄異質外延TiO_x納米層的原位構筑；

2、增強的體相內極化場與表面局域電場的協同極化工程的構筑。

四、【數據概覽】

圖1 BaTiO₃@TiO_x 的結構與形貌表征

圖2 BaTiO₃@TiO_x 的電子與鐵電性表征

圖3 多硫化物吸附與催化轉化測試

圖4 多硫化物催化轉化測試

圖5 電化學性能測試

五、【成果啟示】

鐵電BaTiO₃體相與表面協同極化能夠促使鋰硫電池硫轉化動力學的提升。超薄異質外延TiO_x表面的引入不僅提供了豐富的化學錨定和催化活性位點，而且有利于BaTiO₃體相和表面協同極化的形成，加速電子傳輸以促進多硫化物的氧化還原動力學，確保高性能鋰硫電池的制備。這項工作為設計協同極化工程和開發電化學能源系統的新型功能材料提供了新的研究思路。

原文詳情：Synergistic Polarization Engineering on BaTiO₃ Bulk and Surface for Boosting Redox Kinetics of Polysulfides in Lithium–Sulfur Batteries (https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119543)

本文由作者供稿