AFM：自极化分子铁电体正极包覆层助力高性能全固态锂电池

全固态锂电池相比于传统的液态锂电池具有更高的安全性和更高的能量密度，被认为是最具潜力的下一代储能技术。然而，全固态锂电池电极/电解质界面处复杂的界面问题极大限制了锂离子的传输、制约了电池容量的发挥。因此，增强锂离子在电极/电解质界面处的传输能力是获得高能量密度全固态锂电池的必要前提。

在此，青岛能源所崔光磊研究员、马君副研究员、南京理工大学刘震教授以及青岛大学温峥教授等人通过简单环保的溶剂蒸发法将分子铁电体高氯酸胍(GClO₄)包覆在LiCoO₂正极颗粒的表面。

由于GClO₄和LiCoO₂晶胞体积存在的差异，使得GClO₄包覆在LiCoO₂表面之后因晶胞失配产生了挠曲电效应，诱使GClO₄中铁电偶极子发生定向排列，产生了垂直于正极颗粒表面向下的铁电内建电场。

该电场可以将Li₆PS₅Cl电解质中的锂离子迁移至LiCoO₂/GClO₄/Li₆PS₅Cl三相界面处，从而实现了抑制空间电荷层、提升锂离子传输的目的。

图1. GClO₄包覆LiCoO₂正极的工艺流程与微观结构表征

总的来说，通过简单的溶剂蒸发法制备了一种GClO₄分子铁电体包覆的LiCoO₂正极颗粒材料。电化学性能测试结果显示，改性后的电池性能得到了显著提升。实验结果显示，铁电包覆层具有单畴的、垂直于正极颗粒表面向上的极化状态，这直接关系到铁电内建电场的有效构建和作用发挥，即影响正极/电解质界面的锂离子传输行为。

有限元和第一性原理计算证实，铁电材料与正极材料之间的晶胞失配诱使铁电包覆层产生了挠曲电效应，进而得到了特殊的铁电极化状态。该工作首次提出了正极和电解质之间铁电内置电场的构建机制，为铁电材料增强锂电池性能的研究提供了理论指导。

图2. 铁电内建电场和作用机制的理论分析

Self-Polarized Organic–Inorganic Hybrid Ferroelectric Cathode Coatings Assisted High Performance All-Solid-State Lithium Battery, Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202300791

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