中南大学Acta Materialia：铁电BaTiO3 体相与表面协同极化提高锂硫电池动力学性能

一、【导读】

高能量密度的锂硫电池被认为是下一代储能器件中最具前途的候选者之一。然而，严重的穿梭效应及缓慢的动力学反应极大地限制锂硫电池的商业化应用。为解决以上难题，研究者通过设计硫正极、改性隔膜、优化电解质和修饰中间层来减缓不利影响。其中，多功能隔膜改性被认为是缓解以上棘手问题的有效途径之一。

具有宏观自发极化的铁电材料钛酸钡(BaTiO₃)抑制多硫化物穿梭方面显示出巨大的潜力。利用偶极取向均一的BaTiO₃纳米颗粒修饰聚乙烯(PE)隔膜，可通过静电排斥作用抑制多硫化物穿梭。然而，改性的锂硫电池容量保持率虽相对提高，但铁电BaTiO₃较低的电子电导率导致锂硫电池的循环衰减率仍不理想。因此，探索一种可行的策略来协同提高铁电BaTiO₃的电子电导率和催化性能是极其重要。

二、【成果掠影】

近期，中南大学韦伟峰研究员、周亮君副教授、王丽副教授合作报道了铁电BaTiO₃ 体相与表面协同极化策略促使锂硫电池动力学性能提升。差分相衬扫描透射电子显微镜(DPC-STEM)表明，超薄异质外延TiO_x表面的引入可以诱导表面局域电场的形成。实验和理论结果进一步表明，协同极化工程的构筑即整合增强的体相内极化场与表面局域电场可以实现快速的电子转移并优化的活性位点，从而获得优异的吸附-催化活性。因此，使用BaTiO₃@TiO_x改性隔膜可以赋予电池优异倍率及循环性能。

三、【核心创新点】

1、超薄异质外延TiO_x纳米层的原位构筑；

2、增强的体相内极化场与表面局域电场的协同极化工程的构筑。

四、【数据概览】

图1 BaTiO₃@TiO_x 的结构与形貌表征

图2 BaTiO₃@TiO_x 的电子与铁电性表征

图3 多硫化物吸附与催化转化测试

图4 多硫化物催化转化测试

图5 电化学性能测试

五、【成果启示】

铁电BaTiO₃体相与表面协同极化能够促使锂硫电池硫转化动力学的提升。超薄异质外延TiO_x表面的引入不仅提供了丰富的化学锚定和催化活性位点，而且有利于BaTiO₃体相和表面协同极化的形成，加速电子传输以促进多硫化物的氧化还原动力学，确保高性能锂硫电池的制备。这项工作为设计协同极化工程和开发电化学能源系统的新型功能材料提供了新的研究思路。

原文详情：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