【研究背景】
加快高能量密度电池技术革命对于提升先进电池创新竞争力和实现“碳中和”至关重要。然而，缓慢的离子传输极大地阻碍了高能量密度电池的商业化进程。由于铁电材料独特的非中心对称晶体结构和自发极化，其在促进离子输运从而提高反应动力学方面具有很大潜力。本文系统地综述了铁电材料在高能量密度电池中的研究进展。首先介绍了铁电材料的发展简史、分类和工作机理。其次，分析了高能量密度电池中各关键组件面临的挑战。在此基础上，总结了利用铁电材料改善离子传输动力学的相关策略。最后，提出了铁电材料存在问题和发展方向，点亮了实用化电池的未来。
【工作介绍】
近日，西北工业大学谢科予教授与香港理工大学黄海涛教授合作，发表题为“Ferroelectric Materials for High Energy Density Batteries: Progress and Outlook”的综述文章。该综述文章汇总了铁电材料在促进离子输运提高反应动力学方面的研究进展，并指出了铁电材料在高能量密度电池应用中的发展方向。该文章发表在国际顶级期刊ACS Energy Letters上。李楠博士为本文第一作者。
【内容表述】
1. 铁电材料在高能量密度电池负极中的研究进展
铁电材料在高容量负极中的应用主要集中在调控电结晶行为和利用本征体积变化提高离子传输两方面。首先，明确了不同极化状态铁电涂层对金属电结晶行为的调控作用，研究表明向下极化情况下，铁电层的上负端可以吸附尖端偏压处的离子，从而平衡电沉积前的离子分布和梯度，最终实现均匀的金属电沉积层（图1）。此外，考虑到铁电材料通常具有压电性，因此可以通过合理利用负极本征体积变化来调节离子输运。在金属和硅基负极上引入压电材料，当由于巨大体积变化产生的压应力施加在压电层上时，会建立从正极到负极方向的压电场，其作用相当于离子泵，可显著增强离子传输，提高电化学反应动力学。
图1. 铁电材料调控金属电结晶行为
2. 铁电材料在高能量密度电池正极中的研究进展
铁电材料在高能量密度电池正极中的应用主要集中在增强多硫化物锚定和提高倍率能力两方面。考虑到非中心对称晶体结构引起的铁电自发极化现象，可以在铁电体表面诱导宏观电荷。因此，自发极化铁电材料可以通过化学吸附极性多硫化物来克服“穿梭效应”（图2）。最重要的是，该策略可以无缝集成到当前的工业生产中，为铁电材料未来规模化应用奠定坚实的基础。此外，构建铁电-活性材料-电解质三相界面可增强电极-电解质界面处的离子传输，从而提高电池的倍率性能。
图2. 铁电材料增强多硫化物锚定
3. 铁电材料在固态电解质中的研究进展
研究表明弛豫铁电聚合物基固态电解质对锂离子具有更强的溶剂化能力，促进了锂盐解离。因此，铁电聚合物基固态电解质具有更多的自由载流子和更高的离子电导率。此外，最新研究表明引入铁电材料可显著弱化复合固态电解质中聚合物与无机填料之间的空间电荷层，从而增强离子输运（图3）。
图3. 铁电材料增强固态电解质离子传输
【展望】
铁电材料在高能量密度电池中的应用仍处于起步阶段，许多问题需要进一步研究以推进其商业化进程。目前大多数用于高能量密度电池的铁电材料都是纳米颗粒，具有不同纳米形态的铁电体对离子传输的影响尚不清楚，急需开发原位表征技术来揭示离子扩散增强的界面结构和潜在的电化学反应机制。受铁电调控金属电结晶行为的启发，铁电体在无负极电池中也具有巨大的应用潜力。此外，铁电体在商用Ah级软包电池以及在复杂使用环境（如低温、快充等）中的应用亟待进一步研究。
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
通讯作者简介
谢科予教授 西北工业大学材料学院教授/博导，国家级青年人才，英国皇家化学会会士；现任陕西省锂电池正极材料校企联合研究中心副主任、陕西省石墨烯联合实验室副主任、西北工业大学材料前沿交叉中心主任；长期从事高性能化学电源及其关键材料研究，研究成果先后发表在Nature Communications, Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition等高水平期刊。
黄海涛教授 香港理工大学应用物理系教授，英国皇家化学会会士，国际电化学能源科学院理事。主要研究方向为铁电材料和电化学能量转换与存储材料(可充电电池、超级电容器、电催化剂)，研究成果先后发表在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。
第一作者介绍
李楠博士 毕业于西北工业大学，现为香港理工大学博士后，研究方向为能源材料及先进化学电源，研究成果先后发表在Advanced Materials, ACS Energy Letters, Angewandte Chemie International Edition, InfoMat, Nano Letters等高水平期刊。
来源：能源学人
