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全固態鋰電池相比于傳統的液態鋰電池具有更高的安全性和更高的能量密度，被認為是最具潛力的下一代儲能技術。然而，全固態鋰電池電極/電解質界面處復雜的界面問題極大限制了鋰離子的傳輸、制約了電池容量的發揮。因此，增強鋰離子在電極/電解質界面處的傳輸能力是獲得高能量密度全固態鋰電池的必要前提。

在此，青島能源所崔光磊研究員、馬君副研究員、南京理工大學劉震教授以及青島大學溫崢教授等人通過簡單環保的溶劑蒸發法將分子鐵電體高氯酸胍(GClO₄)包覆在LiCoO₂正極顆粒的表面。

由于GClO₄和LiCoO₂晶胞體積存在的差異，使得GClO₄包覆在LiCoO₂表面之后因晶胞失配產生了撓曲電效應，誘使GClO₄中鐵電偶極子發生定向排列，產生了垂直于正極顆粒表面向下的鐵電內建電場。

該電場可以將Li₆PS₅Cl電解質中的鋰離子遷移至LiCoO₂/GClO₄/Li₆PS₅Cl三相界面處，從而實現了抑制空間電荷層、提升鋰離子傳輸的目的。

圖1. GClO₄包覆LiCoO₂正極的工藝流程與微觀結構表征

總的來說，通過簡單的溶劑蒸發法制備了一種GClO₄分子鐵電體包覆的LiCoO₂正極顆粒材料。電化學性能測試結果顯示，改性后的電池性能得到了顯著提升。實驗結果顯示，鐵電包覆層具有單疇的、垂直于正極顆粒表面向上的極化狀態，這直接關系到鐵電內建電場的有效構建和作用發揮，即影響正極/電解質界面的鋰離子傳輸行為。

有限元和第一性原理計算證實，鐵電材料與正極材料之間的晶胞失配誘使鐵電包覆層產生了撓曲電效應，進而得到了特殊的鐵電極化狀態。該工作首次提出了正極和電解質之間鐵電內置電場的構建機制，為鐵電材料增強鋰電池性能的研究提供了理論指導。

圖2. 鐵電內建電場和作用機制的理論分析

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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AFM：自極化分子鐵電體正極包覆層助力高性能全固態鋰電池

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