Directional Polarization of a Ferroelectric Intermediate Layer Inspires a Built‐In Field in Si Anodes to Regulate Li+ Transport Behaviors in Particles and Electrolyte

电解质 极化(电化学) 阳极 铁电性 材料科学 图层(电子) 化学物理 凝聚态物理 化学工程 光电子学 纳米技术 化学 电极 物理 物理化学 电介质 工程类
作者
Ming Liu,Wei Xu,Shigang Liu,Bowen Liu,Yang Gao,Bin Wang
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
标识
DOI:10.1002/advs.202402915
摘要

The silicon (Si) anode is prone to forming a high electric field gradient and concentration gradient on the electrode surface under high-rate conditions, which may destroy the surface structure and decrease cycling stability. In this study, a ferroelectric (BaTiO3) interlayer and field polarization treatment are introduced to set up a built-in field, which optimizes the transport mechanisms of Li+ in solid and liquid phases and thus enhances the rate performance and cycling stability of Si anodes. Also, a fast discharging and slow charging phenomenon is observed in a half-cell with a high reversible capacity of 1500.8 mAh g-1 when controlling the polarization direction of the interlayer, which means a fast charging and slow discharging property in a full battery and thus is valuable for potential applications in commercial batteries. Simulation results demonstrated that the built-in field plays a key role in regulating the Li+ concentration distribution in the electrolyte and the Li+ diffusion behavior inside particles, leading to more uniform Li+ diffusion from local high-concentration sites to surrounding regions. The assembled lithium-ion battery with a BaTiO3 interlayer exhibited superior electrochemical performance and long-term cycling life (915.6 mAh g-1 after 300 cycles at a high current density of 4.2 A g-1). The significance of this research lies in exploring a new approach to improve the performance of lithium-ion batteries and providing new ideas and pathways for addressing the challenges faced by Si-based anodes.
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