この研究では、代表的な圧電材料であるチタン酸バリウム (BaTiO3、BTO) をリチウム空気電池の空気正極に導入し、固体放電生成物の成長と分解によって生成される微視的な内部応力によって内部電場を誘起し、それによって電池寿命を向上させました。サイクル中の反応速度論と界面 李+ 輸送 (図 1)。その場ラマン分光法、X線回折 分光法、有限要素シミュレーション、および第一原理計算はすべて、BTO によって生成される内部電場に対するバッテリーの内部応力の特定の調整効果を明らかにします。緩和時間分布とその場電気化学インピーダンス分光法により、内部応力誘起電場と電極ダイナミクス間の固有の関係が正確に明らかになります。
808 cm-1 付近のラマン散乱バンドは放電プロセスとともに徐々に強化され、放電生成物 Li2O2 が BTO の表面に急速に形成されることを示しています。249 cm-1 および 306 cm-1 のラマン散乱バンドは徐々に増強されており、BTO の格子歪みが徐々に増加していることを示しています。これは主に、特定の結晶軸に沿って Ti4+ を O2− に向かって移動させるための電池の内部応力の動的増加によって引き起こされる放電生成物の継続的な蓄積によるものであり、対応する O2− は電子変位分極を示し、その結果自発分極が生じます。電界の影響を受けます (図 2)。
の回折ピーク放電中はより高い回折角にシフトし、充電中はより低い回折角にシフトします。放電プロセスでは応力曲線は上昇傾向を示し、その後の充電プロセスでは応力曲線は下降傾向を示しました。これは、Li2O2 の成長と分解の進化傾向と一致していました (図 3)。
計算結果は、BTO ナノ粒子の圧電ポテンシャルが加えられた圧力の量に比例するという観察された実験現象と一致しています。バッテリーサイクル中に動的に変化する内部応力は、バンドを調整することによって大幅に反応を開始します。 構造内部キャリア/ホールの流れを制御します (図 4)。
電池の内部応力によって引き起こされる圧電ポテンシャルは、バンド構造を制御し、キャリアの分離と輸送を促進し、李+ の物質移動を強化し、反応障壁を効果的に低減し、電池の性能を大幅に向上させることができます。優れたレート性能（図５）。
内部応力によって誘発される内部電場と電極のダイナミクスとの関係が研究されています。放電生成物の成長と分解によって生成される固有応力は、分極を誘発し、動的な内蔵電界を確立し、圧電触媒によるREDOX反応のために電子と正孔を反対側の表面に連続的に分離することを可能にし、界面Li+輸送を促進して、バッテリーの反応速度論。