联系我们
  • 联系电话

    0731-88876089

  • 联系人

    李栋、杜瑜敏

  • 邮箱

    csuzyxh@sohu.com

  • 邮编

    410083

  • 学院地址

    湖南省长沙市中南大学资源循环研究院

研究院科研成果速递 | 新型添加剂助力锂电池单晶高镍正极4.6 V高压稳定循环

来源:  发布时间:2026年03月27日 作者:

近日,研究院钠电储能研究团队在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》发表题为《Ultra-Stable High-Voltage Cycling of Li-Ion Batteries via Interphase Engineering with 3,5-Bis (trifluoromethyl) phenyl Isocyanate》的论文,该工作设计了一种新型多功能电解液添加剂 —3,5-双(三氟甲基)苯基异氰酸酯(3,5-Bis (CF3) PhNCO),通过整合强反应性-NCO基团和电负性 -CF3基团的协同作用,成功解决了高镍单晶LiNi0.92Co0.06Mn0.02O2(SC-N92) 正极在 4.6 V 高电压循环下的界面不稳定性和结构降解问题,为高能量密度、长寿命锂离子电池的开发提供了全新思路。


学术引用与团队信息

(3)该方法有效精简了从金属Ag到 MOD油墨的制备流程,AgOAc可直接作为MOD油墨原料,无需额外提纯处理。相比传统路线减少多步置换、酸溶及洗涤工序,有效提高了MOD油墨的生产效率,有望推动MOD油墨在柔性电路、智能穿戴等领域的应用。

标准引用格式:Lu Zhou, Xinming Fan*, Haojie Du, Gaoqiang Mao, Qian Wang, Yufang Chen, Xueyi Guo, Dawei Yu*. Ultra-Stable High-Voltage Cycling of Li-Ion Batteries via Interphase Engineering with 3,5-Bis(trifluoromethyl)phenyl Isocyanate, Advanced Functional Materials, 2026; 0: e23184. https://doi.org/10.1002/adfm.202523184

作者及单位:

周璐,范鑫铭*,杜浩杰,毛高强,王倩,陈宇方,郭学益,于大伟*(* 为通讯作者);

中南大学资源循环研究院,湖南-长沙 410083

联系邮箱:

范鑫铭:fanxinming@csu.edu.cn

于大伟:dawei.yu@csu.edu.cn


研究背景

(3)该方法有效精简了从金属Ag到 MOD油墨的制备流程,AgOAc可直接作为MOD油墨原料,无需额外提纯处理。相比传统路线减少多步置换、酸溶及洗涤工序,有效提高了MOD油墨的生产效率,有望推动MOD油墨在柔性电路、智能穿戴等领域的应用。

随着电动汽车与低空经济的快速发展,高能量密度锂离子电池成为科研核心焦点。高镍层状氧化物因高比容量和成本优势,被视为实现 400 Wh kg-1 以上能量密度的理想正极材料。然而,在 4.5 V 以上高电压循环下,高镍正极面临晶界诱导微裂纹、过渡金属溶解、电解液氧化分解、CEI 膜不稳定等多重挑战,即便单晶化改性仍难避晶内应力与颗粒开裂,形成性能衰减恶性循环。

电解液添加剂因高效低成本成为界面调控关键,但单官能团添加剂难以在高压条件下同时解决多重界面问题。在此背景下,异氰酸酯类化合物凭借其高反应活性与富氮特性,在界面调控领域展现出独特潜力。这类化合物可通过参与构建富氮界面膜层提升界面稳定性,但目前关于其在高压锂离子电池体系中的应用研究仍较为匮乏,亟待开展系统性探究。基于此,本研究提出一种新型电解液添加剂 ——3,5-双 (三氟甲基) 苯基异氰酸酯,将其引入LiPF6/碳酸酯基电解液中,以提升单晶 N92(SC-N92)正极在 4.6 V 电压下的界面稳定性与结构稳定性,并深入揭示了电极-电解液界面协同调控的作用机理。


图文解析

要点一:多功能添加剂的协同作用机制

与传统单功能添加剂不同,3,5-Bis (CF3) PhNCO 展现三重协同功效:

1. -NCO 基团:快速清除电解液中微量水分,中断 LiPF6水解链,同时中和 HF 等酸性物质,从源头抑制HF生成;

2. -CF3基团:增强电解液疏水性,同时通过诱导效应调节分子电子云分布,降低 HOMO 能级,使添加剂优先氧化分解;

3. 协同构建CEI膜:添加剂原位形成约20nm厚的富氮CEI层,兼具高离子导电性和机械强度,有效隔离电解液与电极,抑制过渡金属溶解和缓解锂离子的不均匀沉积。

图1 3,5-Bis(CF3)PhNCO添加剂对锂离子电池正、负极的积极作用

要点二:优异的电化学性能

1. 半电池性能:添加 2 wt.% 3,5-Bis (CF3) PhNCO 的电解液,SC-N92||Li 电池在 4.6 V、0.5 C 下循环 150 次后容量保持率达 87.08%(放电容量 173.46 mAh g-1),远高于基准电解液的 66.04%(126.7 mAh g-1);在 4.6 V、5 C 的严苛条件下,250 次循环后容量保持率仍达 68.61%。

2. 全电池性能:1.8 Ah 软包全电池在 2.8-4.2 V、1 C 下循环 1400 次后,容量保持率高达 86.67%,展现出卓越的长期循环稳定性。

3. 普适性:该添加剂对 LCO、多晶 NCM90 等多种正极体系均具有界面稳定作用,其中多晶 NCM90 正极在 200 次循环后容量保持率从 44.02% 提升至 66.28%。

图2 基准与添加2 wt.% 3,5-Bis (CF3) PhNCO 的电解液在 3.0~4.6 V 电压区间内的电化学性能。

要点三:多尺度表征验证结构稳定性

1. 微观结构改善:FIB-3D 重建显示,基准电解液中 SC-N92 颗粒出现大量晶内裂纹,而添加剂体系中裂纹密度显著降低,颗粒结构保持完整;

2. 相转变抑制:原位 XRD 和 XAFS 分析表明,添加剂有效抑制了高电压下正极从层状结构向岩盐相的不可逆转变,降低晶格畸变和各向异性应变,单位胞体积收缩从 7.75% 降至 6.10%;

3. 界面化学调控:XPS 和 TOF-SIMS 证实,CEI 膜富含 C-N、C-F 等键合结构,减少 LiF、Li2CO3等绝缘产物堆积,降低界面阻抗,促进 Li+快速传输。

图3 基准与添加2 wt.% 3,5-Bis (CF3) PhNCO 的电解液体系中,SC-N92电极循环 150 次后的形貌与晶体结构。

图4 基准与添加2 wt.% 3,5-Bis (CF3) PhNCO 的电解液体系中,SC-N92 电极循环 150 次后的 X 射线光电子能谱和飞行时间二次离子质谱分析。

图5 基准与添加2 wt.% 3,5-Bis (CF3) PhNCO 的电解液体系中,SC-N92电极在 3-4.6 V 电压区间首次循环的原位 XRD 图谱、满充电态的 Ni K 边 XANES 谱及边位移放大图、非原位 Ni K 边 EXAFS 谱,以及对应的 EXAFS 二维小波变换图。

要点四:理论计算与模拟支撑

1. 添加剂重构 Li+溶剂化壳层,减少 PF6⁻参与,抑制其分解;

2. 降低 Li+脱溶剂化能垒(从 - 83.76 kcal mol⁻1 降至 - 90.85 kcal mol⁻1),加速 Li+界面传输;

3. COMSOL 多物理场模拟验证,添加剂使 Li+分布更均匀,缓解浓度极化和机械应力波动,减少结构损伤。

图6 基准与添加2 wt.% 3,5-Bis (CF3) PhNCO 的电解液体系的分子动力学轨迹快照、径向分布函数及锂离子脱溶剂化能垒,线性扫描伏安曲线、计时电流响应曲线,以及关键电解液组分及其Li+/PF6−络合物的前沿分子轨道能级。

图7 基准与添加2 wt.% 3,5-Bis (CF3) PhNCO 的电解液体系中,SC-N92电极循环 150 次后的锂离子应力分布及界面浓度分布曲线。

研究结论

(3)该方法有效精简了从金属Ag到 MOD油墨的制备流程,AgOAc可直接作为MOD油墨原料,无需额外提纯处理。相比传统路线减少多步置换、酸溶及洗涤工序,有效提高了MOD油墨的生产效率,有望推动MOD油墨在柔性电路、智能穿戴等领域的应用。

新型异氰酸酯基添加剂3,5-Bis (CF3) PhNCO可显著提升单晶 N92(SC-N92)锂离子电池在4.6 V 高截止电压下的界面稳定性。该添加剂能够促进富氮正极-电解液界面相(CEI)膜的原位形成,有效抑制长循环过程中的寄生副反应,维持正极材料的结构完整性。值得注意的是,与传统单官能团电解液添加剂不同,本研究开发的新型异氰酸酯化合物具有双官能团协同效应,可在严苛的 4.6 V 高压工况下实现电极-电解液界面的精准调控。结果表明,添加2 wt.%该添加剂的电池在 150 次循环后容量保持率高达87.08%,远高于基础电解液体系电池的66.04%。此外,软包全电池在 1400 次循环后容量保持率仍可达86.67%,充分证实了该添加剂在提升电池长期稳定性方面的显著优势。

多尺度表征与理论模拟结果表明,-CF3基团通过吸电子效应抑制电解液溶剂的氧化分解,-NCO 基团则可化学中和体系内的酸性物质,稳定界面反应进程,两者协同作用是电池性能提升的核心机制。本研究为解决高压工况下高镍层状正极的界面衰退与不稳定性问题提供了一种兼具创新性与实用性的策略,不仅为高能量密度、长寿命锂离子电池的设计奠定了机理基础,更指明了切实可行的技术方向。

文章核心信息卡



(一审:周璐; 二审:秦雯琦; 三审:李 栋)


文章标签:
分享: