陈军教授，CEJ观点： 新型锂盐添加剂4-苯甲腈-1,3-双（三甲基硼酸）锂（LBTA）赋予高电压锂离子电池稳定性

第一作者：李路成

通讯作者：陈军*

单位：江西理工大学

在高电压条件下，热力学不稳定的脱锂态NCM材料极易发生层状结构向岩盐相的有害相变，同时伴随有害气体和过渡金属元素（TMⁿ⁺）的溶解。特别是溶解到电解液中的Co⁴⁺阳离子会进一步引发电解液的氧化分解，而当其迁移至负极侧时，将导致固体电解质界面（SEI）膜的严重破坏。更严重的是，在高电压强氧化环境下，产生的O₂还会加剧电解液分解，甚至引发整个电池系统失效。这种由电解液分解引发的级联退化效应，迫切需要通过先进的电解质工程来阻断持续的电解液劣化，抑制有害溶剂分解和电极腐蚀。本研究设计了一种新型锂盐添加剂——4-苯甲腈-1,3-双（三甲基硼酸）锂（LBTA），该分子含有两类优异功能基团，主要作为电解质与电极界面的成膜促进剂，旨在显著提升锂离子电池的高电压电化学性能。这种创新的电解质设计方案相比传统体系具有三大突出优势：经济性、高电压电池性能和电化学稳定性。该独特电解质体系可为下一代低成本、长循环充放电的能电池技术提供具有实用价值的解决方案。

基于此，来自江西理工大学的陈军教授，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“The Design of Novel Lithium Salt Additives: 4-benzonitrile-1,3-double (trimethylboric acid) lithium (LBTA) to endow Inherent Superior Stability in High Voltage Lithium Ion Batteries  ”的文章。该文章分析了现在常用的有机液态电解质在高压（4.5 V）与电池两极（正极、负极）之间界面的不稳定性，同时提出作者合成的新型添加剂LBTA对锂离子电池高压性能稳定的机理研究。

图1.新型锂盐LBTA对锂离子半电池和全电池性能提升的研究。

在高电压条件下，热力学不稳定的脱锂态NCM材料极易发生层状结构向岩盐相的有害相变，同时伴随有害气体和过渡金属元素（TMⁿ⁺）的溶解。当一定含量的LBTA的加入，三元NCM811电极与电解液界面存在更加坚固且稳定的含F，B和N的CEI层，这可以有效阻碍电极结构的转变及过度金属元素的脱溶。

要点二：石墨/有机电解质界面

石墨阳极与常见的有机电解质在循环时均会有副反应发生，导致电池的容量下降以及寿命衰减，然而其中的机理仍有待研究。同时由于传统电解液与石墨极形成的SEI较为不均匀，这无法稳定石墨的层状结构。为了解决上述问题，本人是加入LBTA锂盐添加剂可有效生成高质量的SEI，该膜可以有效保持石墨层状结构的完整性，这将有利于锂离子全电池在高压下的性能，这一措施有利于推动该添加剂的商业化应用。

要点三：理论支撑

理论计算表明，高电压稳定剂LBTA分子具有最低的LUMO能级和较高的HOMO能级，这表明LBTA能够优先发生氧化或还原反应，并参与在电极与电解质界面形成更优异的界面膜。并且，通过计算LBTA与Li⁺和Co⁴⁺的分子间结合能发现，LBTA与Li⁺的结合能最低，这表明LBTA的加入可以降低Li⁺的去溶剂化能垒；同时，LBTA与Co⁴⁺的结合能最高，说明LBTA能够有效捕获电解液中的Co⁴⁺阳离子，从而显著降低过渡金属元素对电解液的破坏作用。

要点四：前瞻

当前对高压下有机电解液/电极界面的了解和研究仍然有限，这也是未来研究的一个潜在方向。由于在诸多物理表征中，非原位的表征会破坏原有的结构，因此对于高压下锂离子电池需要更多的原位表征手段（如原位XRD）。冷冻电镜可以有效降低电子束对于界面膜的损失，同时低温也可以保护被表征部分的完整性，因此冷冻电镜在本研究方向有广阔的应用前景。仿真可以得到不同有机电解液添加剂的电化学窗口等实用信息，对未来的研究有指导作用。一些其他因素（如温度）对界面的影响也有待研究。了解有机电解液电池高压下的界面稳定性，可以实现具有高安全性高能量密度锂离子电池，以拓宽其在商业市场中的应用。

The Design of Novel Lithium Salt Additives: 4-benzonitrile-1,3-double (trimethylboric acid) lithium (LBTA) to endow Inherent Superior Stability in High Voltage Lithium Ion Batteries

陈军，2009年毕业于中国科学院化学研究所，现为江西理工大学教授，博士生导师，江西省赣鄱俊才支持计划-主要学科学术带头人领军培养人才，江西理工大学青年“清江”拔尖人才。长期从事锂离子电池有机/聚合物新型电极材料、高性能电解液、聚合物凝胶电解质/隔膜、酞菁基COFs/稀土酞菁光电功能材料等方面的研究开发工作。近年来主持国家自然科学基金、中国博士后基金特别资助项目、赣鄱俊才计划-主要学科学术带头人领军人才培养项目、江西省自然科学基金重点项目等10余项，以第一或通讯作者在Small, Chemical Engineering Journal, ACS Applied Materials & Interfaces, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, Journal of Colloid and Interface Science等期刊发表SCI论文共计70余篇（H指数25），授权发明专利15件，出版学术专著1部。累计培养研究生30余名，其中，获国家奖学金5人、江西省优秀硕士论文4人、中国有色金属学会优秀硕士论文1人、中国冶金教育学会优秀硕士论文1人、江西理工大学优秀硕士论文10人，多次获评江西理工大学优秀研究生导师。

李路成博士简介：2016年本科毕业于江西理工大学，博士师从江西理工大学材料科学与工程学院陈军教授，长期从事有机低温，高压电解液研究和开发。以第一作者在Journal of Colloid and Interface Science, ACS Sustainable Chemistry & Engineering，ACS Appl. Energy Mater.等学术刊物上发表多篇研究论文。

课题组依托于动力储能电池及材料江西省重点实验室和江西省高功率锂电池工程研究中心，具备完善的实验条件和先进的仪器设备。实验室按功能划分为动力电池基础理论研究室、动力电池设计研究室、动力电池性能研究室、动力电池成组技术研究室、动力电池工程化应用研究室和材料结构与化学检测中心，能够开展从材料合成、表征到电池组装、性能测试的全链条研究。

课题组长期招收材料科学与工程、材料与化工、高分子材料等相关专业的硕士/博士研究生（简历发至chenjun@jxust.edu.cn）