华南理工大学钱勇教授最新AEM! 结构与界面稳定粘结剂工程设计以实现4.6 V条件下NCM811正极高倍率性能- 大数跨境

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华南理工大学钱勇教授最新AEM! 结构与界面稳定粘结剂工程设计以实现4.6 V条件下NCM811正极高倍率性能

科学材料站

2026-03-19

导读：华南理工大学钱勇教授最新AEM! 结构与界面稳定粘结剂工程设计以实现4.6 V条件下NCM811正极高倍率性能

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文章信息

结构与界面稳定粘结剂工程助力NCM811正极在4.6 V高电压下的高倍率性能

第一作者：罗薪涛、陈柱钻

通讯作者：钱勇*

单位：华南理工大学

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研究背景

高镍层状氧化物NCM811正极凭借其高理论容量，在电动汽车领域备受青睐，但其组装电池的能量密度始终难以超过350 Wh·kg-1。电池的能量密度高度依赖比容量与工作电压。因此，与研发新型电极材料相比，将截止电压提升至4.6 V是一种更为直接有效的策略。然而，高电压下电解液氧化分解、正极晶格结构坍塌及电极/电解质界面不稳定等问题严重制约NCM811电池的循环与倍率性能。传统的PVDF粘结剂因成本高、与活性材料亲和力差、高电压下易溶胀断裂等固有缺陷，难以应对上述挑战。现有改性策略多聚焦于单一抑制电解液降解或物理隔离电极/电解液，无法同时兼顾界面稳定与正极结构保护。因此，开发兼具多重协同功能的新型粘结剂，成为推动高电压NCM811正极实用化的关键。

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文章简介

近日，华南理工大学钱勇教授团队在Advanced Energy Materials期刊发表题为“Structure and Interfacial-stable Binder Engineering Enables High-Rate Capability of NCM811 Cathodes at 4.6 V”的研究论文。该工作设计并合成了一种木质素交联聚（丙烯腈-丙烯酸）的三维网络粘结剂（PNAL），能够在NCM811表面构筑均匀且坚固的保护层。PNAL中木质素组分可高效捕获高压下产生的超氧自由基，抑制电解液氧化分解，促进形成稳定的正极-电解质界面（CEI）；同时，氰基与高价态过渡金属离子分别作为电子供体和受体，提高金属离子迁移能垒，抑制层状结构坍塌。该粘结剂通过多重机制协同作用，有效解决了高电压下界面退化与晶格失稳的双重难题，为高镍正极的高压应用提供了新策略。

图1. PNAL辅助界面工程及作用的示意图。(a-b) NCM811@PVDF和NCM811@PNAL电极形态演变示意图；(c) 多功能粘结剂PNAL对NCM811正极性能的多重稳定和增强机制示意图。

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本文要点

要点一：优异的电极机械性能

原子力显微镜（AFM）测试揭示了PNAL对电极结构的稳定作用。DMT模量结果显示，PNAL基电极的弹性模量高达173.56 GPa，远高于PNA（12.65 GPa）和PVDF（0.63 GPa），表明其优异的抗应力能力。在加载-卸载循环中，PNAL基电极的能量耗散仅为0.117 keV，显著低于PNA（0.313 keV）和PVDF（0.65 keV），证实PNAL能有效抑制微裂纹萌生，维持循环过程中的电极结构完整性。

图2 PNAL粘结剂的机械性能。(a) PNAL和PNA的FTIR光谱；(b) PNAL、PNA和AL玻璃化转变温度曲线；(c) 5wt%PNAL、PNA、PVDF和AL分散液的剪切流变曲线；PNAL、PNA和PVDF基电极的(d)剥离曲线，(e) 48h电解液溶胀率，(f) LSV曲线，(g-i) DMT模量及(j-k)能量耗散图谱。

要点二：优异的电化学性能

PNAL基电池在1C倍率下初始放电比容量达180.22 mAh·g-1，循环300圈后容量保持率为80.5%；在3C高倍率下循环300圈后仍保持75.7%的容量，远高于PVDF的47.5%。全电池在低N/P比（1.13）条件下仍表现出良好的循环稳定性。组装的Ah级软包电池能量密度达376.5 Wh·kg-1，在4.6 V、0.5C下循环100圈容量保持率为81.7%，综合性能优于目前已报道的大多数NCM811粘结剂体系。

图3 PNAL基NCM811电池的电化学性能。不同粘结剂 (a) 在1 C倍率下的长循环性能，(b) dQ/dV曲线及(c) 倍率性能；(d) 在3 C倍率下的长循环性能；(e) 高负载PNAL正极在0.1 C倍率下的循环性能；(f)不同粘结剂在N:P=1.13，0.5 C倍率下的全电池循环性能；(g)基于PNAL粘结剂的软包电池循环曲线，(h)基于PNAL的NCM811电池与先前研究中报告的各种粘结剂的性能比较。

要点三：自由基清除和电解液保护机制

木质素中的多酚结构能够高效捕获并猝灭高电压下正极界面产生的超氧自由基，阻断自由基引发的电解液链式氧化分解。原位拉曼、原位微分电化学质谱（DEMS）和电子顺磁共振（EPR）测试表明，PNAL基正极在4.6 V下无明显氧释放和自由基信号；高效液相色谱-质谱（HPLC-MS）进一步证实，PNAL基电池中电解液无明显分解产物，而PVDF基电池中则检测到大量氧化分解产物。

图4. 自由基清除机制。PNAL、PNA和PVDF基正极的(a-c)原位拉曼光谱和(d-f)原位微分电化学质谱；(g) 在4.6 V电压下循环100次后，从基于PNAL、PNA和PVDF的电池中提取的电解液的电子顺磁共振（EPR）信号；(h) 原始电解液、基于PNAL、PNA和PVDF电池循环100圈后充至4.6 V电解液的高效液相色谱-质谱（HPLC-MS）图；(i) 电解液的分解路径。

要点四：正极界面与结构的稳定机制

PNAL通过抑制电解液分解，促进了薄而均匀的CEI层形成。原位阻抗测试显示PNAL基电池具有更低的界面阻抗和电荷转移阻抗。此外，氰基与过渡金属离子的配位作用提高了金属离子迁移能垒，有效抑制Li+/Ni2+阳离子混排及层状结构向岩盐相的转变。原位XRD进一步证实，PNAL显著抑制了高电压下NCM811的H2-H3相分离，避免了因过度脱锂引发的晶格相变。

图5. 正极界面与晶格结构稳定性。(a-b) 基于 PNAL、(c-d) PNA 和(e-f) PVDF 的电池在首次循环中的原位电化学阻抗谱（EIS）及相应的弛豫时间分布（DRT）等高线图；(g-l) 基于PNAL、PNA和PVDF的电池循环100次后正极的透射电子显微镜（TEM）图像；(m) 基于PVDF和 (n) PNAL的电池在首次充放电过程中的原位X射线衍射（XRD）。

总之，本研究设计并构建了一种基于木质素交联聚（丙烯腈-丙烯酸）的三维网络粘结剂（PNAL），成功实现了高镍正极在4.6 V高压下的界面稳定与结构保护。PNAL在NCM811表面构筑的坚固保护层中，木质素多酚单元可高效捕获并淬灭超氧自由基，抑制电解液分解并促进CEI形成；氰基则通过配位作用提高过渡金属离子迁移能垒，有效抑制层状结构退化。得益于这一多重协同机制，PNAL基电池在高压循环中展现出优异的电化学性能，软包电池能量密度达376.5 Wh·kg-1。该工作为开发兼具界面调控与结构保护功能的高压正极粘结剂提供了新的设计思路。

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文章链接

Structure and Interfacial-stable Binder Engineering Enables High-Rate Capability of NCM811 Cathodes at 4.6 V

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.70842

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通讯作者简介

钱勇，华南理工大学化学与化工学院教授，博士生导师，广东省杰出青年基金，国家自然科学基金优秀青年基金获得者。中国化工学会精细化工青年委员会副秘书长，中国化工学会日化专业委员会委员。2009年本科毕业于太原理工大学，2014年博士毕业于华南理工大学，2013-2016年在加拿大麦克玛斯特大学联合培养和博士后研究，回国以后留校任教，2017年破格晋升研究员，2020年入选全球华人化工学者评选的“未来化工学者”。近年来，围绕天然生物质资源木质素在日化、能源和电子领域的高值利用开展应用基础研究，相关成果在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Small Methods、Engineering等领域重要期刊发表SCI论文100余篇，获得授权中国发明专利20余项，美国专利4项。2021年获得广东省技术发明一等奖，2022年获得中国工程院闵恩泽能源化工奖——青年进步奖。

因项目研究需要，课题组长期招聘木质素高值转化利用，电化学储能，柔性电子传感方向的博士后。