第一作者：魏爱佳

通讯作者：梅述钘*，刘振法*，王磊*

单位：中国石油大学（北京），河北省科学院能源研究所， 广州大学

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随着全球对环境保护和可持续能源发展的日益关注，锂离子电池在新型电动汽车和储能系统中得到了广泛应用。市场对高能量密度和长寿命锂离子电池的需求不断增长。因此，开发高能量密度的正极材料对于下一代锂离子电池至关重要。LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂（NCM811）是一种新型高能量密度正极材料，它有助于提高电动汽车的续航里程并降低成本，符合市场对高性能电池的需求。NCM811的理论比容量为278 mAh/g，其实际容量主要由充电电压决定。当充电电压为4.3 V时，NCM811在0.1 C下的放电容量约为185 mAh/g，而当电压提高到4.5 V时，其放电容量增加至202.0 mAh/g。因此，通过提高截止电压可以提高NCM811电池的能量密度。然而，在提高电压时，NCM811仍存在一些关键问题需要解决。i）在高电压（≥ 4.3 V vs. Li/Li⁺）下充放电过程中，过量的Li⁺会从NCM811正极中脱嵌，导致Li/Ni阳离子混合、晶格氧从晶体结构中释放以及过渡金属溶解，从而直接加速晶体结构坍塌。ii）高氧化态的Ni⁴⁺离子在NCM811表面生成不活跃的NiO化合物并伴随微裂纹，进一步降低循环稳定性，导致不可逆容量损失。iii）传统的碳酸酯电解液在高电压循环下容易分解；更糟糕的是，NCM811中高含量和高电化学活性的Ni⁴⁺会加速电解质的分解，加剧NCM811与电解质之间的副反应。以上问题会使NCM811表面形成厚而不均匀的正极电解质界面（CEI）膜，导致电池阻抗增加和倍率性能迅速下降。因此，开发高电压电解液体系以及构建稳定的电极/电解质界面来稳定NCM811的晶体结构，对于NCM811电池来说是不可或缺的。

本论文从电解液改性角度出发，设计了一种新型电解液添加剂——噻唑-5-硼酸频哪醇酯（TBPE），该添加剂由硼酸频哪醇酯基团（含B元素）和噻唑杂环（含N和S元素）组成，旨在提升NCM811/Li半电池和NCM811/Gr全电池在2.8–4.5 V和2.8–4.3 V高电压下的电化学性能。通过结合理论计算和一系列表征结果发现TBPE是一种正负极成膜添加剂。与碳酸酯溶剂相比，它不仅优先在NCM811正极表面发生氧化反应，还在Li/石墨负极表面发生还原分解。TBPE能够清除电解液中的微量HF，从而抑制Ni/Co/Mn离子的溶解。此外，TBPE还抑制了锂枝晶的形成，并优化了Li/Li对称电池循环过程中的锂金属界面。最后，通过系统研究揭示了TBPE添加剂在调控CEI和SEI膜方面的作用机制。

近日，来自中国石油大学（北京）的梅述钘副教授，河北省科学院能源研究所的刘振法研究员和广州大学的王磊博士在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Enhanced electrochemical performance of NCM811-based batteries by using a multifunctional electrolyte additive”的文章。该文章通过设计多功能电解液添加剂解决高电压下三元NCM811材料面临的界面稳定性差以及结构不稳定的问题，从而提高NCM811基电池再高电压下的电化学性能。文章第一作者是来自河北省科学院能源研究所的魏爱佳副研究员。

三元富镍 LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂（NCM811） 材料因其具有高容量、高工作电压（3.6 − 4.5 V vs Li⁺/Li）和低成本等优点，被认为是一种很有前途的锂离子电池高能量密度正极材料。然而，在高电压下，高活性 Ni⁴⁺ 会催化大量电解液分解导致 NCM811材料的界面不稳定和结构降解，从而造成容量快速衰减并阻碍其实际应用。因此，本论文设计一种噻唑-5-硼酸频哪醇酯 （TBPE）多功能电解液添加剂 – 加入到基础的碳酸酯类电解液中，使用 0.25% TBPE 电解液后，在 2.8 -4.5 V电压范围， 2C 下循环 400 次后， NCM811/Li 半电池的容量保持率从基线电解液的 70.7% 提高到 79.6% 。此外，采用 0.25% TBPE 电解液的 NCM811/石墨 （Gr） 全电池在（2.8- 4.3 V电压范围 ） 1C 下循环 200 次后，容量保持率从 58.2% 提高到 72.3%。此外，使用 0.25% TBPE 电解液的 NCM811/Li 半电池在 10C 的高倍率下放电容量为 142.4 mAh/g，高于基础电解液 （128.7 mAh/g）。综合理论计算和电化学表征结果表明，与碳酸酯类溶剂相比，TBPE 会优先发生氧化和还原，在 NCM811 正极和 Gr 或 Li 负极上构建较薄的、导电的、富含 B、N、S 的正负极界面膜。因此，使用 TBPE 添加剂能够有效抑制过渡金属离子溶解和锂枝晶生长，从而提高了NCM811和石墨电极的结构稳定性。这项工作提供了一种具有经济有效的方法，通过使用TBPE多功能电解液添加剂提高NCM811 电池的电化学性能。

该项工作得到了河北省“333人才工程”（C20231023）、新疆自治区自然基金（2024D01A157）、克拉玛依市“人才创新工程”（2024hjcxrc0029）、中国博士后面上基金项目（2023 M740793）的支持。

“Enhanced electrochemical performance of NCM811-based batteries by using a multifunctional electrolyte additive” 

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160411。

梅述钘副教授简介： “全国创新创业优秀博士后”，新疆自治区“天池英才”，天津市“131”第三层次创新型人才。2020年博士毕业于河北工业大学化工学院，师从潘明旺教授，随后在复旦大学武利民/李卓教授课题组从事博士后研究工作。2023年加入中国石油大学（北京）克拉玛依校区，现为工学院化工系能源化学专业副教授。长期从事功能型材料的设计与制备及其在电催化、废水处理、锂离子电池、柔性应变传感领域的应用。以第一（含共一）、通讯作者身份在Nature Communications, Chemical Engineering Journal, Composite Science and Technology, Separation and Purification Technology, Composite Part A, Scientific Reports, Chemical Communications, Polymer Chemistry, Polymer 等期刊发表论文共计 25 篇，申请专利 13 项，授权 7 项。

刘振法研究员简介：博士生导师。国务院政府特殊津贴专家，河北省有突出贡献的中青年专家。获河北省科技进步奖9项，其中作为第一完成人获省科技进步二等奖1项和三等奖5项。以第一作者或通讯作者在国内外学术期刊发表论文200余篇，被SCI、EI收录80多篇，获授权发明专利16件。研究领域：1.工业节水及污水资源化：环境友好的磁场、静电和化学药剂协同水处理工艺、可生物降解的水质稳定剂、污水资源化利用技术和海水高效利用技术研究。2.锂离子电池电极材料：高容量、高电压镍锰酸锂、镍钴锰及镍钴铝三元正极材料，钛酸锂及碳化硅负极材料的研究与开发。

王磊博士：2019年博士毕业于湖南大学，现为广州大学环境科学与工程学院在站博士后，主要从事纳米多孔材料的设计与制备及其在锂离子电池方向的应用。以第一/通讯作者身份在 Advanced Functional Materials、Chemical Engineering Journal、Nano Research、Energy Storage Materials、Journal of Materials Chemistry A等国际期刊累计发表 10篇论文，1 篇入选 ESI 高被引论文，论文总被引用 1400 余次。

魏爱佳副研究员简介：2015年工作以来一直致力于锂/钠离子电池电极材料及电解液的研发工作。2022年博士毕业于河北工业大学，作为主持人，顺利完成厅局级河北省科学院项目5项，作为主要研究人员参与河北省基础研究计划重点基础研究项目1项。目前，已发表相关科技论文22余篇，其中以第一（含共一）、通讯作者在Electrochimica Acta、Ceramics International、Chemical Engineering Journal、Acta Materialia、Journal of Materials Chemistry A、Journal of Energy Storage、Journal of Power Sources、Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers等期刊发表论文共计16篇，授权发明专利7件；入选2019年河北省“三三三人才工程”三层次以及获2021年河北省科技进步二等奖。