华南师范大学李伟善教授&何嘉荣副研究员—AFM：高无机-有机相容性界面支持高压软包电池长循环寿命

第一作者：黎元钦, 李小清

通讯作者：何嘉荣*，李伟善*

单位：华南师范大学，化学学院

随着国内外储能领域政策的不断落实和“双碳”目标下清洁能源的加速发展，随着新能源汽车工业的蓬勃发展，对高效储能的需求不断上升。通过改进高压正极来突破锂离子电池的能量密度限制是一种非常有效的方法，但要实现实际应用，保持正极的稳定性同样重要。目前已开发出大量新型电解质体系，它们只能在阴极表面形成稳定的阴极电解质相间膜（CEI），却远不能实现高压阴极的长期循环稳定性。这些电解液面临的共同问题是在稳定高压正极的同时，缺乏对正极表面的保护，而这正是高压锂离子软包电池长循环所迫切需要的。

本研究首次提出了一种新型电解质添加剂—3, 3, 3-三氟丙基甲基二甲氧基硅烷（TFPMDS），可同时协同改善阴极和阳极，成功确保了锂离子电池在 4.9 V 电压下的长期循环稳定性。

近日，来自华南师范大学的李伟善教授和何嘉荣副研究员，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为 “Multifunctional Silane Additive Enhances Inorganic–Organic Compatibility with F-rich Nature of Interphase to Support High-Voltage LiNi_0.5Mn_1.5O₄//graphite Pouch Cells” 的文章。李伟善团队提出TFPMDS具有多个功能: 1)TFPMDS 可以形成耐高压的 CEI 薄膜，从而提高锂离子电池的性能。2) TFPMDS 还能清除有害的 HF、F^-和H⁺。3) 它还能优先吸附在石墨表面，形成弹性 负极界面膜（SEI）。最重要的是，TFPMDS 中的 Si-O 基团起到了“分子桥”的作用，将无机物和有机物耦合在一起，从而增强了 CEI/SEI 相间的兼容性、稳定性和弹性。对TFPMDS独特功能的全面探索为筛选下一代电解质添加剂提供了宝贵的指导，促进了实用电池阴极和阳极多功能添加剂的开发。

TOF-SIMS、TEM、XPS 和 AFM 的表征结果表明，TFPMDS 的氧化分解在 LiNi_0.5Mn_1.5O₄表面形成了一层均匀致密的 CEI 膜（富含 F 和 Si），这使得 LiNi_0.5Mn_1.5O₄阴极在 4.9 V 的电压下循环 400 次后容量保持率达到 90.8%。

理论计算（VASP）以及 TEM、XPS 和 AFM 表征结果表明，TFPMDS优先吸附再滞后于EC还原分解在石墨表面形成了一层均匀而富有弹性的 SEI 膜（富含 F 和 Si），使石墨负极在 200 个循环后的容量保持率达到 98.3%。

理论计算（DFT、高斯）和 ICP/19F NMR 表征结果表明，TFPMDS 及其分解产物可将有害物质转化为高质量的界面成分，从而保护 LNMO 电极在高压下长时间工作。

TFPMDS中的Si-O基团对于在CEI/SEI相间构建 "分子桥 "尤为重要，它可以将无机物和有机物耦合在一起，从而提高相容性、稳定性和弹性。

TFPMDS电解液成功确保了镍锰酸锂软包电池在 4.9 V 下的长期循环稳定性，循环 300 次后达到 81.3%，平均库仑效率为 99.6%。TFPMDS的出色循环性能归功于 TFPMDS 在 LNMO 阴极和石墨阳极表面的多吸附能力。

“Multifunctional Silane Additive Enhances Inorganic–Organic Compatibility with F-rich Nature of Interphase to Support High-Voltage LiNi_0.5Mn_1.5O₄//graphite Pouch Cells”

李伟善教授简介：

1983年获华南理工大学学士学位。1987年获南京化工大学硕士学位。1995年参加厦门大学电化学高级研讨班学习。1996年获华南理工大学博士学位。1998年~1999年及2002年，二度在加拿大 University of Alberta做合作研究，现任华南师范大学化学学院国家地方联合工程研究中心主任，教育部工程研究中心主任，广东省“千百十工程”国家级学术带头人，2010年获国务院政府特殊津贴。曾主持国家863计划、国家自然科学基金、科技部国际合作计划重点项目、广东省科技计划重大专项等科研项目。相关研究发表包括Adv.Mater., Adv. Energy Mater. Adv. Funct. Mater.为代表的SCI论文200余篇，获授发明专利50余件。以第一完成人获得包括2012年广东省科学技术奖 (发明奖) 一等奖、2009年获广东省专利优秀奖、2007年广东省科学技术奖（科技进步奖）一等奖等多项成果奖励。2014年起连续列入Elsevier高被引学者。2020年获批为广东省“劳模”。

何嘉荣副研究员简介：

2018年获得中国科学院大学博士学位，2018.09-2020.08 德国卡鲁斯鲁厄理工学院 (Karlsruhe Institute of Technology, KIT, 德国精英大学Elite-Uni, TU9)，中德CSC-DAAD奖学金项目，合作导师：Prof. Dr. Helmut Ehrenberg；Prof. Dr. Julia Maibach; Dr. Sylvio Indris；2022.09-至今，华南师范大学，副研究员，硕士生导师。目前在Advanced Functional Materials、Joule等国际SCI期刊以第一作者或通讯作者发表20余篇，已授权国内/PCT发明专利8个。

主要研究方向为探索和开发高能量密度电化学储能关键材料与技术、新型电解液体系和水性粘结剂 (锂/钠离子电池等)，具体包括：(1) 新型电解液体系的设计与开发 (高压、宽温和高安全)；(2) 电极/电解质界面相的构筑及其性质研究；(3) 高性能储能电极材料的开发与应用 (高压、高容量)、新型水性粘结剂的开发。基于大型科学装置 (同步辐射光源SRD和中子源测试 Neutron) 进行多种原位衍射测试表征。

主持和参加国家级或省市级科研项目：(1) 广东省自然科学基金-面上项目，高压钠离子电池醚基电解液/正极界面溶剂化构型的理论和实验探究，2024.01-2026.12；(2) 广东省基础与应用基础研究基金委员会, 区域联合基金项目, 水性粘结剂在富锂锰基正极材料上的应用及其对表层结构、电压衰减和固态电解质膜成分的影响探究, 2021.10-2024.09; (3) 广州市基础与应用基础研究专题——醚基电解液在高电压氟磷酸钒钠正极上的应用及机理探究，2024.04-2026.03；(4) 中德博士后奖学金项目 (CSC-DAAD, 201800260016), 2018.09-2020.02, 德国；(5) 卡鲁斯鲁厄理工学院学校奖学金项目 (KIT Scholarship), 2020.02-2020.08, 德国。

黎元钦：华南师范大学化学学院博士研究生。主要研究储能与动力锂离子电池正负极界面的性质、退化规律和对应的改善策略，以及新型电解液配方的开发。

李小清：华南师范大学化学学院硕士研究生。主要研究锂离子电池电解液添加剂。