深圳大学胡江涛副教授，Small观点：Mg2+诱导构建超薄且机械稳定的LiCoO2-电解质界面

第一作者：刘珮、黄涛

通讯作者：胡江涛*

通讯单位：深圳大学

钴酸锂（LCO）正极材料因其在锂离子电池（LIB）中具有提供高比能量和高容量的潜力而备受关注。然而，由于有机电解液与脱锂钴酸锂表面之间会发生剧烈的界面副反应，导致结构退化和性能衰减。并且随着充电截止电压的升高，界面副反应将进一步加剧。本研究的重点是通过加入Mg(TFSI)₂作为电解质添加剂，构建具有物理和化学稳定性的正极-电解质界面（MCEI）。在电池活化过程中，MCEI在LCO表面快速生长形成，并在长期循环过程中始终保持2 nm的厚度。通过系列高分辨测试表征，Mg不仅仅参与了MCEI的形成和构建，而且能够嵌入LCO的表面晶格。因此，这种超薄且机械稳定 的MCEI能够显著抑制界面副反应、表面相重构、颗粒开裂、钴溶解，使得Li||LCO纽扣电池在4.5 V充电截止电压下循环200次后容量保留88.13%，Ah级Graphite||LCO软包电池300次循环后容量保留90.4%。

近日，深圳大学的胡江涛副教授在国际知名期刊Small上发表题为“Ultra-thin and Mechanically Stable LiCoO₂-Electrolyte Interphase Enabled by Mg²⁺ Involved Electrolyte”的观点文章。该文章分析了在电解液中加入Mg(TFSI)₂添加剂不仅可以促进在钴酸锂表面形成坚固且超薄CEI，而且可以嵌入到钴酸锂晶格表面。这种方法提出了一种很有前途的策略，有助于提高钴酸锂的结构稳定性。

在镁电解质中测试的Li||LCO电池在200次循环后的容量保持率为88.13%，超过了基础电解质(33.31%)。对比相应的充放电曲线，表明镁电解质有效抑制了放电电压衰减。当在1C下测试时，LCO在镁电解质中仍然表现出更好的结构稳定性，100次循环后容量保持率约为92.80%。此外，在镁电解质中，Li||LCO电池的极化电位在100次循环后显著降低到仅161.5 mV，而基础电解质的极化电位为1743.1 mV。在不同的放电倍率下，与基础电解质相比，使用镁电解质的锂离子电池表现出更好的放电能力。LCO在基础电解质体系中Li⁺动力学缓慢可归因于较差的CEI层和不可逆的表面重建层。在高温(40℃)的测试中，基础电解质的容量衰减迅速，而镁电解质在0.33C下循环100次后，容量保持率达到83.53%。这些优异的性能表明，添加Mg(TFSI)₂的界面工程对稳定LCO正极的层状结构起着关键作用。

要点二：形成超薄和机械稳定的正极/电解质界面

在电解液中加入微量的Mg(TFSI)₂作为添加剂可以有效提高钴酸锂（LCO）的结构和界面稳定性。利用原位Raman、原位EIS、HAADF-STEM和TOF-SIMS等高分辨表征技术，对LCO/电解液之间的界面特征与电化学性能之间的联系做出了系统且详细的解析。Mg²⁺不仅有助于在LCO表面诱导形成超薄、坚固的MCEI，还能提高LCO表面晶体结构的稳定性。这种精心设计的MCEI在3到200个循环中始终保持约2 nm的厚度，其优异的物理和化学稳定性能使其能够抑制电解质的持续分解和有害的界面重构,还有助于减少不可逆微裂纹的扩展。

为了验证镁电解液的实际应用价值，以LCO为正极、石墨为负极组装了Ah级软包电池（≈1 Ah），截止电压为4.45 V。在基础电解液中测试的Graphite||LCO电池经历了快速衰减，300次循环后容量保持率仅为65.5%，而在镁电解液中测试的LCO电池则表现出卓越的结构稳定性，300次循环后容量保持率为90.4%。上述结果表明，通过抑制有害的表面相重构、颗粒开裂和过量电解质副反应，坚固的CEI可提高LCO在高电压下的实际应用潜力。

在基础电解液中形成的CEI层不均匀，在重复循环过程中趋于破坏。不良的CEI层无法迁移电解质与脱锂LCO之间的界面反应，导致不可逆的相构建和持续的电解质分解。相比之下，镁电解质不仅有助于在LCO上构建超薄、坚固的CEI，还能增强电极与电解质之间的界面稳定性，从而缓解层状结构向Co₃O₄的重构、裂纹扩展以及碳酸盐电解质的持续分解。

Ultra-thin and Mechanically Stable LiCoO2-Electrolyte Interphase Enabled by Mg²⁺ Involved Electrolyte

胡江涛副教授简介：2018年获得北京大学理学博士学位；2018-2021年在美国西北太平洋国家实验室从事博士后研究。2021年12月加入深圳大学，在化学与环境工程学院石墨烯及其复合材料研究中心开展新能源材料研发及应用研究工作。长期致力于新型二次电池关键材料及电极结构的研究，研究领域包括正极材料的设计开发、储存机制探索及电化学性能优化；负极材料（石墨、硅、锂金属等）的稳定性及脱嵌机制研究；新型电解质（水系、有机系）的开发及海洋（盐湖、废旧锂电池等）锂资源的提取和再利用等。以第一作者和通讯作者发表SCI论文40篇，包括National Science Review（1篇）、Joule（1篇）、ACS Energy Letters（1篇）、Advanced Energy Materials（4篇）、Advanced Functional Materials（1篇）、Nano Letters（2篇）、Energy Storage Materials（1篇）和Nano Energy（3篇）等，累计合作发表SCI论文80篇，总引用4000余次，H因子32，已获美国授权发明专利2项。

刘珮：深圳大学化学与环境工程学院硕士研究生。主要研究方向为正极材料的设计与开发、存储机理探索和电化学性能优化。以第一作者或共同一作发表SCI论文3篇，包括Advanced Functional Materials（1篇）、Chinese Chemical Letters（1篇）、Small（1篇）。

黄涛：浙江大学能源工程学院博士研究生。主要研究方向为正极材料的设计和开发、热稳定性监测与调控、热失效机理探索。以第一作者或共同一作发表SCI论文4篇，包括Journal of Materials Chemistry A（1篇）、Journal of Energy Chemistry（1篇）、Journal of Colloid and Interface Science（1篇）、Small（1篇）。

课题组网站：www.szugraphene.com

张黔玲，深圳大学化学与环境工程学院教授，博士生导师。2001年毕业于中山大学化学专业，获博士学位。2001年7月起在深圳大学工作。担任国家自然科学基金通讯评议专家、广东省自然科学基金通讯评审专家、国际学术期刊Energy & Environmental Science、Applied Catalysis B: Environmental等特约审稿人。近年来一直从事石墨烯及其复合材料的设计合成及其在能源存储与转化等方面的应用研究，取得很多创新性成果。近年来主持完成10多项国家自然科学基金、国防973项目子课题、广东省自然科学基金项目 、深圳市重大产业技术攻关项目和深圳市基础研究重点项目等；在Energy & Environmental Science、Science China Chemistry、Applied Catalysis B: Environmental等期刊上发表SCI收录论文200多篇，论文被他引4000多次；获广东省科技进步二等奖1次、广东省科技进步三等奖1项、深圳市科技进步一等奖1项、二等奖1项；申请获得国际、国内发明专利40多项；2006年被评为广东省高等学校“千百十工程”校级培养对象， 2009年被认定为深圳市高层次人才地方级领军人才，2021年被评为深圳大学优秀学者。

刘剑洪，深圳大学化学与环境工程学院教授，博士生导师，深圳市高层次人才，深圳应用技术大学兼职教授，曾经担任深圳大学科技处处长、深圳大学化学与环境工程学院院长等职务。现任深圳市功能高分子重点实验室主任、深圳市类石墨烯复合锂离子动力电池工程实验室主任，兼任深圳市化学化工学会理事长、广东省化学会副理事长、深圳市石墨烯协会副会长、深圳市电池协会副会长、中国材料研究学会高分子材料与工程分会常务理事、中关村石墨烯产业联盟执行副理事长。主要研究领域为功能高分子材料、石墨烯的制备与应用、锂离子电池及关键材料等。先后承担了国家863计划、973项目、国防973项目、国家自然科学基金重点和面上项目、广东省自然科学基金重点项目、深圳市科技计划项目等30多项；多次荣获教育部、广东省和深圳市科技进步奖项；在国际知名期刊Energy&Environmental Science、Advanced Materials、Appiled Catalysis B: Environmental、Nano Energy等期刊发表论文200多篇。申请获得了中国、美国、欧洲、日本等发明专利70多项；多项科研成果已成功实现产业化；创办了深圳市本征方程石墨烯技术股份有限公司，致力于石墨烯及其复合材料的制备及产业化应用。