锂离子电池问世以来，已被广泛应用于3C数码产品、电动汽车等各种电源中。随着锂离子电池应用范围的扩大，现有电池的能量密度无法满足人们的需求。近日，华南师范大学的李伟善教授团队提出和研究了一种新型电解液添加剂，有效提升了高电压锂离子电池的性能。
钴酸锂作为最早实现商业化的锂离子电池正极材料，它的理论比容量为274 mAh/g，但在4.2 V（相对于Li/Li+）截止电压下工作时，其只能发挥约一半左右的容量。对于LiCoO2基这种锂离子电池，提高电池截止电压能让正极发挥更多容量以满足高能量密度电池的需求。然而，高电压会导致电解液在正极发生氧化分解产生HF等副产物，HF腐蚀正极材料并溶解过渡金属离子，进一步迁移到负极沉积，恶化电极/电解液界面，导致电池容量的快速衰减。
李伟善团队提出使用具有三个官能团（噻吩基、氰基和羰基）的5-乙酰基噻吩-2-氰基（ATCN）作为电解液添加剂，来原位构建稳定的正极界面膜，显著提升高电压LiCoO2正极的循环稳定性。结合实验表征和理论计算，对添加剂的机理进行了研究，结果表明ATCN能优先在LiCoO2正极被氧化并利用其分解中间产物将电解液中的有害成分（HF和H2O）以及电解液分解产生的氧化锂和碳酸锂转化为由下面致密的锂盐和外层噻吩聚合物组成的独特界面膜结构，显著提高了正极/电解液的界面稳定性和电池的循环稳定性。
图1. ATCN在LiCoO2正极上的反应机理示意图
当在基础电解液中加入0.2% ATCN时，4.5V LiCoO2/Li电池在1 C循环200圈后的容量保持率从53%提高到91%，商业化4.45V LiCoO2/石墨软包电池（34 Ah）以0.5 C循环至容量衰减10%后的圈数从550圈增加到800圈。
图2. 4.5V LiCoO2/Li电池的电化学性能
图3. 4.45V LiCoO2/石墨软包电池的示意图和循环性能
这种有效解决界面不稳定性的策略为提升商用锂离子电池的能量密度开辟了一条新的途径。这一研究工作近期发表在国际著名期刊Nano Energy 上，华南师范大学2017级本科生阮弟根和陈敏博士为共同第一作者，华南师范大学李伟善教授、陈敏博士为共同通讯作者。
In situ Constructing a Stable Interface Film on High-Voltage LiCoO2 Cathode via a Novel Electrolyte Additive
Digen Ruan, Min Chen, Xinyang Wen, Shuqing Li, Xianggui Zhou, Yanxia Che, Jiakun Chen, Wenjin Xiang, Suli Li, Hai Wang, Xiang Liu and Weishan Li
Nano Energy, 2021, DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106535
李伟善，华南师范大学化学学院教授。现任华南师范大学国家地方联合工程研究中心主任，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”。
https://www.x-mol.com/university/faculty/10641
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：对高电压正极材料改性最简单和有效的方法之一是在电解液中加入正极成膜添加剂。正极成膜添加剂顾名思义就是添加剂能在正极上优先形成界面膜保护电极，减少电极/电解液间的副反应。但是界面膜的保护能力是有限的，电解液的氧化分解难以避免，产生的分解副产物不利于构建稳定的保护膜。另外，我们前期曾开发过一种添加剂能将电解液中的有害物质氢氟酸变废为宝，转化为有用的界面膜成分。基于以上考虑，我们希望能应用一种电解液添加剂，通过添加剂上含有的特殊功能化官能团，在添加剂成膜过程中把电解液中的有害成分和不可避免的电解液分解产物转化为稳定的膜组分。
A：这项研究工作有两个主要的挑战。一是需要确定电解液添加剂分子的结构，选择出合适的官能团，并且利用密度泛函理论辅助筛选分子结构。二是需要对电解液添加剂的成膜机理进行深入的研究，结合表征技术和理论计算来推测出添加剂的成膜过程的确是实现了变废为宝的作用。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？
A：这一成果对以后开发新型电解液添加剂有着重要的参考意义，需要认识到即使应用有效的成膜添加剂为电极构建了保护膜，也不能忽视由于保护膜不可能完全保护电极而导致电解液不可避免发生分解的问题。此外，基于此项工作，未来对电解液添加剂的开发和研究不仅需要从源头上抑制电解液分解（使用成膜添加剂），也需要考虑如何将难以避免的电解液分解产物消除或转换，双管齐下的策略有利于构建出优质的界面膜。对电解液机理的研究和功能添加剂分子的开发对电池企业实现高性能实用化锂离子电池的发展起着积极作用。
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