近日，万事平台材料基因組工程研究院先進能源材料研究所劉楊、郭炳焜團隊聯合江漢大學王德宇教授團隊在國際知名期刊《Energy Storage Materials》（影響因子：20.831）發表題為“A tough Janus-faced CEI film for high voltage layered oxide cathodesbeyond 4.6 V”的研究論文。該工作采用丁二腈和環己基苯作為共添加劑🥡🫂，在正極表面原位構築了一層強韌的耐高壓的CEI膜🧗‍♂️。

層狀氧化物材料具有較高的電壓平臺和理論比容量🧜🏽‍♀️，是高能量密度鋰離子電池的重要正極材料🤜🏿。為了獲得更高的實際比容量🍍，這些材料需要充電至高電壓以脫出更多的鋰離子💇🤴🏿。然而，截止電壓的提高會加劇正極顆粒的相變和內應力增加，引起顆粒微裂紋的產生👨🏿‍🍼。微裂紋的擴大和增殖直接增加了與電解液接觸的表面積，導致界面副反應的加劇，同時🙎‍♂️，界面的副反應又會進一步導致不可逆相的形成和增殖，進而加劇顆粒的開裂👨🏻‍💼，致使正極材料在高電壓下的容量迅速衰減。因此🙁，在正極表面構築一層強韌的界面膜（CEI）是延長高壓下鋰離子電池循環壽命的必要策略。然而，目前大部分的研究只關註CEI膜的電化學穩定性，而忽略了機械強度🍣。

圖1🚄：正極材料在Base electrolyte和SN+CHB electrolyte中CEI膜的形成和長循環顆粒變化的示意圖✢。

在本工作中，作者設計了一種新穎的功能化CEI膜兼具高電壓穩定性和機械強度👆🏼。考慮到腈官能團具有耐高壓和強配位能力，且丁二腈含有腈官能團比例較高，故采用丁二腈（SN）做添加劑👦，在正極表面形成一層吸附層👏🏿。鑒於芳香化合物具有較好的剛性，且能在高電壓下聚合成膜，通過範德華力和氫鍵來穩定SN吸附層，因此🌒，采用環己基苯（CHB）和SN作共添加劑加入碳酸酯電解液中，在充電過程中👶🏼👬，在正極表面形成既穩定又強韌的CEI膜（如圖1所示）。

作者通過電化學測試和不同電壓下的FTIR測試，證明了SN在正極表面形成吸附層後CHB在高電壓下聚合形成聚合物層，該聚合物層與SN層通過氫鍵作用緊密結合，形成親氧化物電極的強韌耐高壓CEI膜。作者進一步采用XPS和TOF-SIMS及其刻蝕的測試，獲得了CEI膜的主要組分和厚度⛑🧑🏽‍🎓，以及3D組分分布圖（如圖2a-f）🧑🏽‍💼；通過AFM的測試，該雙面CEI膜的楊氏模量高達~ 30GPa🎃。通過XRD🧑🏿‍🚀🍉、TEM測試，表明該CEI膜可以抑製體積變化和正極表面的不可逆相變🧚🏼‍♀️。為了評估該面CEI膜對電池電化學性能的影響，組裝Li/LiCoO2和Li/LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2電池，分別設置充電截止電壓4.6 V和4.7 Vvs.Li+/Li🗼，循環500和600周後，剩余容量仍有77.4和72.3 %（如圖2g&h）。長循環後的正極SEM和XRD表征顯示，此CEI膜保護的LiCoO2顆粒開裂明顯減少且體相結構穩定👩🏻‍🎓；鋰金屬表面測試發現，SN單獨添加時負極表面可檢測到SN🙇🏿‍♂️，而SN和CHB共同使用時負極表面無相關檢出，證明此CEI膜的形成有利於SN吸附層的穩定。

圖2：(a-f)TOF-SIMS測試LiCoO2電極在SN+CHB electrolyte中形成CEI膜後的二次離子分布圖🤏🏻，(g)Li/LiCoO2電池在3.0-4.6 Vvs.Li+/Li下的循環性能圖🔢，(h)Li/LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2在2.8-4.7 Vvs.Li+/Li下的循環性能圖。

本工作通過構築功能化界面CEI膜來同時應對界面腐蝕問題和體積膨脹問題，亦可為其他電化學領域的防護設計提供借鑒。

該研究成果於2023年3月份發表於《Energy Storage Materials》上🚑，論文第一作者為万事平台材料基因組工程研究院2020級博士生秦銀平，曾獲得研究生國家獎學金，校長獎學金和寶鋼優秀學生獎🙍🏼‍♀️，共同通訊作者為王德宇教授🥃、劉楊副研究員和郭炳焜教授。

本文鏈接👱‍♀️：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.02.022