當前鋰離子電池由於其出色的電化學效能廣泛應用於電動汽車，正極材料是影響鋰離子電池效能的關鍵因素之一，使用高比能正極材料（如NCM811）以及提高電池工作電壓（>4.2V）是獲得更高能量密度的最有效途徑。然而，傳統的碳酸酯基電解液無法適配高壓電池體系，而且三元正極材料在高電壓下會發生各種副反應，最終導致體系劣化、容量衰減。
中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員武建飛團隊，多年來深耕正極材料及高效能電解液領域（ACS Appl. Mater. Interfaces2020, 12, 49666；ACS Appl. Mater. Interfaces2022, 14, 12264），近期在高電壓電解液體系開發應用方面取得關鍵性進展，相關研究成果發表於《化學工程雜誌》（Chemical Engineering Journal）。
研究團隊開發了一種新型的高壓氟化電解液體系，將NCM811正極材料的工作電壓從4.2V提高到4.6V，拓展了三元體系的使用上限和應用範圍，解決了兩個重要問題：提高了高鎳三元正極體系的比容量和工作電壓，抑制NCM811正極在高電壓下的結構相變、過渡金屬離子溶出以及二次粒子的開裂，降低了極化，從而提高體系的能量密度和迴圈效能；構建了穩定的CEI和SEI，實現高負載量高鎳三元體系電池在高電壓下的可逆穩定迴圈。其中Li||NCM811半電池在4.6V工作電壓下可以展現出247.2 mAh g-1的高比容量，81.4%的迴圈容量保持率（0.5C 200圈）和154.5 mAh g-1的高倍率比容量（5C）。同時，石墨|| NCM811全電池在4.6 V迴圈100圈後仍然保留185.7 mAh g-1的高比容量。
透過密度泛函理論（DFT）計算系統闡述了該高壓電池體系效能提升的原因。氟取代基（-F）具有很強的吸電子作用，降低了溶劑的最高被佔據分子軌道（HOMO），從而提高了電解液的氧化電位。在該體系中，正極表面的氟代溶劑（-F）如 TFA 和 FEC 具有較低的HOMO能級，從而獲得較高的氧化電位，有助於形成均勻的CEI膜。在負極表面，LiDFOB、FEC 和 TFA 的LUMO較低，透過協同作用在負極側還原形成均勻的SEI膜，進一步穩定電池效能。透過SEM、XPS等系列表徵，進一步證實，透過在正極表面形成了薄而均勻的富B和富F的無機電解質介面，減少了二次粒子的開裂從而縮小正極和電解液之間的接觸面積，極大地抑制了電接觸不良、副反應以及過渡金屬離子溶出，從而突破了高鎳三元正極在高電壓下容量衰減嚴重等障礙，為設計開發高能量密度鋰離子電池提供了新的思路和途徑。
高壓氟化電解液體系在電極電解液介面的表現、DFT計算以及全電池迴圈效能
來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所
