AFM: 氰基赋能：四氟苯衍生物引领高压锂金属电池新飞跃

文章总结

研究背景：高压锂金属电池（LMBs）因理论能量密度高备受关注，但面临诸多挑战，如阴极不稳定、电解液消耗和锂枝晶生长等。通过电解质工程构建优良的电极 - 电解质界面（EEI）是应对这些问题的有效策略，添加特定添加剂被视为一种经济有效的方法。

实验设计：创新性地将含 -CN 取代的四氟苯衍生物（o - TFPN、m - TFPN 和 p - TFPN）作为添加剂引入传统碳酸酯电解质中，用于构建高效的阴极电解质界面（CEI）/ 固体电解质界面（SEI）层。通过理论计算模拟、多种电池性能测试（如循环性能、倍率性能测试等）、材料表征技术（如 XRD、AFM、SEM、TEM 等）以及电化学测试（如 EIS、CV 等），研究添加剂对电池性能、电极结构稳定性、界面层组成和性能等方面的影响。

实验结果

理论计算：o - TFPN 分子半径最小、极性最高、最小静电势（ESPmin）值更负，表明其对 Li 的溶剂化能力更强。此外，三种添加剂的 Li - 添加剂对的 HOMO 和 LUMO 能级表明它们有望参与 CEI/SEI 的形成。

电池性能提升：含添加剂的电解液，尤其是含 o - TFPN 的电解液，能显著提升 Li||NCM811 电池性能。在 4.6 V 截止电压下，含 1 wt.% o - TFPN 电解液的电池 200 次循环后容量保持率为 67.3%，平均库仑效率达 99.6%；在更严苛的 4.8 V 截止电压或不同极端温度条件下，其性能也优于空白电解液电池。含 o - TFPN 电解液的 Li||Li 对称电池在 1 mA cm⁻² 下可稳定循环超 350 h。

电极结构与稳定性：XRD、HRTEM 等测试表明，o - TFPN 能增强 NCM811 阴极的结构稳定性，减少过渡金属（TMs）溶解，提高热稳定性。AFM、TEM、SEM 等表征显示，含 o - TFPN 电解液形成的 CEI 更薄且均匀，机械稳定性增强，能更好保护阴极。XPS 和 TOF - SIMS 分析表明，该 CEI 层含较少有机成分、更多 LiF 且 - CN 参与形成，提升了氧化稳定性、机械强度和结构热稳定性。

锂阳极保护：含 o - TFPN 电解液可抑制锂枝晶生长，提升 Li||Li 对称电池循环稳定性，降低过电位，提高锂阳极表面电荷转移动力学和 Li 扩散速率。XPS 分析显示，其形成的 SEI 含更高比例 LiF 和 Li₂O 以及 - CN 成分， - CN 通过静电相互作用促进 Li 向阳极扩散，与 LiF、Li₂O 协同减少锂枝晶形成。

研究结论：将 - CN 取代的四氟苯衍生物作为添加剂引入传统碳酸酯电解质，可实现 Li||NCM811 电池在 4.6 V 高截止电压下的稳定循环。尤其是 o - TFPN 添加剂，能参与 Li 的溶剂化，减少 EC 的配位数量，在电极表面形成有效的 EEI 层。该研究为高压 LMBs 引入多功能添加剂以实现优良 EEI 提供了简单有效的方法。

图文简介

a) 通过密度泛函理论（DFT）计算得到的添加剂分子信息及静电势（ESP）分布。b) 配位结构的最高占据分子轨道（HOMO）/ 最低未占据分子轨道（LUMO）值。c) 空白电解液与 d) 含 o - TFPN 电解液在分子动力学（MD）模拟中的快照。e) 空白电解液与 f) 含 o - TFPN 电解液的溶剂化分析曲线。

不同电解液的 Li||NCM811 电池在 4.6V 截止电压下的电化学性能。

循环 200 次后 NCM811 的微观结构演变以及阴极电解质界面（CEI）的特性

Li||Li 对称电池的电化学数据，以及固体电解质界面（SEI）的成分与结构分析

论文信息

通讯作者： Jianmin Ma, Kening Sun， Yu Bai