论文标题：Improved cyclic stability of LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂ cathode enabled by a novel CEI forming additive

期刊：Frontiers in Energy

作者：Zulipiya SHADIKE, Yiming CHEN, Lin LIU, Xinyin CAI, Shuiyun SHEN, Junliang ZHANG

发表时间：15 Aug 2024

DOI：10.1007/s11708-024-0953-5

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文章导读

随着对高性能锂离子电池（LIBs）需求的不断增长，开发高效的电极材料和电解质配方至关重要。高镍NMC正极因其高比容量和电压稳定性而成为潜在候选材料。然而，高镍NMC正极材料的循环性能受到很多因素的影响，其中电解液有机溶剂与电极间的副反应和高镍电极本身结构不稳定性是影响性能最为关键的因素。

由上海交通大学燃料电池研究所章俊良（Junliang ZHANG）教授和沙迪克·祖利皮亚（Zulipiyah SHADIKE）副教授领导的研究团队，开发了一种硼基阴离子受体添加剂硼酸三(2,2,2-三氟乙基)酯（TTFEB）形成富含LiF的CEI，提升CEI稳定性，降低界面阻抗，稳定高镍NMC811正极结构，使电池的循环稳定性与倍率性能得到优化。

Fig. 1 Composition and structure of CEI.

(a) B 1s XPS spectra of CEI formed in electrolyte with 1% TTFEB; (b) three-dimensional (3D) and 2D distribution of B–; (c) LiF2- species in CEI formed in different electrolyte systems; (d) schematic diagram of CEI formed in BE and TTFEB.

通过恒流充放电、倍率性能测试和电化学阻抗分析系统研究了 TTFEB添加剂对NMC811正极材料电化学性能提升的作用机理。结果显示，含1wt.% TTFEB的电解液中，Li/NMC811电池在循环350次后容量保持率为72.8%，与基础电解液相比提升了13.1%。采用XPS、TOF-SIMS、TEM等界面表征方法研究了NMC811正极-电解质界面膜（CEI）组分及其分布，并通过XRF等体相表征方法研究NMC811正极材料晶体结构稳定性和过渡金属溶出机制。研究结果显示，含有TTFEB添加剂的电解液形成的CEI中有机低聚物含量减少且分布更加均匀、含P化合物和碳酸锂的含量更低、具有丰富的LiF组分以及起到CEI骨架的作用的B-O化合物，使CEI均匀致密、纤薄平整，从而降低界面阻抗，达到保护正极界面的效果。同时，该添加剂作为良好的阴离子受体，促进锂盐的解离，能够有效调控锂离子传输，提升电池的倍率性能。

这些发现为通过调节界面化学来改善高镍NMC正极的电化学性能提供了一条可行的途径。TTFEB作为膜形成添加剂的创新使用为开发具有增强稳定性和寿命的高能量电池系统铺平了道路。这一进展有望对下一代LIBs做出重要贡献，特别是在需要高功率和能量密度的应用领域。

文章信息

Improved cyclic stability of LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂ cathode enabled by a novel CEI forming additive

Zulipiya SHADIKE*, Yiming CHEN, Lin LIU, Xinyin CAI, Shuiyun SHEN, Junliang ZHANG*

Author information:

Institute of Fuel Cells, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

Abstract:

The undesired side reactions at electrode/electrolyte interface as well as the irreversible phase evolution during electrochemical cycling significantly affect the cyclic performances of nickel-rich NMCs electrode materials. Electrolyte optimization is an effective approach to suppress such an adverse side reaction, thereby enhancing the electrochemical properties. Herein, a novel boron-based film forming additive, tris(2,2,2-trifluoroethyl) borate (TTFEB), has been introduced to regulate the interphasial chemistry of LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂ (NMC811) cathode to improve its long-term cyclability and rate properties. The results of multi-model diagnostic study reveal that formation lithium fluoride (LiF)-rich and boron (B) containing cathode electrolyte interphase (CEI) not only stabilizes cathode surface, but also prevents electrolyte decomposition. Moreover, homogenously distributed B containing species serves as a skeleton to form more uniform and denser CEI, reducing the interphasial resistance. Remarkably, the Li/NMC811 cell with the TTFEB additive delivers an exceptional cycling stability with a high-capacity retention of 72.8% after 350 electrochemical cycles at a 1 C current rate, which is significantly higher than that of the cell cycled in the conventional electrolyte (59.7%). These findings provide a feasible pathway for improving the electrochemical performance of Ni-rich NMCs cathode by regulating the interphasial chemistry.

Cite this article:

Zulipiya SHADIKE, Yiming CHEN, Lin LIU, Xinyin CAI, Shuiyun SHEN, Junliang ZHANG. Improved cyclic stability of LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂ cathode enabled by a novel CEI forming additive. Front. Energy, 2024, 18(4): 535–544 https://doi.org/10.1007/s11708-024-0953-5

Full text：

通讯作者简介

章俊良，上海交通大学“致远”讲席教授，机械与动力工程学院燃料电池研究所所长，上海市“东方学者”特聘教授。

主要从事界面电化学、电催化、纳米材料、燃料电池、电解水、电化学能源系统中的传热传质研究。主持项目包括国家“863”计划及科技部支撑计划、重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目、教育部科研重点项目、上海市新能源汽车重大专项、上汽集团大功率燃料电池电堆专项以及上汽燃料电池基金项目等。研究成果发表在Science, Nature Energy, Journal of the American Chemical Society, Energy & Environmental Science等期刊共计180余篇，累计他引1.5万余次，撰写中英文专著两部。申请美国及国际专利20余项，中国专利50余项。担任Fuel Cells、《物理化学学报》、Frontiers in Energy期刊编委，上海市电化学能源器件工程技术研究中心副主任，中国燃料电池汽车产业联盟理事。获2020年上海市技术发明奖一等奖。

祖丽皮亚·沙地克，上海交通大学机械与动力工程学院副教授，博士生导师。

入选国家和上海市高层次人才计划、上海市浦江人才计划、上海交通大学小米青年学者、《麻省理工科技评论》中国区35岁以下科技创新35人，曾获得美国能源部电池 500 联盟“优秀青年研究者”一等奖。主要研究方向是高比能二次电池关键材料开发与失效机理研究，在Nature Energy、Nature Nanotechnology和Nature Communications 等期刊发表学术论文80篇，被引5100次，申请发明专利6项。主持国家自然科学基金优秀青年（海外） 项目 1 项、 青年项目 1 项、上海市浦江人才 A 类项目 1 项、参与“十四五”国家重点研发计划“储能与智能电网技术”重点专项青年科学家项目并负责子任务，曾主持美国能源部电池500联盟优秀青年研究者项目1项，美国能源部先进电池电极材料项目1项。担任eScience、SusMat、Chinese Chemical Letters、Nano Research期刊青年编委，Batteries期刊客座编委等。

期刊简介

Frontiers in Energy是中国工程院院刊能源分刊，高教社Frontiers系列期刊之一。由高等教育出版社、中国工程院和上海交通大学共同主办。致力于发表能源领域具有“前沿性、创新性和交叉性”的原创研究论文、综述、展望、观点、评论、新闻热点等。

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