高电压高镍正极（例如，LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2，NCM811）与高容量硅基负极相结合，被认为是高能量密度锂离子电池（LIBs）的有希望的候选材料。然而，当电池受到高于4.2V（相对于Li+/Li）的高电压充电时，其实际容量会受到严重影响。在苛刻条件下（例如，高镍含量、高电压和极端温度）下使用高镍正极时，界面和结构问题，包括电解液氧化、正极电解液界面（CEI）层破坏、表面相变和颗粒开裂等，会变得更加严重，导致性能急剧下降。由LiPF6的水解反应产生的有害HF成分进一步加剧了CEI的不可逆损伤，并导致过渡金属（TM）离子溶解，这加剧了高镍正极的表面相变。在高电压充电时，由溶剂氧化和阴极表面晶格产生的自由基（例如，烷基、烷氧基和活性氧自由基）会触发电解液分解的链式反应，导致界面持续恶化和不安全的气体释放。在负极方面，硅基负极（SiOx，约200%；Si，约300%）的巨大体积膨胀加剧了固体电解质界面（SEI）的持续破坏/重建，导致颗粒破碎和活性锂损失，这也对延长电池寿命提出了重大挑战。构建坚固的双重电极/电解液界面，包括SEI和CEI，对同时解决正极和负极的问题至关重要。通过向电解液中添加少量功能性添加剂来实现界面修饰，被认为是一种简单且经济的策略。包括含硼、氟、氮、有机硫、有机磷和有机硅化合物等在内的电解液添加剂已被报道可以以特定方式改善正极或负极的性能。然而，很少有添加剂能够同时调节正极和负极的界面，并执行多项功能来解决上述高能量密度LIBs的复杂问题。为了增加能量密度，仍然需要开发添加剂来改善高镍正极在高达4.8V的超高电压下的性能。开发与高电压正极和高体积变化负极兼容的多功能电解液添加剂对于提高它们的电化学性能和实现高能量密度LIBs至关重要。
基于上述讨论，理想的功能性添加剂应同时满足以下原则：（i）它能够在正极和负极两侧生成坚固的CEI/SEI；（ii）它能够实现抑制TM溶解、淬灭自由基和清除HF的额外功效；（iii）它应该使电池能够在高电压或宽温度的恶劣条件下有效运行。这些添加剂的有利属性直接来自于分子结构的设计。相关研究工作证明，氰基（CN）基团可以促进形成坚固的CEI层以抵抗TM溶解，从而显著增强高镍正极的高电压性能。含硼添加剂（例如，TMSB、LiBOB）可以通过衍生含硼有机组分的有益CEI来稳定界面。在高体积变化的硅基负极的情况下，含有氟和氮的添加剂（例如，FEC、SN）可以构建富含LiF、Li3N的无机组分的独特SEI层，有效抑制体积膨胀。值得注意的是，电子结构也赋予了添加剂特殊功能。具有孤对电子的氮可以与H2O配位，大大减轻LiPF6的水解和HF的生成，而缺电子的硼有利于淬灭氧自由基。在多功能添加剂设计原则中，开发具有几个基团的单一添加剂以同时执行多项功能被认为是实现高性能LIBs的有希望的策略。
近日，天津大学孙洁、张毅民，国联汽车动力电池研究院有限责任公司Wang Lve团队报告了一种多功能添加剂3-氟-5-（4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧硼烷-2-基）吡啶腈（FTDP），仅以0.2wt.%的微量添加到传统的碳酸酯基准电解液（标记为BE，1m LiPF6在EC/DEC中[1:1体积比]），可以在NCM811正极和硅基负极两侧原位构建坚固的界面，从而增强电化学性能。FTDP被证明优先分解参与形成保护性的CEI和SEI。具体来说，生成的含B和富含CN的CEI可以有效地抑制TM离子溶解并保持正极完整性，而产生的富含LiF、Li3N的SEI提供了良好的机械性能和快速动力学，从而抑制负极开裂并促进高倍率性能。此外，FTDP已被证明可以执行多项功能，包括淬灭自由基、减轻LiPF6的水解和抑制HF生成，这进一步促进了界面和结构稳定性。因此，NCM811/Li电池即使在超高电压（4.8V）、高温（60℃）和高倍率（10C）的恶劣条件下也表现出卓越的电化学性能。特别是在超高截止电压4.8V下，经过200个循环后，以1C的速率获得了80.3%的出色容量保持率。更令人鼓舞的是，1.6 Ah NCM811/SiOx软包电池在1.0 A的电流下经过300个循环后，提供了84.0%的高容量保持率，突显了FTDP的商业潜力。
该成果以“Trace Multifunctional Additive Enhancing 4.8 V Ultra-High Voltage Performance of Ni-Rich Cathode and SiOx Anode Battery”为题发表在“Advanced Energy Materials”期刊，第一作者是Yujing Zhang。
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