封面文章 | 清华大学深圳国际研究生院史沛然&贺艳兵&康飞宇Renewables:耐高温高镍锂电池
- 2026-06-18 08:12:48
封面文章 | 清华大学深圳国际研究生院史沛然&贺艳兵&康飞宇Renewables:耐高温高镍锂电池
本文亮点 
本研究围绕高镍NCM811锂电池在高温环境下界面副反应剧烈、容量衰减快等关键问题，提出了一种兼具电解液净化与界面调控功能的多功能添加剂3-isocyanatopropyltrimethoxysilane（IPTO）。该添加剂分子中同时含有硅甲氧基和异氰酸酯基团，能够分别与电解液中的HF和H2O发生反应，从源头上削弱LiPF6基碳酸酯电解液在高温条件下的酸性腐蚀。同时，IPTO可在NCM811正极表面优先氧化分解，原位构建富含Si/N组分和LiF的稳定正极电解质界面膜（CEI），从而抑制电解液持续分解、过渡金属离子溶解迁移以及高镍正极结构退化。仅加入2 vol% IPTO，Li/NCM811电池便在室温1C条件下循环800次后实现74.85%的容量保持率并在45 °C高温下显著提升循环后的放电容量，表现出优良的长循环稳定性和高温耐受能力。该工作通过一种兼顾电解液除酸除水和电极界面构筑的添加剂设计，为高能量密度高镍锂电池的实际应用提供了具有推广潜力的界面化学调控思路。 
研究背景 
随着镍含量的提升，高镍正极NCM811在高电压和高温环境下的结构与界面稳定性面临严峻挑战。一方面，NCM811正极表面容易与电解液发生副反应，导致正极电解质界面膜不稳定、层状结构无序化加剧以及长循环过程中容量快速衰减；另一方面，目前商业电解液中广泛使用的LiPF6对微量水分十分敏感，容易水解生成HF，而HF会持续腐蚀正极界面，诱发Ni、Co、Mn等过渡金属离子从正极中溶出。溶出的过渡金属离子进一步迁移至负极侧后，还会催化负极固态电解质界面膜的不受控生长，增加电池阻抗并降低可逆容量。上述腐蚀和迁移效应在高温条件下会被进一步放大，因此，如何削弱LiPF6基电解液中的酸性腐蚀并同时稳定高镍正极界面，是提升NCM811电池高温循环寿命的核心问题。引入电解液添加剂是改善高镍电池界面稳定性和高温性能的一种有效策略。已有研究表明，含异氰酸酯、硅氧基或亚磷酸酯等官能团的添加剂可以与HF或水分发生反应，从而降低电解液酸性；另一些添加剂则能够参与界面成膜，改善电极/电解液界面动力学。然而，单一酸捕获添加剂往往难以应对电池全生命周期中复杂的反应环境，而多组分添加剂体系又可能带来成本高、体系复杂和商业化适配性差等问题。因此，发展一种结构简单、成本可控，并且能够同时实现“去酸净化”和“稳定界面构建”的多功能添加剂，对于推动高镍NCM811电池在高温和长寿命条件下的实际运行具有重要意义。基于这一思路，本文设计并引入IPTO作为商业LiPF6基碳酸酯电解液添加剂，利用其分子结构中的硅甲氧基和异氰酸酯基团分别捕获HF与H2O，同时通过其在正极表面的优先氧化构建稳定CEI，从而实现电解液化学环境与正极界面的协同优化。 
图文导读 
清华大学深圳国际研究生院史沛然&贺艳兵&康飞宇在Renewables上发表了题为“Enabling High-Temperature-Tolerant High-Nickel Lithium Batteries with a Multifunctional Purification Additive”的研究论文。 图1展示了基础电解液与含IPTO添加剂电解液中NCM811正极和锂负极之间界面演化的差异。在传统LiPF6基电解液中，LiPF6⁻与微量H2O反应会生成PF5、HF等腐蚀性物种，进一步诱发正极表面CEI破坏、过渡金属离子溶解以及向锂负极侧迁移。这些迁移的过渡金属离子会沉积在负极表面并加剧副反应，使电池在长循环和高温环境下快速失效。相比之下，引入2 vol% IPTO后，IPTO分子中的–N=C=O基团能够与H2O反应，Si–OCH3基团能够与HF反应，从而减少电解液中的酸性组分。同时，IPTO还可在NCM811正极表面优先氧化，形成具有保护作用的CEI层，阻止电解液持续分解和过渡金属离子跨界迁移。该图从机制上概括了IPTO的双重功能：一方面净化电解液，另一方面稳定正极界面。 
图1. IPTO 添加剂调控LiPF6基电解液与NCM811界面的作用示意图 图2系统展示了IPTO添加剂对电池反应动力学、循环寿命和高温性能的影响。分子轨道计算表明，IPTO的HOMO能级高于电解液中EC、EMC和DMC等溶剂，说明其更容易在正极表面优先氧化并参与CEI构建。线性扫描伏安测试进一步证明，含2 vol% IPTO的电解液氧化分解电位低于基础电解液，说明IPTO确实能够先于溶剂在正极表面发生氧化反应。电化学阻抗与循环伏安结果显示，IPTO的加入降低了电池初始界面阻抗，并促进NCM811正极相变过程，使电池具有更好的反应动力学。长循环测试中，含2 vol% IPTO的Li/NCM811电池在室温1C条件下循环800次后容量保持率达到74.85%，明显高于基础电解液体系的40.76%。在45°C高温条件下，含IPTO电池循环400次后仍保持127.4 mAh g⁻1的放电容量，而基础电解液体系仅为90.2 mAh g⁻1，说明IPTO对高温循环稳定性的改善尤为显著。此外，在高负载NCM811正极和石墨/NCM811全电池中，IPTO也表现出良好的适用性，表明该添加剂具有进一步贴近实际应用条件的潜力。 
图2. IPTO对Li/NCM811电池电化学性能的提升 图3通过X射线光电子能谱（XPS）深度剖析等表征揭示了IPTO对NCM811正极表面CEI组成和结构的调控作用。与基础电解液相比，含IPTO电解液中形成的CEI更薄且更加均匀，N 1s和Si 2p谱图中出现明显的N和Si信号，说明IPTO发生了自牺牲氧化分解并参与正极界面膜构建。同时，含IPTO体系中CEI内P和C的比例降低，表明LiPF6和有机溶剂的持续分解受到抑制。经过不同刻蚀时间的XPS分析进一步显示，IPTO调控形成的CEI具有更高比例的LiF，并呈现出更致密、稳定的结构特征。富LiF的CEI通常具有较好的机械强度和化学稳定性，能够有效阻挡电解液与高镍正极之间的持续副反应，减缓界面阻抗增长。长循环后的阻抗分析也证明，含IPTO电池的界面阻抗和电荷转移阻抗明显低于基础电解液体系，说明IPTO构建的界面层不仅更加稳定，也有利于锂离子传输和界面动力学提升。
图3. IPTO构建富含Si/N和LiF的稳定CEI 图4利用60 °C条件下的原位X射线衍射（XRD）和循环后高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）表征，进一步说明IPTO对NCM811正极结构演化的保护作用。在基础电解液中，Li/NCM811电池初始库仑效率较低，并且放电初期出现明显电压下降，反映出高温条件下界面副反应严重、极化显著和活性锂损失加剧。XDR结果显示，基础电解液体系中NCM811的（003）、（101）和（104）衍射峰在充放电过程中变化剧烈，H2–H3相变受抑制，说明正极结构发生较大的不可逆变化并影响容量释放。相比之下，含2vol% IPTO的电池初始库仑效率提升至83.39%，H1–H2–H3相变过程更加完整且可逆，说明IPTO有助于维持高温下NCM811的结构可逆性。循环后基础电解液中NCM811颗粒表面形成明显岩盐相和混合相，厚度可达约30 nm；而在IPTO体系中，正极表面几乎没有明显岩盐相，混合相厚度小于10 nm。该结果表明，IPTO构建的稳定CEI能够有效抑制高镍正极表面相变退化和颗粒开裂，从而维持层状主体结构稳定。 
图4. IPTO提升高温下NCM811正极结构稳定性 图5从化学反应机制角度验证了IPTO对电解液酸性组分的净化作用。为了放大水分影响，研究者向基础电解液中加入1000 ppm H2O，并通过19F-NMR检测到PF6⁻水解生成的PO2F2⁻信号；而在加入2 vol% IPTO后，该信号消失，说明IPTO能够有效抑制LiPF6水解及酸性副产物生成。理论计算提出了IPTO与HF/H2O反应的三条路径，其中Si–OCH3与HF的取代反应以及–N=C=O与H2O的反应在热力学上可行，并通过核磁共振（NMR）与傅立叶变换红外吸收光谱仪（FTIR）实验得到验证。1H-NMR和13C-NMR中甲醇及羧酸相关信号的出现，证明了Si–OCH3与HF反应以及–N=C=O与H2O反应的发生；FTIR中–N=C=O信号减弱和C=O、COOH、–CONH等信号出现，也进一步支持了水捕获反应路径。更重要的是，电感耦合等离子体（ICP）测试显示，基础电解液中循环后存在明显Ni、Co、Mn溶出，而含IPTO体系中过渡金属溶解显著降低。高温储存实验同样证明，IPTO能够抑制充电态NCM811在60°C下的金属溶出。此外，差示扫描量热法（DSC）测试显示，IPTO将充电态NCM811的热失控温度由218.72 °C 提高至234.68 °C，并降低放热量，说明该添加剂不仅提升了循环稳定性，也有助于改善高镍正极的热安全性。 
图5. IPTO捕获HF/H2O并抑制过渡金属溶解与热失控风险 
总结与展望 
本研究提出了一种面向高温耐受高镍锂电池的多功能电解液净化添加剂IPTO。该添加剂通过分子结构中的Si–OCH3和–N=C=O官能团分别捕获HF与H2O，降低LiPF6基电解液中的酸性腐蚀源；同时，IPTO在NCM811正极表面优先氧化分解，构建富含Si/N组分和LiF的稳定CEI，从而有效抑制电解液持续分解、过渡金属离子溶解迁移以及高镍正极表面结构退化。得益于电解液净化成膜与稳定界面构筑的协同作用，含2 vol% IPTO的Li/NCM811电池在室温和高温条件下均表现出显著提升的循环稳定性、界面动力学和安全性能。该研究证明，合理设计具有多反应位点的单一分子添加剂，可以在不显著增加体系复杂度的前提下，同时解决高镍电池中的酸性腐蚀和界面失稳问题。该策略可进一步拓展至更高镍含量正极、宽温域运行电池以及高能量密度软包电池体系中，并可与高电压电解液、锂金属负极保护和准固态/固态电解质设计相结合，形成更加全面的界面稳定化方案。 
文章信息 
原文链接：https://www.chinesechemsoc.org/doi/10.31635/renewables.025.202500099 文章信息：Min Mao, Zhou Han, Jiabin Ma, Hai Su, Zheng Zhang, Di Zhao, Danfeng Zhang, Xing Cheng, Peiran Shi,* Ming Liu, Wei Lv, Yanbing He,* Feiyu Kang.*Enabling High-Temperature-Tolerant High-Nickel Lithium Batteries with a Multifunctional Purification Additive. Renewables, 2025, 4(2): 75-84. 点击文末“阅读全文”，即可跳转阅读 
END 
孙靖宇Renewables：基于蒙烯集流体负载过渡金属碲化物的锂硫电池宿主材料 期刊主页：https://www.chinesechemsoc.org/journal/renewables 投稿链接：https://mc03.manuscriptcentral.com/rnwb 编辑部邮箱：office@renewables-ccs.org 
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第一作者：毛敏、韩卓、马家宾
通讯作者：史沛然、贺艳兵、康飞宇
通讯单位：清华大学深圳国际研究生院
原文链接：https://doi.org/10.31635/renewables.026.202500111
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Renewables 是依托中国化学会期刊平台，面向新能源领域的高起点国际期刊，发表能源、化学、材料等交叉学科的高水平研究论文与综述，已入选中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊。
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