《Chem》：Tuning interfacial solvent orientation for high-voltage lithium-ion batteries
全局视角
开发更安全、寿命更长的锂离子电池对于满足便携式电子产品对能量存储日益增长的需求至关重要。一个关键挑战在于在高工作电压下稳定正极材料，因为传统电解质会分解并缩短电池循环寿命。在这项研究中，我们揭示了碳酸乙烯酯（EC）溶剂在正极表面的氧化脱氢行为与分子取向之间的关系。基于这一发现，我们引入了一种名为五氟苯基三氟甲磺酸盐（PFBS）的添加剂，使其重新排列成更稳定的结构。这种调控方式抑制了EC的分解，促进了富无机物质的界面层的形成，并使得全电池能够在较高电压下稳定运行。这种分子层面的策略为电解质设计开辟了新途径，将重点从简单的表面钝化转向对界面相互作用的精确调控。通过稳定高电压下的电池性能，这类方法可以延长实际锂离子电池的寿命，从而推动向清洁、可靠的能源技术的转变。
研究亮点
• DFT（密度泛函理论）揭示了溶剂氧化脱氢行为与分子取向的关系
• 添加剂PFBS通过重新排列溶剂分子来抑制分解
• 富无机物质的稳定界面层使得电池在高电压下具有更长的循环寿命
总结
提高锂钴氧化物（LCO）正极的充电截止电压可以提升锂离子电池（LIBs）的能量密度，但会导致电解质严重分解。虽然添加剂可以通过形成保护性的正极-电解质界面层（CEI）来缓解这一问题，但其设计原理仍不甚明了。本文提出了一种通过添加剂调控溶剂取向的方法，以优化界面分子排列。密度泛函理论（DFT）计算表明，与LCO表面平行排列的碳酸乙烯酯（EC）会发生自发的脱氢反应，而垂直排列的EC则具有更强的抗氧化性。所设计的添加剂五氟苯基三氟甲磺酸盐（PFBS）能够优先吸附在LCO表面，并通过苯基-羰基相互作用迫使EC保持垂直排列。这种调控机制抑制了EC的分解，促进了富无机物质的界面层的形成。添加1%的PFBS后，4.55 V电压下的石墨||LCO全电池在常温及高温条件下均表现出优异的循环性能。这项工作为电解质添加剂的分子层面设计开辟了新的方向。
