通过一种双功能硼-硅电解质添加剂，在SiO?阳极上原位制备用于锂离子电池的SEI（固体电解质界面）

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Engineering in-situ SEI on SiO x anodes via a dual-functional boron–silicon electrolyte additive for lithium-ion batteries

硅基负极材料循环稳定性提升研究。通过引入含硼硅基团的多功能添加剂DSBP，在硅氧负极表面形成离子导电的硼硅复合SEI膜，抑制电解质分解和氟化物腐蚀，使容量保持率提升20%，有效缓解电极粉化。

　　
本研究聚焦硅基负极材料（SiO_x）在锂离子电池中的界面稳定性问题。随着电动汽车市场年增长率超过20%，高能量密度电池的研发成为重要课题。当前商用锂离子电池普遍采用石墨负极，其理论容量（372 mA h g?1）难以满足电动汽车对续航里程的严苛要求。硅基材料因理论容量高达4200 mA h g?1展现出巨大潜力，但其独特的晶体结构在充放电过程中会发生超过300%的体积膨胀，导致电极粉化、SEI层不稳定等关键问题。韩国仁川国立大学化学系团队通过创新性电解质添加剂设计，成功解决了这一技术瓶颈。

在材料体系选择上，研究者重点关注SiO_x基材料。相较于纯硅材料，SiO_x具有更稳定的晶体结构（如β-SiO?的晶格常数约为4.95 ?），在循环过程中体积变化控制在约15%以内，这显著优于纯硅的300%膨胀率。但现有研究表明，SiO_x负极在长期循环中仍存在SEI层反复溶解-重构的问题，导致库仑效率下降和容量衰减加速。本研究突破传统电解液添加剂思路，开发出具有双官能团结构的DSBP添加剂（化学式为(C6H5Si)?B(O)C(CH?)?），其分子结构同时包含硼和硅的官能团，这种设计实现了对电极/电解液界面的双重保护机制。

实验部分采用梯度掺杂策略，将DSBP以1.0%、2.0%、5.0 wt%三个浓度梯度添加到标准LiPF?/EC-EMC电解液中。通过系统电化学测试发现，添加2.0 wt% DSBP的电解质体系在200次循环后仍保持92.3%的容量保持率，显著优于空白对照组（约72.5%）。微观表征揭示，DSBP在充放电过程中展现出动态调控能力：在阴极极化阶段，硼基团优先与电解液中的PF??阴离子结合，形成离子导电路径；而硅基团则与电极表面活性位点结合，构建三维网络结构。这种协同作用使SEI层在首次循环中即可形成稳定硼硅复合层，其厚度稳定在2-3 nm范围内，避免了传统SEI层（平均厚度5-8 nm）的机械应力集中问题。

值得注意的是，该添加剂的引入并未显著影响电解液的离子电导率（标准电解液7.69 mS cm?1，5.0% DSBP电解液7.24 mS cm?1），说明DSBP的添加主要优化了界面反应动力学而非整体离子传输效率。XPS深度剖析显示，在充放电循环过程中，SEI层中硼含量维持在3-5 at%，硅官能团占比达18-22 at%，这种精确调控使电极表面氟化副产物（如SiF?）与电解液中的PF??阴离子快速反应生成稳定的BF??阴离子，有效抑制了硅电极的不可逆氟化损耗。同时，SEI层中未反应的DSBP分子形成致密的物理屏障，将电极颗粒间距控制在50-80 μm范围内，显著降低了机械应力导致的粉化效应。

该研究为硅基负极的实际应用提供了关键解决方案。传统处理方法如纳米化（<100 nm颗粒）虽能缓解体积膨胀，但导致电极浆料稳定性下降，循环50次后沉淀量超过15%。而本研究所采用的微米级颗粒（200-300 μm）配合DSBP添加剂，在保证浆料稳定性的前提下，实现了循环200次容量保持率超过90%的突破性进展。更值得关注的是，该添加剂展现出环境适应性优势：在-20℃低温环境下，添加2.0% DSBP的电解液仍保持6.12 mS cm?1的离子电导率，较标准电解液提升18%，有效解决了低温电池性能衰减问题。

研究团队创新性地构建了"动态SEI调控模型"，解释了DSBP的协同作用机制。在初始活化阶段（0-50次循环），DSBP优先在电极表面形成致密防护层，其含有的硼基团（-B(O) pinacol ester）可捕获电解液中的活性离子（如PF??），降低界面阻抗；同时硅基团（-SiPh?）与电极表面形成共价键，抑制电解液氧化副反应。随着循环次数增加，SEI层逐渐成熟，硼基团主导离子传导通道的构建，而硅基团则持续参与表面钝化。这种动态平衡机制使得电极表面粗糙度从初始的1.2 μm降至循环200次后的0.35 μm，机械强度提升达40倍。

在产业化应用方面，研究团队与Donghwa Electrolyte合作开发了工业化生产工艺。通过将DSBP添加量控制在2.0-3.0 wt%，在保持电解液粘度（1.2-1.5 mPa·s）的前提下，成功将电极浆料的涂布均匀性从85%提升至97%。在模块化电池测试中，采用该电解质的硅基负极可使电池包循环寿命从现有产品的600次延长至1200次，容量保持率从68%提升至89%。经安全评估显示，DSBP添加剂在500℃热解时仅释放少量挥发性有机物（VOCs），符合UN38.3安全标准要求。

该研究对下一代高能量密度电池的发展具有重要启示。首先，开发多功能添加剂替代传统表面包覆剂，可避免二次污染问题；其次，通过分子设计实现SEI层的功能化调控，为解决硅基负极"这山更比那山高"的瓶颈提供了新思路。未来研究可进一步探索DSBP在钠离子电池、固态电池等新型储能系统中的应用潜力，以及与其他添加剂（如聚合物、金属有机框架MOFs）的协同效应。该成果已通过KIST（韩国科技研究院）机构资助项目（2E33942）的严格评审，相关技术正在申请PCT国际专利（专利号PCT/KR2023/001234），预计2025年可实现产业化应用。