双马来酰亚胺-氰尿酸聚合物涂层提升LiNi0.6 Co0.2 Mn0.2 O2 正极热稳定性与电化学性能的安全型锂离子电池研究

【编辑推荐】本研究针对高镍NCM（LiNi0.6 Co0.2 Mn0.2 O2 ）正极材料的热失控风险与循环容量衰减问题，开发了双马来酰亚胺-氰尿酸（BC）聚合物涂层技术。通过XRD、XPS等表征证实BC涂层形成稳定人工CEI层，使电池在25°C/55°C下循环寿命提升，3C倍率性能显著优化，同时抑制氧释放与金属溶解。该研究为高能量密度锂离子电池（LIBs）的安全性能提升提供了创新解决方案。

　　

随着电动汽车和储能需求的爆发式增长，高能量密度锂离子电池（LIBs）成为研究焦点。其中镍含量超过60%的层状氧化物正极材料（如LiNi_0.6
Co_0.2
Mn_0.2
O₂
，简称NCM622）虽能提供高达200mAh/g的比容量，却暗藏致命隐患——充电状态下Ni⁴⁺
/Co⁴⁺
的强氧化性会引发晶格氧释放，导致热失控甚至爆炸。更棘手的是，电解液与高活性正极表面的副反应还会加速过渡金属溶解，造成电池容量跳水。传统金属氧化物涂层虽能缓解问题，但往往牺牲离子电导率。如何在不影响性能的前提下给电池穿上"防火服"，成为学界攻坚的难点。

台湾省的研究团队独辟蹊径，从航空航天材料中获得灵感，将具有三维交联网络的双马来酰亚胺（BMI）与氰尿酸（CA）共聚物（BC）引入电池领域。这种聚合物不仅耐高温、抗化学腐蚀，其分子链上的C=O和C-N基团还能像"分子爪"般牢牢抓住NCM表面的Ni²⁺
、Co³⁺
等金属离子，在正极颗粒表面构建出不足纳米级却异常坚固的人工阴极电解质界面（CEI）。相关成果发表在《Materials Today Communications》上，为高安全电池设计提供了新范式。

研究团队采用 slurry coating（浆料涂覆）技术将BC聚合物均匀包裹在NCM颗粒表面，通过X射线衍射（XRD）确认涂层未破坏晶体结构，场发射扫描电镜（FE-SEM）显示涂层厚度约5-10nm。X射线光电子能谱（XPS）检测到C=O键结合能位移，证明BC与过渡金属形成配位键。差示扫描量热（DSC）测试揭示，BC涂层使脱锂态正极放热峰温度从240°C升至270°C，热释放量减少40%。

【实验结果】

1. 材料表征：ATR-FTIR光谱在1700cm^-1
   处出现C=O特征峰，证实BC成功锚定在NCM表面。EDS元素面扫描显示N、O元素均匀分布，表明涂层连续性良好。
2. 电化学性能：0.5wt% BC@NCM电池在55°C下循环100次后容量保持率达91%，远高于未涂层组的78%。3C倍率下放电容量提升35%，电荷转移阻抗（R_ct
   ）降低60%。
3. 安全机制：原位XPS发现BC涂层有效抑制了电解液分解产生的LiF堆积，Mn²⁺
   溶解量减少83%。高温加速量热显示热失控触发温度提高15°C。

【结论与意义】
这项研究开创性地将高性能工程塑料应用于电池界面工程，BC涂层通过三重保护机制实现突破：① C=O/TM离子配位稳定表面晶格氧；② 交联网络阻隔电解液侵蚀；③ -NH-基团淬灭自由基副反应。相比传统无机涂层，该策略在同等保护效果下使电池能量密度提升8%，且原料成本降低30%。特别值得注意的是，BC聚合物在碳酸酯电解液中几乎不溶胀，解决了此前BMI/TCA涂层溶胀失效的难题。该技术已通过第三方验证，在4.5V高电压循环中仍保持稳定，为开发兼顾高能量与高安全的下一代动力电池提供了关键技术储备。