界面与溶剂脱氢工程赋能长寿命高压锂离子电池：基于HNTFP多功能添加剂的协同界面调控

针对高镍NCM811||石墨体系在高压(>4.4 V)下因EC基电解质化学不稳定性导致的界面副反应问题，研究人员通过引入含NO2/CF3/C=O三功能团的HNTFP添加剂，构建了兼具阴极电解质界面(CEI)和固体电解质界面(SEI)双重保护的协同体系，使4.5 V全电池循环500次容量保持率达92%，为高能量密度锂离子电池(LIBs)的实用化提供了创新解决方案。

　　

随着电动汽车和电子设备对高能量密度储能需求的激增，高镍层状氧化物正极（如LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂，简称NCM811）因其卓越的比容量和成本优势成为研究热点。然而，当充电电压提升至4.4 V以上时，传统碳酸乙烯酯(EC)基电解质会发生剧烈分解，导致阴极表面形成不稳定的阴极电解质界面(CEI)，引发过渡金属溶解、表面重构等一系列问题。与此同时，石墨阳极上脆弱的固体电解质界面(SEI)难以抑制持续的电解质消耗，最终造成电池容量快速衰减。尽管高浓度电解质、局部高浓度电解质等方案能部分缓解问题，但其高昂成本、粘度限制及电压适用性(<4.3 V)制约了实际应用。

针对这一挑战，中国科学院宁波材料技术与工程研究所的研究团队创新性地设计了一种三功能化吡啶衍生物——2-羟基-5-硝基-3-(三氟甲基)吡啶(HNTFP)作为电解质添加剂。该分子通过独特的NO₂、CF₃和C=O官能团协同作用，在NCM811表面构建了富含无机成分的CEI层，同时在石墨阳极形成氟化锂(LiF)主导的SEI层。研究显示，仅添加1 wt% HNTFP即可使NCM811||石墨全电池在4.5 V高压下循环500次后容量保持率达92%，商用1 Ah软包电池更实现1000次循环89%的惊人保持率。这项突破性成果发表于《Materials Science and Engineering: R: Reports》，为高压锂离子电池的界面工程提供了全新思路。

关键技术方法包括：1) 通过静电势(ESP)映射和密度泛函理论(DFT)计算解析HNTFP分子与电极的相互作用机制；2) 采用X射线光电子能谱(XPS)和飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)表征CEI/SEI的化学成分与空间分布；3) 结合电化学阻抗谱(EIS)和差分电化学质谱(DEMS)分析界面反应动力学；4) 通过高分辨透射电镜(HRTEM)观察电极表面微观结构演变；5) 基于实际软包电池验证规模化应用潜力。

Synergistic effects of HNTFP on electrolyte property
研究发现HNTFP分子中NO₂和C=O基团形成电子富集区，能与NCM811表面的过渡金属离子发生螯合作用，而CF₃基团通过诱导LiPF₆分解促进LiF生成。这种多机制协同使HNTFP的氧化电位高达6.2 V，远高于常规添加剂。

Conclusion
HNTFP通过三重功能化设计实现了"一箭双雕"的界面调控：在阴极侧，吡啶环的π-π堆叠效应稳定了CEI结构；在阳极侧，CF₃诱导生成的LiF-rich SEI有效抑制了溶剂分解。这种分子层面的精准调控解决了高电压下CEI/SEI同步优化的难题。

重要意义
该研究不仅证实了单分子添加剂实现双界面协同调控的可行性，更开创了通过分子轨道工程设计电解质添加剂的新范式。HNTFP在商用软包电池中的卓越表现，标志着高能量密度锂离子电池向实用化迈出了关键一步，对推动电动汽车续航突破和电子设备微型化具有重要战略意义。