氧化亞硅（SiOx，0<x<2）因其高比容量、低工作電位和低成本等優(yōu)勢(shì)，被視為實(shí)現(xiàn)高能量密度鋰離子電池的理想負(fù)極材料。新材料學(xué)院潘鋒/楊盧奕團(tuán)隊(duì)前期研究發(fā)現(xiàn)，SiOx在循環(huán)過程中的劇烈膨脹-收縮會(huì)導(dǎo)致固態(tài)電解質(zhì)界面膜（SEI）持續(xù)增厚，最終造成電子滲流網(wǎng)絡(luò)中斷（Nat. Comm., 2023, 14, 6048）。從界面穩(wěn)定性設(shè)計(jì)角度出發(fā)，在SEI中構(gòu)建富含氟化鋰（LiF）的內(nèi)層結(jié)構(gòu)被證實(shí)可顯著提升其穩(wěn)定性（Angew. Chem. 2025, 64，e202413927）。為實(shí)現(xiàn)這一結(jié)構(gòu)，需確保LiF在較高電位下優(yōu)先生成。目前廣泛使用的低成本電解液添加劑氟代碳酸乙烯酯（FEC）能在1.0-1.4 V（vs. Li+/Li）電位區(qū)間分解生成富含LiF的SEI。然而，FEC還原過程能壘較高，導(dǎo)致初期循環(huán)階段分解不完全，形成的LiF不僅含量有限，而且分布無序，這種不均勻的SEI結(jié)構(gòu)會(huì)擾亂鋰離子傳輸并引發(fā)界面應(yīng)力集中，嚴(yán)重影響電池循環(huán)穩(wěn)定性。
圖1. MBA誘導(dǎo)快速LiF成核的設(shè)計(jì)理念與作用機(jī)制：構(gòu)建內(nèi)層富LiF的SEI
近日，受微生物降解復(fù)雜有機(jī)物過程的啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地開發(fā)出一種雙（2-甲氧基乙基）胺（MBA）電解液共添加劑體系。該體系能有效調(diào)控商用電解液添加劑FEC向目標(biāo)SEI產(chǎn)物LiF的轉(zhuǎn)化，從而在SiOx負(fù)極表面構(gòu)建理想結(jié)構(gòu)的SEI膜。具體而言，MBA通過攻擊FEC的羰基碳形成中間體FMLi，該中間體在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上均更有利于電化學(xué)還原，從而加速LiF優(yōu)先成核。基于此機(jī)制，SiOx負(fù)極表面形成了具有梯度結(jié)構(gòu)的SEI膜，其內(nèi)層富含LiF組分，兼具高機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)異鋰離子傳導(dǎo)性能。這種穩(wěn)定的SEI結(jié)構(gòu)能夠有效適應(yīng)硅基負(fù)極的體積效應(yīng)，使SiOx||Li半電池的循環(huán)容量保持率和倍率性能顯著提升。軟包全電池的穩(wěn)定循環(huán)進(jìn)一步驗(yàn)證了該策略的實(shí)用價(jià)值。本研究提出的中間體調(diào)控SEI形成新方法，不僅提高了常規(guī)添加劑的利用效率，也為電解液體系的分子設(shè)計(jì)和下一代高性能鋰離子電池開發(fā)提供了新思路。相關(guān)研究成果以“Mediating Solid Electrolyte Interphase Formation Kinetics on SiOx Anodes Using Proton Acceptors”為題，發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition，DOI: 10.1002/anie.202505832）。
該工作在北京大學(xué)潘鋒教授、楊盧奕副研究員的共同指導(dǎo)下完成，新材料學(xué)院碩士生王浩亮、碩士畢業(yè)生張昊（現(xiàn)為香港城市大學(xué)博士生）為共同第一作者。研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、電動(dòng)汽車動(dòng)力電池與材料國(guó)際聯(lián)合研究中心、廣東省新能源材料設(shè)計(jì)與計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及深圳市新能源材料基因組制備和檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。
