​上交/苏州纳米所EnSM：双功能自组装分子层实现稳定富镍正极

富含镍的层状氧化物（LiNi_xCo_yMn_zO₂，x≥0.8，x+y+z=1）与镍含量较低的类似物相比，具有更高的比容量，因此是制造高能量密度电池的理想正极材料。然而，高镍含量也带来了挑战，如在环境条件下储存不稳定和循环寿命差。

在此，上海交通大学陈立桅，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所沈炎宾、邵辉等人提出了一种表面化学调节策略，以同时提高高镍正极材料的空气存储稳定性和电化学稳定性。通过分子自组装，在单晶 LiNi_0.83Co_0.12Mn_0.05O₂(NMC811) 颗粒表面构建了由三甲氧基（1H,1H,2H,2H-全氟癸基）硅烷（PFDTMS）组成的双功能超薄层。

此外，自组装的 PFDTMS 层还有助于在 NMC811 表面形成电化学稳定的正极-电解质相（CEI），提高了 NMC811 在高截止电压下的循环稳定性。基于 PFDTMS 的 CEI 还能减轻电解液对 NMC811 的化学腐蚀，减缓过渡金属离子在长期循环过程中的溶解。

图1. 电池性能

总之，该工作提出了一种双功能超薄表皮策略，以提高高镍正极材料的空气暴露稳定性和电化学循环稳定性。首先，通过分子自组装方法在单晶NMC811颗粒表面接枝了厚度约为3纳米的PFDTMS层。这层超薄层在NMC811材料上形成了超疏水表面，有效缓解了NMC811在空气中的失活反应，确保基于NMC811的电极在空气中存放两周后其电化学性能保持不变。这种增强的空气暴露稳定性可大大降低基于NMC811的电极在材料储存、运输和电极制造过程中的环境和制造成本。

此外，PFDTMS还有助于在循环过程中在NMC811表面形成均匀、电化学稳定的CEI，从而降低界面阻抗，显著提高NMC811在高截止电压下的循环稳定性。PFDTMS诱导的CEI层还能减少电解液对NMC811的化学腐蚀，减缓过渡金属离子的溶解，提高NMC811的电化学稳定性。

因此，与原始NMC811样品相比，在相同条件下循环200次后，PFDTMS涂层NMC811的容量保持率提高了20%。该方法简单、高效、环保且成本低廉，为提高高镍正极材料的稳定性提供了一种新方法，有望进一步促进其在高能量密度锂离子电池中的应用。

图2.DFT计算

Bifunctional Self-assembled Molecular Layer Enables Stable Ni-rich Cathodes, Energy Storage Materials 2023 DOI: 10.1016/j.ensm.2023.103054