富含鎳的層狀氧化物（LiNi_xCo_yMn_zO₂，x≥0.8，x+y+z=1）與鎳含量較低的類似物相比，具有更高的比容量，因此是制造高能量密度電池的理想正極材料。然而，高鎳含量也帶來了挑戰，如在環境條件下儲存不穩定和循環壽命差。

在此，上海交通大學陳立桅，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所沈炎賓、邵輝等人提出了一種表面化學調節策略，以同時提高高鎳正極材料的空氣存儲穩定性和電化學穩定性。通過分子自組裝，在單晶 LiNi_0.83Co_0.12Mn_0.05O₂(NMC811) 顆粒表面構建了由三甲氧基（1H,1H,2H,2H-全氟癸基）硅烷（PFDTMS）組成的雙功能超薄層。

此外，自組裝的 PFDTMS 層還有助于在 NMC811 表面形成電化學穩定的正極-電解質相（CEI），提高了 NMC811 在高截止電壓下的循環穩定性。基于 PFDTMS 的 CEI 還能減輕電解液對 NMC811 的化學腐蝕，減緩過渡金屬離子在長期循環過程中的溶解。

圖1. 電池性能

總之，該工作提出了一種雙功能超薄表皮策略，以提高高鎳正極材料的空氣暴露穩定性和電化學循環穩定性。首先，通過分子自組裝方法在單晶NMC811顆粒表面接枝了厚度約為3納米的PFDTMS層。這層超薄層在NMC811材料上形成了超疏水表面，有效緩解了NMC811在空氣中的失活反應，確保基于NMC811的電極在空氣中存放兩周后其電化學性能保持不變。這種增強的空氣暴露穩定性可大大降低基于NMC811的電極在材料儲存、運輸和電極制造過程中的環境和制造成本。

此外，PFDTMS還有助于在循環過程中在NMC811表面形成均勻、電化學穩定的CEI，從而降低界面阻抗，顯著提高NMC811在高截止電壓下的循環穩定性。PFDTMS誘導的CEI層還能減少電解液對NMC811的化學腐蝕，減緩過渡金屬離子的溶解，提高NMC811的電化學穩定性。

因此，與原始NMC811樣品相比，在相同條件下循環200次后，PFDTMS涂層NMC811的容量保持率提高了20%。該方法簡單、高效、環保且成本低廉，為提高高鎳正極材料的穩定性提供了一種新方法，有望進一步促進其在高能量密度鋰離子電池中的應用。

圖2.DFT計算

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