这篇文档是一篇发表于《Small》期刊（2025年2月14日在线发表）的原创性研究论文，标题为《通过使用分区阳极和阴极电解质改善富镍锂离子电池正极的循环寿命》。研究的主要作者是 Jianqi Sun 和 Michael De Volder，他们来自英国剑桥大学工程系；合作作者 Bo Wen 也来自剑桥大学，而 Yaogang Li 和 Hongzhi Wang 则来自中国东华大学纤维材料改性国家重点实验室。

本研究属于电化学储能领域，具体聚焦于锂离子电池（Li-ion batteries, LIBs）电解质工程与界面科学。研究的背景在于，随着对更高能量密度电池材料的不断追求，正负极材料（如高镍正极和石墨负极）对电解质的性能要求日益分化，甚至产生矛盾。具体而言，传统的碳酸酯类电解质（通常含有乙烯碳酸酯，EC）对于在石墨负极表面形成稳定的固体电解质界面膜（Solid-Electrolyte-Interphase, SEI）至关重要。然而，当这种含有EC的电解质与高镍正极材料（如 LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2，即 NMC811）搭配并在高电压下工作时，会加剧正极表面的氧流失，导致电池性能（如循环寿命）急剧下降。这种矛盾使得开发一种能同时满足下一代高性能正负极需求的单一电解质变得极具挑战性。因此，本研究旨在提出并验证一种创新的电池设计策略：在电池内部将阳极电解质和阴极电解质物理分隔开来，从而允许针对正负极各自的化学特性独立优化其电解质体系，以期在不牺牲任何一方性能的前提下，显著提升电池的整体循环稳定性。

本研究的工作流程系统且严谨，主要包含以下几个步骤：

第一步：阴极电解质的优化与表征。 研究首先针对NMC811正极，优化了一种无EC的阴极电解质。研究团队选择了基于丁二腈（Succinonitrile, SN）的深共晶电解质（Deep-Eutectic Electrolyte）体系，因其具有优异的高电压氧化稳定性。为了解决双三氟甲磺酰亚胺锂（LiTFSI）盐可能导致的铝集流体腐蚀问题，研究人员通过线性扫描伏安法（Linear Sweep Voltammetry, LSV）测试了不同盐组合（如 LiTFSI 单独、LiTFSI 与 LiPF6 混合、以及高浓度 LiTFSI 添加 LiBOB 添加剂）对铝腐蚀电位的影响，最终确定了使用 2 M LiTFSI 并添加 0.5 wt.% LiBOB 的配方，以在保证溶解度的同时有效抑制腐蚀。接着，通过电压保持实验（将 NMC811||LTO 电池充电至高电压并监测漏电流），评估了不同电解质与 NMC811 在高电压下的界面反应活性。结果表明，与标准的含EC电解质（LP57，即 1 M LiPF6 in EC/EMC）相比，所优化的SN基深共晶电解质（SN-based Eutectic Electrolyte, SEE）显著降低了漏电流，表明其能有效抑制正极表面的副反应（如氧流失）。此外，添加氟代乙烯碳酸酯（FEC）进一步降低了漏电流。基于此，最终确定的阴极电解质为添加了FEC的 SEE。

第二步：固态聚合物电解质隔膜的制备与评估。 为了实现阴阳极电解质的物理分隔，研究采用聚偏氟乙烯（PVDF）基固态聚合物电解质（Solid Polymer Electrolyte, SPE）膜作为分隔层。该膜通过溶液浇铸法制备，厚度约为28微米。关键验证包括：1）确认该膜在阳极和阴极电解质溶剂中均不溶解，确保了长期循环中电解质的隔离性；2）测量其室温离子电导率（约 1.17 × 10^-4 S cm^-1）和电化学稳定窗口（>4.6 V vs. Li）；3）通过计时电流法结合交流阻抗谱，测量了完整的分区电解质体系（Compartmentalized SPE-LP57/FEC/VC Electrolyte, C-SPLE）的锂离子迁移数（0.57），高于单一碳酸酯电解质（0.40）。这得益于SEE中高浓度锂盐和SN对盐的解离促进作用，以及SPE膜对阴离子迁移的阻碍作用。

第三步：半电池电化学性能测试与分析。 在 NMC811||锂金属半电池中，系统比较了不同电解质体系（标准LP57、含添加剂的LP57/FEC/VC、C-SPLE以及移除SPE膜使电解液混合的对照组）在0.5C倍率下的循环性能。结果显示，使用C-SPLE的电池在200次循环后容量保持率高达92.2%，且电池极化（充放电电压差）在初期形成稳定界面后增长缓慢并最终稳定在较低水平（~0.16 V）。而使用含EC电解质的电池则表现出持续的极化增长和更快的容量衰减（LP57/FEC/VC为79.7%）。移除SPE膜的对照组性能介于两者之间（82.1%），证实了物理分隔的必要性。通过弛豫时间分布法（Distribution of Relaxation Times, DRT）对循环后电池的阻抗谱进行分析，发现C-SPLE体系有助于更早地形成正极电解质界面膜（Cathode-Electrolyte-Interphase, CEI），且电荷转移过程的阻抗峰强度更低，表明其具有更快的界面动力学和更低的阻抗积累。恒电流间歇滴定技术（Galvanostatic Intermittent Titration Technique, GITT）测试进一步证实，使用C-SPLE的电池在充放电过程中的过电位和IR降更小。

第四步：正极材料表面与结构的微观表征。 为了从机理上理解性能差异，研究对循环后的NMC811正极进行了深入的物理化学表征。使用聚焦离子束-扫描电子显微镜（FIB-SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察正极颗粒的形貌和表面结构。结果表明，与使用标准LP57电解质的正极相比，使用C-SPLE的正极颗粒内部晶间裂纹更少，表面的岩盐相还原层更薄且更均匀，CEI层也更均一致密。这直观地证明了无EC的SEE电解质与高镍正极表面的反应更温和，有效减轻了由电解质诱导的颗粒机械损伤和表面重构。X射线光电子能谱（XPS）分析揭示了表面界面膜的化学组成差异。使用C-SPLE的正极表面检测到了来自腈类电解质的C≡N特征峰以及可能的Li3N峰，同时LiF含量更高，而有机组分（C-C/C=C, C-O）含量相对较低。这表明形成了更富含无机物的、可能由阴离子驱动形成的CEI层，这种结构被认为更有利于锂离子的快速均匀传导，并能提供更坚固的保护。

第五步：全电池性能验证与机理探究。 最终，研究在NMC811||石墨全电池中验证了C-SPLE体系的实用价值。在贫电解液条件下（E_cathode/C = 2.86 µL mAh^-1），使用C-SPLE的全电池在520次循环后容量保持率达到85.1%，显著高于使用标准LP57/FEC/VC电解质的对照组（61.7%）。循环前后的电化学阻抗谱（EIS）显示，C-SPLE电池在长期循环后，特别是电荷转移阻抗（Rct）的增长更小。此外，倍率性能测试表明，C-SPLE体系在1C和1.5C倍率下甚至表现更优，这与其更高的锂离子迁移数相符。为了探究性能提升的更深层原因，研究通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析了循环后石墨负极上的过渡金属沉积量。结果显示，使用C-SPLE的电池，其负极上的过渡金属（Ni, Mn, Co）溶解与迁移量明显减少。这归因于SEE中的-C≡N基团可以与溶解的过渡金属离子配位，以及SPE膜本身可能对离子迁移有一定的筛分作用，从而减少了过渡金属催化SEI持续生长等副反应。

本研究的主要结果环环相扣，逻辑严密：1) 阴极电解质优化结果 直接提供了能与高镍正极兼容的高电压稳定电解液配方。2) SPE膜表征结果 证明了其作为物理分隔层的可行性和优势（不溶解、足够导电、提高锂离子迁移数）。3) 半电池性能结果 初步验证了分区设计在抑制极化增长和提升循环稳定性方面的显著效果，并通过DRT和GITT数据关联了性能提升与阻抗降低的关系。4) 微观表征结果 从材料层面提供了直接证据，表明C-SPLE体系能有效保护正极结构完整性并形成更优的界面膜，这解释了阻抗降低和循环稳定的内在原因。5) 全电池结果与过渡金属分析 最终将实验室性能与实际应用场景结合，证实了该策略在全电池中的有效性，并揭示了减少过渡金属溶解与迁移是提升全电池寿命的另一关键机制。

本研究的结论是，通过使用PVDF基固态聚合物电解质膜将优化的无EC腈类阴极电解质与传统的含EC碳酸酯阳极电解质物理分隔，成功构建了一种分区混合电解质（C-SPLE）电池体系。该设计巧妙地解决了高镍正极与石墨负极对电解质要求的矛盾：在负极侧利用EC形成稳定SEI，在正极侧使用高电压稳定的腈类电解质抑制氧流失和表面降解。最终，该策略使NMC811||石墨全电池在520次循环后容量保持率从对照组的61.7%大幅提升至85.1%，并有效抑制了过渡金属溶解迁移和电池阻抗的增长。

本研究的科学价值在于提出并验证了一种创新的、模块化的电解质设计范式，打破了传统单一电解质必须“折中妥协”的局限，为未来针对特定电极化学（如硅负极、锂金属负极、富锂锰基正极等）独立开发最优电解质打开了新的思路，具有重要的方法论意义。其应用价值在于，该策略有望直接应用于提升现有高能量密度锂离子电池（尤其是采用高镍正极的电池）的循环寿命和可靠性，推动电动汽车等行业的发展。

本研究的亮点突出体现在以下几个方面：1）创新性的设计理念： 首次在液态电解质体系中成功实现并验证了阴阳极电解质的物理分区，概念新颖且具有突破性。2）系统性的研究流程： 从电解质配方优化、隔膜工程、到电化学性能测试、界面机理探究，形成了完整、闭环的证据链。3）深入的机理阐释： 不仅展示了优异的宏观性能，更通过多种先进的表征手段（DRT、FIB-SEM/TEM、XPS、ICP-MS）从阻抗动力学、材料结构、界面化学、离子迁移等多角度深入揭示了性能提升的微观机制。4）显著的性能提升： 在全电池中实现了超过23个百分点的容量保持率提升，效果非常显著，证明了该策略的强大潜力。5）解决核心矛盾： 直击高能量密度锂离子电池发展中“电解质无法同时满足正负极需求”这一核心痛点，提出的解决方案具有明确的针对性和实用性。

此外，研究中还有一些有价值的细节，例如在优化阴极电解质时对铝集流体腐蚀问题的细致考量，以及通过对比实验（移除SPE膜）明确指出了物理分隔的关键作用，这些都增强了研究的严谨性和说服力。研究也展望了该策略在无负极电池等更前沿体系中的应用前景，拓展了其潜在影响力。