锂离子电池因高能量密度与长寿命已主导储能市场，但其高倍率性能受限于碳酸酯电解液的极化、析锂和分解问题。将离子液体功能添加剂引入传统电解液，可显著改善界面稳定性，成为提升高倍率循环寿命的变革性策略。
近日，沈阳化工大学许光文教授、石磊教授团队和东北大学孙宏滨教授团队成功开发出一种新型碳酸酯类内盐型离子液体添加剂(MI-EC)，仅需添加1%即可显著提升锂离子电池的循环稳定性和倍率性能，为下一代高性能锂电池电解液工程提供了全新解决方案。
图1 MI-EC微观结构模拟与电化学性能表征示意图
MI-EC是一种通过碳酸乙烯酯与1-甲基咪唑加成反应合成的内盐型离子液体，兼具羧酸根阴离子和咪唑阳离子结构。其独特的分子结构使其在电解质中表现出优异的锂离子配位能力和界面调控性能。密度泛函理论(DFT)计算表明，MI-EC具有较低的LUMO能级(-0.82 eV)和较高的HOMO能级(-5.91 eV)，能优先在正负极表面反应，形成稳定的SEI/CEI膜，抑制溶剂分解，提升电极界面稳定性。分子动力学模拟表明，MI-EC中的羧酸根阴离子能与Li+强烈配位，促进LiPF6的解离，提高锂离子迁移数(从0.35提升至0.46)。这有助于降低电池极化，提升离子传导动力学。
为验证MI-EC的实际性能，研究团队开展了系统的电化学测试和微观表征，结果显示，仅添加1 wt%的MI-EC(ME-10)，就能让锂离子电池的性能实现质的飞跃。在LFP‖Li半电池中，0.5 C电流密度下循环500次后容量保持率达95.8%，较标准电解液(BE)提升27%；10 C高倍率下的容量较BE提高18.8%，充放电电压间隙仅100 mV，极化程度大幅降低。Li‖Li对称电池测试中，ME-10电解液的循环寿命从BE的150 h延长至270 h，提升80%。在石墨‖Li半电池和LFP‖石墨全电池体系中，MI-EC添加剂同样表现出优异的兼容性，大幅提升了电池的循环稳定性和倍率性能。微观表征结果进一步揭示了MI-EC的作用机制。SEM、TEM、AFM等表征显示，使用MI-EC后，电极表面更加平滑、SEI/CEI更均匀致密。XPS分析证实，MI-EC参与构建的界面层中，含氮组分和无机LiF含量增加，进一步增强了界面稳定性和离子传导性。
图2 LFP半电池循环性能图
该研究不仅为开发高稳定性、高功率锂离子电池提供了可行的电解液添加剂策略，也为未来高性能储能材料的设计与应用奠定了理论基础。MI-EC的引入，标志着离子液体添加剂在实用化进程中迈出了重要一步，未来有望在动力电池、储能系统等领域实现更广泛的应用。
上述研究成果以“Boosting lithium-ion battery performance: the role of a novel carbonate-based ionic liquid electrolyte additive”为题发表在《Journal of Materials Chemistry A》杂志(DOI: 10.1039/d5ta08243a)。沈阳化工大学许光文教授、石磊教授和东北大学孙宏滨教授为共同通讯作者，沈阳化工大学2023级硕士王柏云和东北大学2022级博士菊娜为共同第一作者。该研究工作得到2023“兴辽英才”科技领军（XLYC2202010）、国家重点研发计划（2022YFF0705105）的支持。
