Interface Regulation by Boron-based Multifunctional Additives for High-Ni Cathodes and Li Metal Anodes

Abstract

The purpose of this study is to enhance the electrochemical performance and structural stability of NCM90

Li batteries by introducing 4-fluorophenylboronic acid (FPB) as a multifunctional electrolyte additive. High-Ni layered cathodes suffer from electrolyte oxidation, structural reconstruction, and interfacial resistance, which accelerate capacity fading under high-voltage cycling. FPB addresses these issues by undergoing preferential oxidation to form an inorganic rich cathode–electrolyte interphase (CEI) that suppresses electrolyte decomposition, mitigates transition-metal dissolution, and preserves layered ordering. In addition, FPB acts as an HF scavenger, reducing the formation of acidic species derived from LiPF6 hydrolysis and thereby improving interfacial chemical stability. Electrochemical characterizations revealed enhanced Li+ transference number, reduced impedance, and improved rate capability in FPB-containing electrolytes, while microscopic analyses confirmed suppression of irreversible layered-to-spinel transformation in cycled NCM90. These interfacial and structural effects further promoted uniform Li deposition and improved plating/stripping reversibility. Overall, this study highlights the potential of boron-based molecular additives for interfacial regulation and structural stabilization, resulting in significant electrochemical enhancements. FPB-BE delivered a capacity retention of 85% after 200 cycles, along with improved high-rate performance up to 5 C, demonstrating both high energy efficiency and robust cycling stability.;본 연구의 목적은 4-플루오로페닐보론산 (FPB)를 다기능성 전해질 첨가제로 도입하여 NCM90

Li 전지의 전기화학적 성능과 구조적 안정성을 향상시키는 것이다. 고니켈 계층 형 양극은 고전압 충·방전 과정에서 전해질 산화, 구조 재구성, 계면 저항 증가가 발생 하여 급격한 용량 저하를 유도한다. FPB는 우선적으로 산화되어 무기물 기반의 안정한 양극-전해질 계면층을 형성함으로써 전해질 분해를 억제하고, 금속 양이온 용출을 완화 하며, 계층 구조를 보존하는 역할을 한다. 또한 FPB는 LiPF6 가수분해로 생성되는 HF를 포획하여 산성 종의 생성을 억제함으로 써 계면 화학적 안정성을 개선한다. 전기화학적 분석 결과, FPB-BE는 Li+ 전달수, 계면 저항, 율속특성 등의 지표에서 개선된 성능을 나타냈으며, 미세구조 분석을 통해 NCM90의 비가역적 층상구조-스피넬구조 상전이가 억제됨을 확인하였다. 이러한 계면 및 구조적 안정화 효과는 균일한 리튬 도금 거동과 향상된 흡/탈착 가역 성능으로 이어 졌다. 결과적으로 FPB와 같은 보론 기반 분자 첨가제는 계면 제어 및 구조 안정화에 효과적 인 전략으로 작용하며, 전기화학 성능을 유의미하게 향상시킨다. FPB 첨가 전해질은 200 사이클 후 84%의 용량 유지율과 최대 5 C 조건에서 우수한 고율 성능을 달성하여 높은 에너지 효율과 뛰어난 장기 안정성을 입증하였다.