锂电池电解液发展的五大趋势

电解液一般由电解质锂盐和高纯度有机溶剂组成，是锂离子迁移和电荷转移的载体。从作用上看，电解液是影响锂电池高电压、高比能量等性能的关键材料。近年来，随着锂电池在新能源汽车、储能等应用领域的市场需求不断增长，我国电解液的产量也在不断增加。

但与此同时，锂电池新技术、新工艺的不断发展迭代，也对电解液在高镍、高电压、高比能、高安全性等方面的升级适用性提出了更高的要求。

例如，高镍正极材料已成为当前高能量密度锂电池的主流技术路线。随着镍比重的增加和硅碳正极的使用，给电解液的研发和生产带来了新的挑战。

高压

近年来，逐步开发出锰酸镍锂、层状富锂锰基材料等新型高压正极材料，其放电电压可达5V以上，但仍未实现商业化应用。最重要的原因是目前商用电解液的工作电压无法匹配。

目前对电解质的研究主要以LiPF6为锂盐，单一或混合碳酸酯类溶剂为主要溶剂，主要有EC、DMC、EMC、DEC和PC等。当工作电压 > 4.3 V 时，常规电解质通常会分解，这是由于常见的有机碳酸酯溶剂，如链状碳酸酯 DMC、EMC、DEC 和环状碳酸酯 PC、EC 等在高电压下不稳定。

 

目前，更多的研究是通过使用高压材料来提高电解液的工作电压，包括使用高压溶剂、高压添加剂和高浓度锂盐电解液。

高压溶剂主要有氟代溶剂、砜类溶剂、腈类溶剂、离子液体等。与高压溶剂相比，高压助剂以用量少、效果明显、成本低等优点更受青睐，目前，主要有硼添加剂、苯衍生物和杂环添加剂、亚磷酸酯添加剂等。

此外，乙醚、硫磺、有机硅、离子液体等助剂也得到广泛研究和应用。高浓度锂盐电解质是锂盐浓度在3mol/L以上的电解质。这些电解液具有优异的抗氧化/还原性，可以防止铝集流体腐蚀，具有高的电池倍率性能。

商业化应用程度最高的锂盐是LiPF6，在微量水存在或高温下易分解生成HF，破坏电极结构，无法满足高电压、高安全性电解液的要求，并且需要进行修改，而新的锂盐如双（氟氨基甲基）亚胺锂（LiFSI）和双（三氟甲磺酰基）亚胺锂（LiTFSI）由于其良好的热稳定性和对水分的不敏感性而备受关注。

大功率

对于动力电池来说，实现快充也是电解液发展的重要方向。锂离子电池高倍率电解液主要研究了2个方面的性能：一是SEI膜在高倍率充电下电荷迁移阻抗增加，充电时电极极化增加；再次，在高倍率充电条件下，锂离子电池在恒流充电后期容易析出锂，导致SEI膜状态恶化，电池性能下降。

因此，首先，通过添加针对高倍率充放电优化的锂盐，可以在一定程度上提高电池的高功率性能。其次，通过添加高功率性能添加剂，提高电池的高功率性能，通过添加比EC效果更好的成膜添加剂降低高倍率充放电下电极界面的电荷转移阻抗，或者添加锂盐沉积在高倍率充电过程中防止锂支链晶体生长的改进剂。

 

宽温度范围

多个应用场景既体现了锂电池的优势，也体现了其发展的动力。在电动汽车、便携式电子设备等应用场景中，锂电池只需满足15~35℃的工作温度即可。但在一些特殊的应用场景中，锂电池需要在15~35℃的温度下工作。但在一些特殊的应用场景中，锂电池需要突破这个温度范围。

工作温度过低会减慢锂离子电池内电化学反应的动力学过程。由于电解质粘度的增加、电解质盐溶解度的降低以及 Li+ 去溶剂化能垒的增加，电荷从电解质和电极材料内的离子扩散到电极-电解质界面的电荷转移速率在充电的每个阶段都显着降低在低温下转移，这会导致电池极化增加，容量下降，甚至操作困难。

此外，过低的工作温度可能会改变电化学反应路径，例如在低温下，本应嵌在石墨正极层中的Li+可能会在石墨正极表面被还原，形成枝晶，危及电池的安全性。而在高温运行环境下，锂电池的主要挑战来自过度的副反应，因为电解质/电极界面的稳定性下降，电极和电解质的副反应无法避免。

此外，过高的工作温度对电极材料的热稳定性具有挑战性。已经有相当多的研究报道了用于具有宽工作温度范围的锂电池的电解质材料。

尽管固体电解质在高温下具有优势，但使用固体电解质需要对现有的电池生产系统进行革命并带来额外的成本，因此现阶段更可行的解决方案是优化液体电解质的成分作为解决高温和低温电池面临的问题。

目前，宽温电解液的优化主要集中在提高电解液的沸点和闪点，降低电解液的凝固点和粘度，提高电解液/电极界面的稳定性等方面。

 

智能安全

当锂电池系统局部温度升高时，电池内部反应失控，进一步导致隔膜热收缩导致内部短路，释放更多热量，最终导致锂电池完全热失控。热响应聚合物电解质的作用机制主要基于相变原理，即从疏水到亲水的可逆相变。

当温度升高超过临界值时，聚合物分子构象发生可逆变化。这种构象变化导致聚合物本身的离子电导率下降，锂电池的电荷转移阻抗增加，从而防止了热失控的发生。当温度降低时，热敏聚合物可以重新溶解在电解质中以恢复其离子电导率。

离子液体中，聚环氧乙烷（PEO）、聚甲基丙烯酸苄酯（PBMA）、聚甲基丙烯酸正丁酯等热响应性聚合物的临界溶解温度都在80~200℃之间，完全覆盖了锂电池的热失控温度，可以用于锂电池。

周期长

由于锂电池尤其是动力电池的回收利用还存在较大的技术难点，提高电池的循环寿命是缓解这一局面的一个途径。科学家们提出了一种自净电解液，将1.6M双（氟磺酰基）亚胺盐锂（LiFSI）溶解在功能性腈类溶剂3-（三乙氧基甲硅烷基）丙腈（TEOSCN）中，电解液中的TEOSCN可以有效去除活性有害物质电解质，其中 FSI- 虽然浓度较低，但仍可在石墨和富镍正极中形成较低的界面阻抗。

这种自净化电解质实现了 MCMB||NMC811 全电池的长期稳定循环，在 25°C 下循环 1000 次后容量保持率为 91%，在 60°C 下循环 500 次后容量保持率为 81%。即使电解液暴露在空气中1小时后，电解液仍能维持MCMB||NMC811全电池的稳定循环，大大简化了生产工艺和锂离子电池价格。