電解液是鋰離子電池四大關鍵材料（正極、負極、隔膜、電解液）之一，號稱鋰離子電池的“血液”，在電池中正負極之間起到傳導電子的作用，是鋰離子電池獲得高電壓、高比能等優(yōu)點的保證。電解液一般由高純度的有機溶劑、電解質鋰鹽（六氟磷酸鋰，LiFL6）、必要的添加劑等原料，在一定條件下，按一定比例配制而成的。
(來源：新能源時代微信公眾號；ID：XNY_shidai 作者：湯帥falcon）
有機溶劑是電解液的主體部分，與電解液的性能密切相關，一般用高介電常數(shù)溶劑與低粘度溶劑混合使用；常用電解質鋰鹽有高氯酸鋰、六氟磷酸鋰、四氟硼酸鋰等，但從成本、安全性等多方面考慮，六氟磷酸鋰是商業(yè)化鋰離子電池采用的主要電解質；添加劑的使用尚未商品化，但一直是有機電解液的研究熱點之一。
自1991年鋰離子電池電解液開發(fā)成功，鋰離子電池很快進入了筆記本電腦、手機等電子信息產(chǎn)品市場，并且逐步占據(jù)主導地位。目前鋰離子電池電解液產(chǎn)品技術也正處于進一步發(fā)展中。在鋰離子電池電解液研究和生產(chǎn)方面，國際上從事鋰離子電池專用電解液的研制與開發(fā)的公司主要集中在日本、德國、韓國、美國、加拿大等國，以日本的電解液發(fā)展最快，市場份額最大。
國內常用電解液體系有EC+DMC、EC+DEC、EC+DMC+EMC、EC+DMC+DEC等。不同的電解液的使用條件不同，與電池正負極的相容性不同，分解電壓也不同。電解液組成為lmol/L LiPF6/EC+DMC+DEC+EMC，在性能上比普通電解液有更好的循環(huán)壽命、低溫性能和安全性能，能有效減少氣體產(chǎn)生，防止電池鼓脹。EC/DEC、EC/DMC電解液體系的分解電壓分別是4.25V、5.10V。據(jù)Bellcore研究，LiPF6/EC+DMC與碳負極有良好的相容性，例如在LixC6/LiMnO4電池中，以LiPF6/EC+DMC為電解液，室溫下可穩(wěn)定到4.9V，55℃可穩(wěn)定到4.8V，其液相區(qū)為-20℃～130℃，突出優(yōu)點是使用溫度范圍廣，與碳負極的相容性好，安全指數(shù)高，有好的循環(huán)壽命與放電特性。
二、電解液組成
2.1 有機溶劑
有機溶劑是電解液的主體部分，電解液的性能與溶劑的性能密切相關。鋰離子電池電解液中常用的溶劑有碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)等，一般不使用碳酸丙烯酯(PC)、乙二醇二甲醚(DME)等主要用于鋰一次電池的溶劑。PC用于二次電池，與鋰離子電池的石墨負極相容性很差，充放電過程中，PC在石墨負極表面發(fā)生分解，同時引起石墨層的剝落，造成電池的循環(huán)性能下降。但在EC或EC+DMC復合電解液中能建立起穩(wěn)定的SEI膜。通常認為，EC與一種鏈狀碳酸酯的混合溶劑是鋰離子電池優(yōu)良的電解液，如EC+DMC、EC+DEC等。相同的電解質鋰鹽，如LiPF6或者LiC104，PC+DME體系對于中間相炭微球C-MCMB材料總是表現(xiàn)出最差的充放電性能(相對于EC+DEC、EC+DMC體系)。但并不絕對，當PC與相關的添加劑用于鋰離子電池，有利于提高電池的低溫性能。
有機溶劑在使用前必須嚴格控制質量，如要求純度在99.9%以上，水分含量必須達到10*l0 -6以下。溶劑的純度與穩(wěn)定電壓之間有密切聯(lián)系純度達標的有機溶劑的氧化電位在5V左右，有機溶劑的氧化電位對于研究防止電池過充、安全性有很大意義回。嚴格控制有機溶劑的水分，對于配制合格電解液有著決定性影響。水分降至10*l0-6之下，能降低LiPF6的分解、減緩SEI膜的分解、防止氣漲等。利用分子篩吸附、常壓或減壓精餾、通入惰性氣體的方法，可以使水分含量達到要求。
2.2 電解質鋰鹽
LiPF6是最常用的電解質鋰鹽，是未來鋰鹽發(fā)展的方向。盡管實驗室里也有用LiClO4,、LiAsF6等作電解質，但因為使用LiC104 的電池高溫性能不好，再加之LiCl04本身受撞擊容易爆炸，又是一種強氧化劑，用于電池中安全性不好，不適合鋰離子電池的工業(yè)化大規(guī)模使用。
LiPF對負極穩(wěn)定，放電容量大,電導率高,內阻小,充放電速度快，但對水分和HF酸極其敏感，易于發(fā)生反應，只能在干燥氣氛中操作(如環(huán)境水分小于20x10 的手套箱內)，且不耐高溫，80℃～IO0℃發(fā)生分解反應，生成五氟化磷和氟化鋰，提純困難，因此配制電解液時應控制LiPF6溶解放熱導致的自分解及溶劑的熱分解。國內生產(chǎn)的LiPF百分含量一般能夠達標，但是HF酸含量太高，無法直接用于配制電解液，須經(jīng)提純。過去LiPF 依賴進口，但現(xiàn)在國內有一些廠家也能提供質量好的產(chǎn)品，如汕頭市金光高科有限公司、天津化工設計研究院、山東肥城市興泰化工廠等。國外生產(chǎn)的LiPF 質量較好，配制成電解液，水分和HF酸含量穩(wěn)定,電解液不會變粘發(fā)紅。
2.3 添加劑
添加劑的種類繁多，不同的鋰離子電池生產(chǎn)廠家對電池的用途、性能要求不一，所選擇的添加劑的側重點也存在差異。一般來說，所用的添加劑主要有三方面的作用：
(1)改善SEI膜的性能
在鋰離子電池電解液中加入苯甲醚或其鹵代衍生物，能夠改善電池的循環(huán)性能，減少電池的不可逆容量損失。黃文煌對其機理做了研究，發(fā)現(xiàn)苯甲醚與溶劑的還原產(chǎn)物發(fā)生反應，生成的LiOCH，利于電極表面形成高效穩(wěn)定的SEI膜，從而改善電池的循環(huán)性能。電池的放電平臺能夠衡量電池在3.6V以上所能釋放的能量，一定程度上反映電池的大電流放電特性。在實際操作中，我們發(fā)現(xiàn)，向電解液中加入苯甲醚，能夠延長電池的放電平臺，提高電池的放電容量。
(2)降低電解液中的微量水和HF酸
如前所述，鋰離子電池對電解液中的水和酸要求非常嚴格。碳化二亞胺類化合物能阻止LiPF6水解成酸，另外，一些金屬氧化物如Al2O3，、MgO、BaO、Li2CO3、CaCO3等被用來清除HF，但是相對于LiPF6的水解而言除酸速度太慢，而且難于濾除干凈。
(3)防止過充電、過放電
電池生產(chǎn)廠家對電池耐過充放性能的要求非常迫切。傳統(tǒng)防過充電通過電池內部的保護電路，現(xiàn)在希望向電解液中加入添加劑，如咪唑鈉圈、聯(lián)苯類、咔唑類等化合物陰，該類化合物正處于研究階段。
三、鋰離子電池電解液種類
3.1 液體電解液
電解質的選用對鋰離子電池的性能影響非常大，它必須是化學穩(wěn)定性能好尤其是在較高的電位下和較高溫度環(huán)境中不易發(fā)生分解，具有較高的離子導電率(> 10-3 S/cm) ，而且對陰陽極材料必須是惰性的、不能侵腐它們。由于鋰離子電池充放電電位較高而且陽極材料嵌有化學活性較大的鋰，所以電解質必須采用有機化合物而不能含有水。但有機物離子導電率都不好，所以要在有機溶劑中加入可溶解的導電鹽以提高離子導電率。目前鋰離子電池主要是用液態(tài)電解質，其溶劑為無水有機物如EC、PC、DMC、DEC，多數(shù)采用混合溶劑，如EC/DMC 和PC/DMC 等。導電鹽有LiClO 4、LiPF6、LiBF6、LiAsF6等,它們導電率大小依次為LiAsF6> LiPF6>LiClO 4>LiBF6。LiClO4因具有較高的氧化性容易出現(xiàn)爆炸等安全性問題，一般只局限于實驗研究中；LiAsF6離子導電率較高易純化且穩(wěn)定性較好，但含有有毒的As，使用受到限制；LiBF6化學及熱穩(wěn)定性不好且導電率不高，雖然LiPF6會發(fā)生分解反應，但具有較高的離子導電率，因此目前鋰離子電池基本上是使用L iPF6。目前商用鋰離子電池所用的電解液大部分采用LiPF6 的EC/DMC，它具有較高的離子導電率與較好的電化學穩(wěn)定性。
3.2 固體電解液
用金屬鋰直接用作陽極材料具有很高的可逆容量，其理論容量高達3862mAh·g-1，是石墨材料的十幾倍，價格也較低，被看作新一代鋰離子電池最有吸引力的陽極材料，但會產(chǎn)生枝晶鋰。采用固體電解質作為離子的傳導可抑制枝晶鋰的生長，使得金屬鋰用作陽極材料成為可能。此外使用固體電解質可避免液態(tài)電解液漏液的缺點，還可把電池做成更薄(厚度僅為0.1mm )、能量密度更高、體積更小的高能電池。破壞性實驗表明固態(tài)鋰離子電池使用安全性能很高，經(jīng)釘穿、加熱( 200℃)、短路和過充(600%) 等破壞性實驗，液態(tài)電解質鋰離子電池會發(fā)生漏液、爆炸等安全性問題，而固態(tài)電池除內溫略有升高外(<20℃)并無任何其它安全性問題出現(xiàn)。固體聚合物電解質具有良好的柔韌性、成膜性、穩(wěn)定性、成本低等特點，既可作為正負電極間隔膜用又可作為傳遞離子的電解質用。
固體聚合物電解質一般可分為干形固體聚合物電解質(SPE)和凝膠聚合物電解質(GPE)。SPE 固體聚合物電解質主要還是基于聚氧化乙烯(PEO)，其缺點是離子導電率較低，在100℃下只能達到10-40cm。在SPE 中離子傳導主要是發(fā)生在無定形區(qū)，借助聚合物鏈的移動進行傳遞遷移。PEO容易結晶是由于其分子鏈的高規(guī)整性，而晶形化會降低離子導電率。因此要想提高離子導電率一方面可通過降低聚合物的結晶度，提高鏈的可移動性，另一方面可通過提高導電鹽在聚合物中的溶解度。利用接枝、嵌段、交聯(lián)、共聚等手段來破壞高聚物的結晶性能，可明顯地提高其離子導電率。此外加入無機復合鹽也能提高離子導電率。在固體聚合物電解質中加入高介電常數(shù)低相對分子質量的液態(tài)有機溶劑如PC 則可大大提高導電鹽的溶解度，所構成的電解質即為GPE 凝膠聚合物電解質，它在室溫下具有很高的離子導電率，但在使用過程中會發(fā)生析液而失效。凝膠聚合物鋰離子電池已經(jīng)商品化。
四、鋰離子電池電解液具備條件
鋰離子電池采用的電解液是在有機溶劑中溶有電解質鋰鹽的離子型導體。一般作為實用鋰離子電池的有機電解液應該具備以下性能：
(1)離子電導率高，一般應達到10-3～2*10-3S/cm；鋰離子遷移數(shù)應接近于1；
(2)電化學穩(wěn)定的電位范圍寬；必須有0～5V的電化學穩(wěn)定窗口；
(3)熱穩(wěn)定好，使用溫度范圍寬；
(4)化學性能穩(wěn)定，與電池內集流體和恬性物質不發(fā)生化學反應；
(5)安全低毒，最好能夠生物降解。
適合的溶劑需其介電常數(shù)高，粘度小，常用的有烷基碳酸鹽如PC，EC等極性強，介電常數(shù)高，但粘度大，分子間作用力大，鋰離于在其中移動速度慢。而線性酯，如DMC(二甲基碳酸鹽)、DEC(二乙基碳酸鹽)等粘度低，但介電常數(shù)也低，因此，為獲得具有高離子導電性的溶液，一般都采用PC+DEC，EC+DMC等混合溶劑。這些有機溶劑有一些味道，但總體來說，都是能符合歐盟的RoHS, REACH要求的，是毒害性很小、環(huán)保有好性的材料。
目前開發(fā)的無機陰離子導電鹽主要有LiBF4,LiPF6,LiAsF6三大類，它們的電導率、熱穩(wěn)定性和耐氧化性次序如下：
電導率：LiAsF6≥LiPF6>LiClO4>LiBF4
熱穩(wěn)定性：LiAsF6>LiBF4>LiPF6
耐氧化性：LiAsF6≥LiPF6≥LiBF4>LiClO4
LiAsF6有非常高的電導率、穩(wěn)定性和電池充電放電率，但由于砷的毒性限制了它的應用。目前最常用的是LiPF6。
五、全球鋰離子電池電解液發(fā)展現(xiàn)狀
近年來，全球鋰離子電池電解液產(chǎn)業(yè)發(fā)展平穩(wěn)，市場主要集中于日本宇部公司和ECOPRO（韓國第一毛織城）公司，兩家公司大約占全球市場份額的50%。排在其后的企業(yè)依次為：三菱化學、富山化學、三井化學、岸田化學、張家港國泰榮華及其他企業(yè)。
國產(chǎn)電解液是從2002年進入市場逐步取代進口產(chǎn)品的，通過不斷改進和提高，產(chǎn)品質量已達到國際先進水平。目前國內電池生產(chǎn)商電解液配套已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，只有少部分使用進口電解液。
國內生產(chǎn)電解液的主要單位有江蘇國泰（002091）旗下國泰榮華、天津金牛、東莞杉杉、汕頭金光、珠海賽緯電子、廣州天賜、北京創(chuàng)亞化工公司等10余家。年生產(chǎn)能力都在千噸級以上，涉及高、中、低端各個市場，可滿足我國鋰離子電池生產(chǎn)的需要，并有部分出口。
原標題:干貨 | 淺談鋰離子電池電解液
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