1、 锂离子电池电解液基本要求

　　锂离子电池使用的电解液应满足以下基本要求，这是衡量电解液性能必须考虑的因素，也是实现锂离子电池高性能、低内阻、低价格、长寿命和安全的重要前提。

　　2、 锂离子电池电解液的分类

　　根据电解液的存在状态，锂电池电解液可分为液体电解液、固体电解液和固液复合电解液。液体电解质包括有机液体电解质和室温离子液体电解质。固体电解质包括固体聚合物电解质和无机固体电解质。固液复合电解质是由固体聚合物和液体电解质组成的凝胶电解质。参见图2。

　　表1比较了不同电解质体系的基本性能。可以看出，不同种类的锂离子电池电解液各有优缺点。

　　1.有机液体电解质

　　在极性非质子有机溶剂中溶解锂盐电解液得到的电解液具有良好的电化学稳定性、低冰点和高沸点，可在较宽的温度范围内使用。然而，有机溶剂具有低介电常数、高粘度、溶解无机盐电解质的能力差、低电导率，并且对痕量水特别敏感。有机液态锂电池容易泄漏。产品必须使用坚固的金属外壳。型号和尺寸固定，缺乏灵活性。有机溶剂的易燃性导致安全性差。电池的保护措施必须非常完善。

　　2.室温离子液体电解质

　　由特定阳离子和阴离子组成的功能材料或介质在室温或接近室温时为液态，具有导电性高、蒸汽压低、液路宽、化学和电化学稳定性好、无污染、易于回收等突出优点。采用室温熔盐作为锂离子电池电解液，提高了电池在高功率密度下的安全性，彻底消除了电池的安全隐患，使锂离子电池在电动汽车等大功率系统或其他特殊条件下的应用成为可能。

　　3.固体聚合物电解质

　　它具有不可燃、与电极材料反应活性低、柔性好等优点。它可以克服液体锂离子电池的上述缺点，允许电极材料在放电过程中体积变化，比液体电解质更耐冲击、振动和变形，易于加工和成型。电池可以根据不同的需要制成不同的形状。

　　4.凝胶电解质

　　将聚合物和液体增塑剂(如PC)引入到聚合物基体中以获得液体-电解质复合物。这种由聚合物、锂盐和极性有机溶剂组成的三元电解质具有固体电解质和液体电解质的特性。

　　5.无机固体电解质

　　具有高离子导电性的固体材料。所有固态锂离子电池的无机固体电解质分为玻璃电解质和陶瓷电解质。固体电解质不仅可以作为电解质，还可以替代电池中的隔膜。因此，所有用无机固体电解质制备的固态锂电池都不必担心液体泄漏，电池可以向小型化和小型化发展。虽然锂离子在这些材料中的迁移量很大，但电解质本身的电导率远小于液体电解质。当这些材料用于锂离子电池时，这些材料和电材料之间的界面阻抗很高。此外，无机固体电解质易碎，作为电解质的锂离子电池抗震性能较差。

　　3、 电解液对电池性能的影响

　　锂离子电池电解液对电池宏观电化学性能的影响包括以下几个方面：

　　1.对电池容量的影响

　　电极结构和电解质插层率的变化是锂电极可逆过程的前提，但它对锂电极和电解质插层材料的过程也有很大的影响。

　　在锂离子电池的工作过程中，除了锂离子插层和脱层过程中正负极的氧化还原反应外，还存在大量的副反应，如电解质在正负表面的氧化还原分解，电极活性物质的表面钝化，电极和电解质之间的高界面阻抗。这些因素在不同程度上影响电极材料的嵌锂和脱锂能力，因此，一些电解质体系可以使电极材料表现出优异的嵌锂和脱锂能力，而一些电解质体系对电极材料的破坏性很大。

　　2.对电池内阻和倍率充放电性能的影响

　　内阻是指电流通过蓄电池时的电阻。它包括电化学过程中电极的欧姆内阻和极化电阻。对于锂离子电池，还应包括电极/电解液之间的界面电阻。因此，欧姆内阻、电极/电解质界面电阻和极化内阻之和就是锂离子电池的总内阻。它是衡量化学电源性能的重要指标，直接影响电池的工作电压、工作电流、输出能量和功率。

　　电池的欧姆内阻主要来自电解液的导电性。此外，还应包括电极材料和隔膜的电阻。电解质部分的传导机制是离子传导，传导过程中的电阻通常比电子传导部分的电阻大得多。在锂离子电池中，电极与电解液之间的界面电阻具有重要意义。锂离子通过界面的电阻越大，电池的内阻就越高。通常，界面电阻明显高于欧姆内阻。

　　在锂离子电池中，锂离子的插层和分层是在电极和电解液之间的相界面上进行的。反应的难度，即电化学极化的程度，不仅与电极材料的性质有关，还与电解质与电极材料之间的界面、锂离子在电解质中的存在状态以及锂离子与电解质之间的相互作用有关。从这个意义上讲，电解液体系的性质也会在一定程度上影响电池的极化电阻。

　　倍率充放电性能是衡量锂离子电池在快速充放电条件下容量保持能力的重要指标。电池的速率充放电性能取决于锂离子在电极材料中的迁移率、电解质的导电性以及锂离子在电极/电解质界面上的迁移率。后两者与电解质的组成和性质密切相关。

　　3.对电池工作温度范围的影响

　　由于电极与电解液界面处电极反应的温度依赖性，在所有环境因素中，温度对电池性能的影响最为明显。即使在反应温度较低的情况下，电池的反应速率也会显著降低，甚至不能正常使用。当温度升高时，电极反应加剧，但电极/电解质界面的副反应也加剧。这些副反应通常对电池非常有害，并影响电池的性能。因此，电池的最佳工作温度应为最有利于电极反应且无明显副反应的温度。液体锂离子电池的工作温度范围通常为-10-45℃;最低工作温度一般不低于-20℃，最高工作温度一般不超过60℃。

　　对于液体电解质锂离子电池，拓宽其工作温度范围的主要途径是拓宽电解质的液路，提高电解质的低温电导率和高温稳定性。对于固体电解质，为了拓宽其工作温度范围，必须设法提高电解质在室温甚至低温下的导电性，降低电解质与电极材料之间的界面阻抗。

　　4.对电池储存和循环寿命的影响

　　锂离子电池在长期贮存过程中的老化是影响电池贮存性能的关键。即使商用锂离子电池从未使用过，其存储寿命也只有3年左右。电池老化的原因有很多，其中电极集电极的腐蚀和电极活性物质从集电极上脱落导致的电化学活性丧失是主要原因，而电解液的性质与集电极的腐蚀和电极材料的稳定性密切相关。因此，电解液在很大程度上影响甚至决定了电池的储存寿命。

　　循环寿命是评价二次电池质量的重要指标。它通常通过电池容量降低到特定值时的循环次数来测量。影响锂离子电池循环寿命的因素很多，包括电极材料的稳定性、电解液的稳定性、充放电速率、充放电深度和温度。对于锂离子电池，除了正确使用和维护外，电池周期短的主要原因如下：

　　由于上述因素的影响，目前锂离子电池的正常使用寿命约为2-3年，而上述因素大多与电解液的性质有关。

　　5.对电池安全的影响

　　锂离子电池用晶格中的内部储锂机制取代了传统锂二次电池中金属锂的溶解和沉积，消除了负极表面树枝状锂的生长，降低了电池短路的几率，但这并不能从根本上消除电池的安全隐患。例如，液态锂离子电池在过充状态下，负极表面也会发生金属锂的沉积，而在高电位状态下，正极表面会出现电解液的氧化分解，电池内部会出现一系列不安全的副反应。此外，电池在大电流充放电情况下产生的大量热量不能及时损失，导致电池温度迅速升高，这也会给电池带来重大的安全问题。

　　虽然电极材料的稳定性、电解液的组成以及电池的制造工艺和使用条件是影响锂离子电池安全性的主要因素。然而，液态锂离子电池安全问题的根源仍然是有机液体电解质的挥发性和高可燃性。因此，对液态锂离子电池安全性的研究主要集中在电极材料与电解液的反应及其热效应上。这些研究加深了人们对锂离子电池中一系列放热反应和燃烧机理的理解。然而，为了从根本上消除电池的安全隐患，我们必须消除有机溶剂的易燃性，开发更安全的电解液系统或使用不可燃的电解液系统，尤其是对于大型和高功率密度的锂离子电池。

　　6.对电池自放电性能的影响

　　锂离子电池的自放电速率取决于电极材料的类型和结构、电极/电解液的界面性质、电解液的组成和电池的生产工艺。锂离子电池的自放电主要由以下几个方面引起：

　　此外，电解液中杂质的出现也是电池自放电的一个重要原因。这是因为杂质的氧化电位一般低于锂离子电池的正极电位，锂离子电池在正极表面容易氧化，其氧化物在负极上会减少，从而不断消耗正负极材料的活性物质，导致自放电。因此，锂离子电池对电解液的组成和纯度有很高的要求。

　　7.对蓄电池过充和过放电行为的影响

　　由于锂离子电池正常工作时电解液不能提供防过充或过放电保护，电池的防过充和过放电能力很差。在一些实际应用条件下，当多个锂离子电池串联使用以获得更高的电压时，往往会出现明显的容量失配。当电池组充电时，单个电池总是会过度充电，放电时单个电池也会过度充电。一方面会对电池性能造成不可逆转的损害，影响电池组的使用寿命;同时也给电池带来了明显的安全隐患。

　　电解液的改性和改性是防止电池过充放电的重要途径。更多的研究是建立有机液体电解质内部过充放电保护机制。例如，当向电解液中加入氧化还原梭对时，物质在过充电条件下会在正极发生氧化反应，氧化剂会还原到负极表面，从而避免电池电压持续升高