新型高電壓電解液用于鋰電池的研究進展

摘要：隨著電動車和可再生能源儲存系統(tǒng)的快速發(fā)展，提高鋰電池能量密度、循環(huán)壽命以及安全性成為研究重點。新型高電壓電解液是提升鋰電池性能的重要材料，受到廣泛關(guān)注。介紹了新型高電壓電解液在鋰電池應(yīng)用中的進展，如氟化溶劑、腈類化合物、砜類化合物和離子液體等，探討了電解液配方優(yōu)化、與電極材料的匹配以及制備工藝改進等方面的研究成果，介紹了新型高電壓電解液在提升鋰電池性能、改善安全性以及環(huán)境友好性方面的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：鋰電池;高電壓電解液;氟化溶劑;腈類化合物鋰電池作為高效環(huán)保能源儲存裝置，在電動車、智能手機、無人機等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)鋰電池電解液在高壓環(huán)境下存在電化學(xué)穩(wěn)定性差、易引發(fā)熱失控等問題，限制了鋰電池能量密度的提升，因此開發(fā)新型高電壓電解液成為提高鋰電池性能的關(guān)鍵。新型高電壓電解液具有理想的電化學(xué)穩(wěn)定性，能提高鋰電池能量密度、循環(huán)使用壽命。目前氟化溶劑、腈類化合物、砜類化合物和離子液體等新型高電壓電解液的研究取得顯著進展。新型高電壓電解液具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，能與不同正極材料和負極材料良好相容，為鋰電池發(fā)展提供了新的方向。

1新型高電壓電解液研究的必要性

1.1提升鋰電池的能量密度

電動汽車、智能手機等機械與電子設(shè)備對能源儲存的需求不斷增長，提高鋰電池能量密度成為研究熱點。新型高電壓電解液正是滿足這一需求的關(guān)鍵。新型高電壓電解液能增加電池工作電壓，保障電池的能量密度。更高的工作電壓意味著在相同體積或質(zhì)量下，電池能儲存和釋放更多能量［1］。新型高電壓電解液還可優(yōu)化電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)，提高能量轉(zhuǎn)換效率，增加電池能量密度。

1.2增強鋰電池的循環(huán)壽命和安全性

循環(huán)壽命和安全性是鋰電池性能的重要指標。傳統(tǒng)電解液在高壓環(huán)境下容易分解，導(dǎo)致電池性能下降，產(chǎn)生安全隱患［2］。新型高電壓電解液具有更高的電化學(xué)穩(wěn)定性，可在高壓下保持穩(wěn)定性能，延長鋰電池循環(huán)壽命。新型高電壓電解液具有理想的熱穩(wěn)定性和阻燃性能，能有效降低電池在過充、過放、短路等異常情況下的熱失控風(fēng)險，提高電池安全性。

1.3優(yōu)化鋰電池的充電速度和倍率性能

新型高電壓電解液在優(yōu)化鋰電池充電速度和倍率性能方面具有顯著優(yōu)勢，能降低電池內(nèi)部電阻，提高離子傳輸效率，加快電池充電速度。提高電池倍率性能，使得電池在快速充放電過程中保持穩(wěn)定。

1.4改善鋰電池的環(huán)境友好性和成本效益

新型高電壓電解液在環(huán)境友好性和成本效益方面具有優(yōu)勢。新型高電壓電解液采用環(huán)保材料制成，如無毒無害的氟化溶劑、可回收的離子液體等，減少鋰電池生產(chǎn)中對環(huán)境的污染。新型高電壓電解液制作成本較低，降低了鋰電池的整體成本，強化了市場競爭力［3］。

1.5滿足市場需求和技術(shù)發(fā)展的要求

市場對高性能鋰電池的需求不斷增長，新型高電壓電解液研究成為推動鋰電池技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。優(yōu)化新型高電壓電解液配方制備工藝，可提升鋰電池能量密度、循環(huán)壽命、安全性等性能，滿足市場對高性能鋰電池的需求。新型高電壓電解液的研究推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，促進能源儲存技術(shù)持續(xù)進步。

2新型高電壓電解液的研究進展

2.1新型高電壓電解液的類型

2.1.1氟化溶劑

氟化溶劑因其出色的電化學(xué)穩(wěn)定性而備受關(guān)注。例如，氟代碳酸乙烯酯（FEC）有高達5.0 V以上電化學(xué)窗口，超過傳統(tǒng)碳酸酯類電解液電化學(xué)窗口（約4.5 V）。氟化溶劑使得FEC在更高電壓下穩(wěn)定運行，為鋰電池提供理想能量密度。并且具有較低黏度和較高電導(dǎo)率，可提高鋰電池功率密度［4］。

2.1.2腈類化合物

腈類化合物以其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和陽極穩(wěn)定性著稱。丙烯腈（AN）是常用腈類化合物，熱穩(wěn)定性高，可在高溫下保持穩(wěn)定性能。AN具有較高燃點，降低了鋰電池在異常情況下的熱失控風(fēng)險。AN與石墨負極相容性良好，在充放電過程中形成穩(wěn)定SEI膜，延長鋰電池循環(huán)使用壽命。

2.1.3砜類化合物

砜類化合物成本低廉，電化學(xué)性能良好。例如雙（三氟甲基磺酰）亞胺鋰（LiTFSI）是常用的砜類電解液添加劑，有良好熱穩(wěn)定性，在高溫和高壓下保持穩(wěn)定性能［5］，保證電解液電導(dǎo)率和離子傳輸效率符合使用要求。

2.1.4離子液體

離子液體是以獨特物理化學(xué)性質(zhì)而受到關(guān)注。離子液體具有極低揮發(fā)性、良好化學(xué)穩(wěn)定性。但離子液體制備成本較高，對水分和雜質(zhì)較為敏感，需在嚴格條件下制備使用。

4種新型高電壓電解液主要特性的數(shù)據(jù)如下：

（1） 氟化溶劑（FEC）：電化學(xué)窗口（V）5.0+，熱穩(wěn)定性（℃）高，電導(dǎo)率（mS/cm）10～15，成本（元/kg）中等；

（2） 腈類化合物（AN）：電化學(xué)窗口（V）4.5～5.0，熱穩(wěn)定性（℃）高，電導(dǎo)率（mS/cm）5～10，成本（元/kg）低；

（3） 砜類化合物（LiTFSI）：電化學(xué)窗口（V）4.0～4.5，熱穩(wěn)定性（℃）中等，電導(dǎo)率（mS/cm）15～20，成本（元/kg）低；

（4） 離子液體：電化學(xué)窗口（V）4.0～5.0，熱穩(wěn)定性（℃）高，電導(dǎo)率（mS/cm）1～5，成本（元/kg）低。

2.2新型高電壓電解液的性能優(yōu)化

2.2.1濃度優(yōu)化與電化學(xué)穩(wěn)定性

在新型高電壓電解液研究中，濃度優(yōu)化是提升電化學(xué)穩(wěn)定性的關(guān)鍵步驟。傳統(tǒng)電解液在低濃度下難以滿足高電壓下電化學(xué)穩(wěn)定性要求，增加電解液濃度可提高其耐氧化性能和耐還原性能，從而優(yōu)化電池工作電壓和能量密度。以碳酸乙烯酯（EC）和碳酸二甲酯（DMC）混合溶液為例，當(dāng)濃度從1 mol/L提升至3 mol/L時，電解液電化學(xué)窗口拓寬，耐氧化性提高。在3 mol/L濃度下，電解液的氧化電位提升至5.2 V以上，使電池可在更高電壓下穩(wěn)定運行，保障電池的能量密度，改善電池的循環(huán)使用壽命。

2.2.2添加劑的選擇與效果

添加劑在新型高電壓電解液中極為重要。選擇合適的添加劑可顯著改善電解液電化學(xué)性能。例如，碳酸亞乙烯酯（VC）可在正極表面形成穩(wěn)定保護膜，減少正極與電解液接觸，抑制電解液氧化反應(yīng)。添加1%VC后，電解液氧化電位從4.5 V提升至4.8 V，電池循環(huán)使用壽命得到延長。VC還可改善電池倍率性能和低溫性能，使得電池在快速充放電和低溫環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定。

2.2.3新型高電壓電解液的設(shè)計

除濃度優(yōu)化和添加劑選擇外，設(shè)計新型高電壓電解液是提升電池性能的重要途徑。砜類電解液和腈類電解液因其獨特性能受到關(guān)注。砜類電解液如雙（三氟甲基磺酰）亞胺鋰（LiTFSI）具有較高的熱穩(wěn)定性，可在高溫高壓下保持理想性能。使用LiTFSI作為電解液的鋰電池，在循環(huán)使用1 000次后容量保持率達75%。此外，LiTFSI具有較低的黏度和較高的電導(dǎo)率，可提高電池功率密度。腈類電解液如丙烯腈（AN）有理想燃點，在高溫情況下仍能保持穩(wěn)定。使用AN作為電解液的鋰電池在高溫下循環(huán)使用壽命達數(shù)百次，安全性較高。

2.2.4分子工程在電解液優(yōu)化中的應(yīng)用

分子工程是先進材料設(shè)計手段，在新型高電壓電解液性能優(yōu)化中發(fā)揮重要作用。精確控制分子結(jié)構(gòu)，可設(shè)計具有特定功能的電解液，滿足高電壓鋰電池需求。例如，研究人員結(jié)合分子內(nèi)雜交醚基團和碳酸酯基團，設(shè)計新型線性功能化溶劑雙（2甲氧基乙基）碳酸酯（BMC）。該電解液具有優(yōu)異的氧化/還原穩(wěn)定性，兼具溶解LiNO3的能力。

（1） 腈類高壓電解液的應(yīng)用：腈類高壓電解液研究取得突破。改進腈類電解液配方，可提升鋰電池充放電效率。向傳統(tǒng)腈類電解液中添加特定功能化添加劑，可增強電解液浸潤性，改善電解液與正負極材料界面相容性。

（2） 碳酸酯類高壓電解液的應(yīng)用：新型碳酸酯類電解液被開發(fā)出來，可在更高電壓下保持穩(wěn)定工作狀態(tài)。采用特殊溶劑和電解質(zhì)組合，優(yōu)化離子傳導(dǎo)性能，提高電解液耐氧化性。

（3） 離子液體電解液的應(yīng)用：離子液體電解液以其獨特的物理化學(xué)性質(zhì)和高溫穩(wěn)定性，在高溫和高電壓環(huán)境下使鋰電池應(yīng)用表現(xiàn)出色。例如，使用新型離子液體電解液，在高溫條件下（如60 ℃）進行長時間充放電測試，仍能保持優(yōu)良的充放電性能，循環(huán)壽命和容量保持率均優(yōu)于傳統(tǒng)有機電解液。

2.3新型高電壓電解液在鋰電池中的應(yīng)用優(yōu)勢

2.3.1提高能量密度

鋰電池能量密度與其工作電壓相關(guān)。傳統(tǒng)電解液受電化學(xué)窗口限制，使鋰電池工作電壓難以提升。新型高電壓電解液具有更寬的電化學(xué)窗口，可在高電壓下穩(wěn)定運行，提高鋰電池能量密度。新型高電壓電解液如氟代碳酸乙烯酯（FEC）和砜類電解液，比傳統(tǒng)電解液電化學(xué)窗口更寬，可在高電壓下工作而不會導(dǎo)致電解液分解。電壓提高，電池容量亦會相應(yīng)增加。新型高電壓電解液能增加電池容量，延長電池使用時間。

2.3.2安全性的顯著改善

新型高電壓電解液有較高的熱分解溫度（T_dec），在更高溫度下電解液才開始發(fā)生分解反應(yīng)，這可以通過特定添加劑或電解液成分改進實現(xiàn)。如當(dāng)電池內(nèi)部溫度升高時，新型電解液保持其化學(xué)穩(wěn)定性，防止因電解液分解導(dǎo)致熱失控。新型高電壓電解液通過優(yōu)化其熱擴散系數(shù)（α）增強熱穩(wěn)定性，熱擴散系數(shù)描述熱量在電解液中的擴散速率。設(shè)計較低熱擴散系數(shù)電解液，可減少電池內(nèi)部熱量積聚，降低熱失控風(fēng)險。新型高電壓電解液通過精心設(shè)計分子結(jié)構(gòu)，抵抗電池內(nèi)部產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)。例如，添加特定抗氧化劑或穩(wěn)定劑，減少電解液與電極材料之間的反應(yīng)，降低電池副反應(yīng)。

3結(jié)語

新型高電壓電解液研究取得了矚目進展。研究者嘗試新電解液配方、優(yōu)化電解液與電極材料界面反應(yīng)、探索新添加劑，成功解決傳統(tǒng)電解液在高壓下易分解、熱穩(wěn)定性差等問題，為鋰電池性能提升開辟新道路。未來新型高電壓電解液具備理想的能量密度、更長的循環(huán)壽命以及更寬的適用溫度范圍，將有助于推動電動汽車、智能電網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

參考文獻：

［1］孫昭宇，趙經(jīng)緯，劉軍.高比能鋰離子電池高電壓電解液的設(shè)計［J］.高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報，2023，44（5）：250263.

［2］任啟蒙，王青磊，李因文，等.鋰電池高電壓電解液［J］.化學(xué)進展，2023，35（7）：10771096.

［3］王雅婷，李健輝，葉海平，等.高電壓電解液添加劑在鈷酸鋰/石墨軟包電池中的作用機理［J］.廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2023，40（3）：7482.

［4］段佳寧，柳雅晴，范鏡敏，等.高電壓鋰金屬二次電池用離子型局部高濃電解液［J］.電池，2023，53（2）：119126.

［5］常海濤.電解液添加劑對高電壓LiCoO2/C電池電化學(xué)性能的影響［J］.電池工業(yè)，2023，27（5）：222227.