锂电池设计时如何选择电解液

在锂电池设计中，电解液的选择是决定电池能量密度、循环寿命、安全性和工作温度范围的核心因素之一。以下是电解液选择的关键考量、技术方案及前沿趋势：

1.先了解-电解液的核心功能

(1)能传到离子：作为锂离子(Li⁺)传输的介质，需具备高离子电导率(>1 mS/cm)以降低内阻。
(2)具有电化学稳定性：在正极高压(>4.3V vs. Li/Li⁺)和负极低压(接近0V)下不发生分解
(3)具有界面兼容性：
正极：抑制过渡金属溶解(如LMO、LFMO、NCM中的Mn²⁺溶出)。
负极:促进稳定SEI(固体电解质界面膜)的形成。
(4)安全性好：低可燃性、高闪点(>100℃)，抑制热失控。
(5)温度适应性：在-40℃至80℃范围内保持液态和离子传导能力。

2.继续熟悉-电解液的关键指标

(1) 化学兼容性

电解液由溶剂、锂盐和各种添加剂组成。
溶剂体系：
碳酸酯类（EC/DMC/EMC）：传统液态电解液，成本低但易燃。
氟代溶剂（FEC、FEMC）：提升高压/低温性能，但粘度高，同时成本高。
醚类（DOL/DME）：适用于锂硫电池，但易与锂金属反应。
锂盐选择：
LiPF₆:主流锂盐，但热稳定性差(分解温度~60℃)。
LiFSI/LiTFSI：高热稳定性（>200℃），但腐蚀铝集流体。
双盐体系（LiPF₆+LiBOB）：协同提升高压和SEI稳定性。

(2) 温度适应性

低温性能：需低粘度溶剂（如EMC）和低熔点添加剂（如乙酸乙酯）。
高温性能：通过氟代溶剂或固态电解质抑制挥发和分解。

(3) 安全性

阻燃添加剂：磷酸酯类（如TPP）、氟代磷酸盐（如DFP）。
热响应材料：温度敏感型聚合物（如聚N-异丙基丙烯酰胺）在过热时阻断离子传导。

(4) 成本

溶剂成本:EC(约3/kg)vs.氟代溶剂(约50/kg)。
锂盐成本:LiPF₆(约20/kg)vs.LiFSI(约100/kg)。

3.常见电解液类型及适用场景

4.特殊场景的电解液设计

对于高电压正极（>4.5V）

溶剂:氟代碳酸乙烯酯(FEC)+腈类(AN)。
添加剂:1,3-丙烷磺酸内酯(PS)抑制铝箔腐蚀

硅基负极

粘结剂协同：采用FEC+VC（碳酸亚乙烯酯）增强SEI韧性。
预锂化电解液：含Li₂S₆或LiNO₃补偿首次容量损失。

宽温域电池（-40~80℃）

低温配方：低粘度溶剂（EMC）+低熔点锂盐（LiTFSI）。
高温配方:氟代溶剂+陶瓷隔膜(如Al₂O₃涂层)

柔性/微型电池

凝胶电解质：PVDF-HFP/LiClO₄体系，兼具柔性和离子传导。

5.电解液选择的流程

（1）明确电池体系需求

正极电压（如NCM811需>4.3V兼容性）。
负极类型（石墨、硅基或锂金属）。
目标温度范围（如电动车需-30~60℃）。

（2）匹配电解液组分

高压体系→氟代溶剂+高浓度LiFSI。
快充需求→低粘度溶剂（PC/EC）+LiPF₆。
高安全性→添加5%阻燃剂（如TPP）或采用固态电解质。

（3）验证与优化

电化学测试：循环伏安法（CV）评估氧化/还原稳定性。
界面分析:XPS/SEM观察SEI/CEI成分及形貌。
热滥用测试:ARC(加速量热仪)评估热失控温度。

6.典型失效案例与对策

(1)产气问题：
原因：EC分解产生CO₂/H₂。
对策:添加VC(碳酸亚乙烯酯)或减少EC比例。
(2)铝箔腐蚀：
原因：LiFSI中的FSI⁻侵蚀铝。
对策：添加0.5% LiODFB或改用LiPF₆/LiFSI混合盐。
(3)低温失效：
原因：溶剂凝固导致离子电导骤降。
对策：引入低熔点共溶剂（如乙酸甲酯）。
电解液的选择，是电芯设计中的一个重要环节。需要通过系统平衡离子电导率、界面稳定性、安全性和成本，结合实验验证与仿真模拟，可定制适配特定电池体系的电解液方案。
在电池设计中，不同电解液对电池的性能影响很大，有时候起到关键性作用，也是较难选择的一个材料。不过有个好处，由于注液工序是在电池组装好之后才进行的，因此我们在验证不同类型的电解液时是挺方便的。不需要从匀浆开始，只需要准备做好一批干电芯就可以。
在锂电池制造企业，一般电解液的验证工作就是电芯开发工程师去做的，有时候因为验证的电池数量很少，就需要手动注液了。注液应该是锂电池制造企业中最伤身体的一个岗位了，毕竟电解液还是有毒性的。