电解液：为电池安全“保驾护航”

电池在生活中无处不在，特别是锂电池被广泛使用，并迅速渗透到汽车、储能、航空航天和军事工业领域。因此，各国都将提高动力电池的性能列为研究热点之一。

据国外媒体报道，美国研究人员在英国最新一期《自然纳米技术》上发表了一篇论文，称使用高度氟化的电解液可以大大提高电池的存储容量和耐用性，并可能促进未来电动汽车行业的进一步发展。从这个角度来看，电解液在电池研发过程中起着非常重要的作用。那么，今天开发电解质的挑战在哪里，途径在哪里，科学家们近年来创造性地获得了哪些性能良好的电解质？带着这个问题，记者采访了清华大学深圳研究生院能源与环境系副研究员、从事电化学储能材料和器件研究多年的何闫冰博士。

潜在的安全风险成为发展的主要挑战

“电解质被称为锂离子电池的‘血液’，在电池充电和放电过程中负责离子传输，发挥着不可替代的作用。它通常由高纯度有机溶剂、电解质锂盐(六氟磷酸锂等)组成。)、添加剂和其他原材料何闫冰告诉记者。

以锂离子电池为例，电解液是四种关键材料(正极、负极、隔膜、电解液)之一，在电池的正极和负极之间起到传导锂离子的作用，换句话说，电池在没有运输的情况下不能充放电。闫冰指出，目前使用的电解质是一种易燃系统。粘度越小，离子传输能力越强，离子导电能力越高。锂电池负极表面有一层薄薄的保护层——固体电解质界面膜，它对负极的循环稳定性非常重要，对电池的安全性有很大影响。电解液的组成决定了SEI膜的性能，对电池的循环稳定性和安全性有重要影响。

何闫冰表示，研究人员正在努力提高动力电池的高能量密度和快速充电速度，但在追求这两个指标的过程中，会给电池循环系统带来安全隐患，这也是开发电池电解液的挑战。

这一挑战主要表现在两个方面。一种是通过增加电池电压来增加电池的能量密度。如果电池电量从4.2伏增加到4.5伏甚至更高，电解液的耐高压性就不合适，它会被氧化和分解，释放的热量会提高电池温度并产生大量气体。然而，在高温下，一旦负电极表面上的SEI膜分解和破坏，暴露的负电极与电解质发生放热反应，电池的温度将进一步升高，导致电解质与正电极材料和粘合剂发生热反应，这可能导致电池爆炸。

第二，电池在快速充电过程中会产生热量。当锂离子从正极转移到负极时，负极会慢慢吸收，因此锂离子不能像一群人被卡在门里一样快速地插入石墨负极。锂沉淀后，会沉积在SEI膜表面，形成锂金属，甚至损坏负极外表面的SEI膜。

高度氟化只是为了增加阻燃性

何闫冰指出，耐高压电解液、阻燃电解液、低温电解液的开发和SEI膜的优化是目前电池电解液的重要研究方向。

使用易燃有机电解质的锂离子电池已经限制了锂二次电池(也称为可充电电池或蓄电池)向电动车辆和大规模能量存储的发展。近日，武汉大学化学与分子科学学院和西北太平洋国家实验室的曹教授团队联合发表了不燃性磷酸盐电解质在锂离子电池中的应用研究成果。何闫冰解释说:“本研究中，建议不在电解液中添加阻燃剂，而是直接使用不燃溶剂磷酸三乙酯，这样可以保证电池优异的电化学和安全性能。”

然而，马里兰大学、陆军研究实验室和国家氩实验室等机构已经用化学性质极不稳定的锂金属作为负极制备了一种电池。使用高氟电解液，电池可以充放电多达一千次，其储电容量只下降到原来的93%。

何闫冰告诉记者，高氟电解液除了提高阻燃性外，还优化了SEI膜，消除了电解液的腐蚀，提高了电池的安全性，延长了使用寿命。该电池可以保证纯电动汽车安全稳定的行驶里程更长。

固体电解质需要突破的关键问题

业内人士比较，“找到合适比例的电解液有点像抓中药，就像针对不同的体质和疾病开不同的药方，电解液的配方需要根据锂电池的正负极材料、电池形状和电池性能最终确定。”

事实上，电池电解液研究中的一个重要环节是测试电池中新电解液的安全系数，这需要进行各种实验，如热冲击、针刺、短路、过充电、过放电等。例如，在热冲击试验中，电池储存在温度为120-150℃的热冲击箱中，以查看电池是否因温度变化和电池失控而易燃或易爆。一些研究必须在实验室测试各种电池的“爆炸”，以检查电池的安全性。

“未来的研究方向是用固体电解质代替传统的有机液体电解质。全固态锂离子电池有望从根本上解决电池安全问题，成为电动汽车和大规模储能的理想电源。然而，在一些关键问题上取得突破还需要一些时间。”他闫冰强调。

值得一提的是，希宁新能源有限公司董事陈鹏在接受《科学日报》采访时表示，该公司与日本京都大学联合开发了一种陶瓷硫化物电解质，并生产出一种综合性能远优于传统锂电池的新型固态电池，即将投入商业生产。