电解液对锂离子电池工作温度范围的影响

本文主要来源为学堂在线《锂离子电池材料与技术》学习笔记

电解液在锂离子电池电芯（根据百度百科理解：电芯相比于电池没有保护电路和外壳）成本中占比6-15%，在锂离子电池四大主材（包括正极材料、负极材料、电解液、隔膜）中占比相对较低。   但电解液作为电池中锂离子传输的载体，对电池的工作温度范围、容量和首效、内阻、循环与存储寿命、安全性指标均有影响。    

1、电解液对锂离子电池工作温度范围的影响：   当锂离子电池工作温度过低，活性材料电极反应（个人理解：指电池充放电时电极有关脱嵌锂的反应）速率降低，电解液溶剂粘度增大，离子扩散与传输速度降低，进而影响锂离子电池容量、内阻、功率等特性。

  当锂离子电池工作温度过高，电极片电化学反应活性增加，电极片与电解液交互作用增强，副反应加剧。尤其当正极处于脱离状态下，过渡金属元素（个人理解：如磷酸铁锂中的铁）具有较高的氧化态，对部分溶剂（电解液的组成成分之一）的氧化反应增强，导致电池出现产气（个人理解：电池内部产生气体）或循环过程容量衰减过快等现象。  

虚线红框中的元素为过渡金属元素，图片来源：百度百科   目前，商业化锂离子电池中的电解液，工作温度范围通常处于-10~45℃之间，极限条件下工作温度范围可拓展为-20~60℃。   拓展锂离子电池工作温度范围的方式： （1）提高电解液液态温度范围 （2）提高电解液低温时离子电导率 （3）改善电解液低温粘度 （4）提高高温下电解液溶剂稳定性  

图片来源：学堂在线《锂离子电池材料与技术》  

  2、电解液对锂离子电池容量和首次库仑效率会产生一定程度的影响：   （首次库仑效率：电池首次充放电过程中，放电电量与充电电量的比值，该值可被认为是电池生命周期中放电电量与充电电量比值的最大值。）   锂离子电池首次充电过程中，电解液中的部分溶剂和锂盐会在负极片表面发生还原反应形成SEI膜（可让锂离子通过，不让电子通过的膜）。

  上述还原反应是不可逆过程。通常形成的SEI膜越厚，反应消耗的电解液越多，首次放电容量越低且首次库仑效率越低。该不可逆过程也可以被描述为：当电极片表面发生钝化产生SEI膜时，一定程度上会导致界面阻抗增大，对正负极片锂的脱嵌产生负面影响，进而降低锂离子电池的容量与首次库仑效率。    

3、电解液对锂离子电池内阻的影响：   锂离子电池内阻是指电流通过锂离子电池时，所受到的阻力。锂离子电池内阻主要包括：欧姆阻抗、电荷转移阻抗、界面阻抗。  

图片来源：学堂在线《锂离子电池材料与技术》   欧姆阻抗主要来源于电解液、隔膜、电极片、集流体（电极片表面包裹的金属箔）等。因为电解液具有电子绝缘性，所以电解液的内阻大于电极片和集流体等的电阻，电解液内阻是锂离子电池中不可忽视的一部分。  

电荷转移阻抗是指在电极片与电解液界面的电荷传递阻抗。锂离子传递时，在界面转移的阻力越大，电荷转移阻抗越大。通常降低电解液体系粘度、改善电解液与电极片的浸润性，可以有效降低电荷转移阻抗。

  界面阻抗，即电极片与电解液界面阻抗，较大程度上受到正负极片界面形成的钝化膜（个人理解：SEI膜）影响。如果电解液与电极片界面副反应较多、成膜较厚。通常会导致界面阻抗增大。    

4、电解液的成分会影响锂离子电池的循环与存储寿命：   一方面，提升电解液化学稳定性和电化学稳定性，降低在高温下或高电压下与氧化性较强的正极片副反应，可以有效改善锂离子电池循环与存储寿命。   另一方面，在电解液中加入合适的添加剂，在负极表面形成稳定的SEI膜，也可以稳定电解液与电极片界面环境，改善锂离子电池的循环寿命。  

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    5、电解液会影响锂离子电池的安全性：   商业化锂离子电池有机溶剂（电解液的组成部分）具有挥发性和可燃性，给电池安全性带来隐患。课程介绍的解决方案如下：   （1）通过电解液可燃性的抑制方式：一般通过开发并加入阻燃添加剂，可以降低有机溶剂的可燃性。   （2）开发安全性更高或不具有可燃性的电解液（质）体系，可消除溶剂可燃性的根源。  

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（3）在高温或高压状态下，通过正极材料添加剂，有效稳定材料中高氧化性的过渡金属，减少极片同电解液的副反应，降低热失效的可能性。   （4）过充状态下，可以通过加入氧化还原穿梭添加剂，可有效消耗多余电荷；或通过加入部分聚合添加剂（根据相关论文理解：添加后，在过充状态下，聚合添加剂转化为离子，并在正负极间形成导电桥，降低电势）和产气添加剂，协助电池形成断路（根据论文理解：形成断路是产气添加剂的原理，不是聚合添加剂的原理），阻隔电池电压进一步提高，改善电池过充状态下的安全性。  

编辑：黄飞