浅析锂离子电池中的电解液
前几期我们集中介绍了锂离子电池中的电极材料，并提出在电池容量仍是动力电池发展的头号问题的前提下：正极材料要经历一个从磷酸铁锂到三元锂的材料路线变化，而负极材料要从碳材料逐步向更高容量的硅材料发展，只不过前者已经展现出不可逆转的行业趋势，而后者只是刚刚触碰了实用化的大门。而除了正极材料和负极材料外，任何一个电池都还需要有电解液才能正常工作，那么这一期开始就来谈谈锂离子电池中的电解液。
来源：中金公司
由动力电池的成本构成不难看出，电解液是电芯材料中非常重要的一部分，其成本比重甚至超过负极材料。而从功能原理上看，电解液电池中锂离子传输的媒介，连接着电池的正负极，起关键性的中枢通道作用，因而其需要有较高的离子电导率保证通道功能顺畅和极好的电子绝缘性以防止电荷“逆向行驶”的短路复合。
电解液的成分分为溶质、溶剂和添加剂三个部分，各部分常见的材料种类如下图所示。在这三个部分中溶质是电解液的核心，电解液功能即是由溶质来实现，其性能好坏也就决定了整个电解液性能的高低。而且溶质约占电解液成本的60%，可谓是电解液产业中的核心。而在已被广泛研究过的溶质中，LiAsF6有砷太毒，LiBF4离子导电率太差、LiClO4易爆太不安全，LiCF3SO3等有机锂又太贵，除了防过充电解液等特殊的功能性电解液外，无论是常规的3C电池还是动力电池，最后电解液中使用的溶质只剩下了LiPF6。因此可以说谁掌控了LiPF6，谁就能掌控锂离子电池的电解液市场。
溶剂是电解液的另一重要组成部分，其约占总成本的30%，用量占整个电解液的80%-90%。从功能上讲，溶剂起一个介质作用，提供一个温和的环境氛围供溶质迁移完成电荷输运，所以如果把电解液比作药片，溶质就是其中的活性成分，而溶剂就是药片中如MgSO4一类的辅剂，它虽然没有直接作用，但却可以帮助活性成分缓释、吸收，没了它溶质也没办法实现自身的功能。因此溶剂的性能好坏关键就是看其能否稳定和能否与溶质很好的配合，一般来说就有了高介电常数、低粘度、高沸点、低熔点、性质稳定等参数指标。
溶剂的主要材料种类主要分为三大类型，一类是以碳酸乙烯酯（EC）为代表的环状碳酸酯，一类是以碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯为代表的链状碳酸酯，还有一类是以γ-丁内酯为代表的羧酸酯。其中环状碳酸酯的介电常数高但粘度较大且熔点偏高，而链状碳酸酯的粘度小但沸点较低且介电常数较小，因而实际应用一般均为环状碳酸酯和链状碳酸酯的混合溶剂，而羧酸酯仅少量添加改善低温性能。
在这些材料中，碳酸乙烯酯的介电常数最大，因而一般在各类配方中均有应用。但是无论碳酸酯还是羧酸酯，作为典型的石油化工产品，无论是其原料还是产品均有一个显著的问题——易燃易爆。
因此对于溶剂乃至最后的电解液成品，其运输情况有时甚至比产品本身的技术参数更重要。多氟多的总工薛旭金就在中国电动汽车百人会上表示过“有时电解液受温度的影响非常大，作为现有的溶剂来讲，其性质受温度影响比较大，所以运输到生产厂家可能已经造成了不均一或者一致性不好”。因此电池厂商在选择电解液时往往会有就近原则，以避免运输审批和额外的成本。
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原创：徐余颛，中科院凝聚态物理博士在读。
