电解液作为锂离子电池的核心组成部分，承担着传输锂离子、维持电极/电解液界面稳定、参与固态电解质界面（SEI）膜形成等关键功能。其化学组成直接影响电池的能量密度、循环寿命、倍率性能、安全性和温度适应性。

一、电解液的功能与核心要求

1.1 电解液在锂电池中的核心作用

离子传输介质：在正负极间传导Li⁺，决定离子电导率（通常需>1 mS/cm）。电化学窗口匹配：在0-4.5V（vs. Li+/Li）范围内保持稳定，避免分解。界面调控：在负极（如石墨）表面形成稳定的SEI膜，抑制溶剂共嵌入；在正极（如NCM）表面形成CEI膜，防止过渡金属溶解。热稳定性：在高温（>60℃）下抑制副反应，低温（<-20℃）维持离子传输能力。

1.2 理想电解液的性能指标

指标

典型目标值

关键影响因素

离子电导率

>8 mS/cm（25℃）

溶剂介电常数、锂盐解离度

粘度

<5 mPa·s（25℃）

溶剂分子结构、添加剂

电化学窗口

>4.5V（vs. Li+/Li）

溶剂HOMO/LUMO能级、锂盐稳定性

热分解温度

>200℃

溶剂沸点、锂盐热稳定性

闪点

>70℃

溶剂可燃性

低温性能

-40℃下电导率>0.2 mS/cm

溶剂凝固点、共溶剂比例

二、电解液关键组分的选择策略

2.1 溶剂体系设计

2.1.1 溶剂分类与特性

碳酸酯类：环状碳酸酯：EC（介电常数高，利于锂盐解离，但熔点高需与低粘度溶剂混合）链状碳酸酯：DMC（低粘度）、EMC（宽温域）、DEC（高闪点）醚类：DOL（用于锂硫电池，低粘度但电化学窗口窄）砜类：TMS（高电压稳定性，但粘度大）氟代溶剂：FEC（提升SEI稳定性）、FEMC（降低可燃性）

2.1.2 溶剂配比优化

三元体系：EC+DMC+EMC（6:2:2体积比）兼顾解离度与粘度高电压适配体系：EC/EMC + 氟代溶剂（如FEC）提升抗氧化性低温体系：EMC/EA（乙酸乙酯）混合降低凝固点

案例：

宁德时代NCM811电池采用EC:EMC:DMC=3:4:3体系，添加2% FEC，实现4.3V稳定循环。特斯拉4680电池引入EA（10%）改善-30℃放电性能。

2.2 锂盐选择与浓度调控

2.2.1 主流锂盐对比

锂盐类型

优点

缺点

适用场景

LiPF6

高电导率、成本低

热稳定性差（分解温度60℃）

常规液态电池

LiFSI

高热稳定性（>200℃）

成本高、腐蚀铝集流体

高镍/高电压电池

LiTFSI

极佳热稳定性

粘度大、电导率低

固态电池/高温场景

LiBOB

成膜性能优异

溶解度低（<0.8M）

硅基负极体系

2.2.2 浓度效应

常规电解液：1M LiPF6（平衡成本与性能）高浓度电解液（HCE）：>3M LiFSI，形成溶剂化鞘层，抑制副反应，但粘度上升需添加稀释剂（如TTE）。局部高浓度电解液（LHCE）：HCE+惰性稀释剂（如HFE），兼顾高浓度优势与低粘度。

技术突破：

2023年Samsung采用4.5M LiFSI + TTE的LHCE体系，使NCA电池循环寿命提升至2000次（容量保持>80%）。

2.3 添加剂工程

2.3.1 功能性添加剂分类

功能

代表添加剂

作用机制

SEI成膜剂

VC（碳酸亚乙烯酯）

优先还原形成致密SEI

CEI成膜剂

DTD（硫酸乙烯酯）

在正极表面形成CEI膜

阻燃剂

TMP（磷酸三甲酯）

捕获自由基，终止链式反应

过充保护剂

联苯（BP）

在高压下聚合形成保护层

润湿剂

氟代碳酸酯（FEC）

降低电解液/电极界面张力

除酸剂

LiPO2F2

中和HF，抑制SEI溶解

2.3.2 协同添加剂体系设计

三元协同：1% VC（SEI优化）+ 0.5% DTD（CEI保护）+ 0.3% LiPO2F2（除酸）高镍体系专用：2% PES（丙烷磺酸内酯）抑制过渡金属溶解，搭配0.5% TMS（三（三甲基硅烷）硼酸酯）提升高温稳定性。

案例：

比亚迪刀片电池采用1.5% VC + 0.5% DTD + 0.2% LiDFOB添加剂组合，实现3000次循环寿命。

三、应用场景驱动的电解液定制

3.1 动力电池（高能量密度）

需求：4.4V以上高压兼容、高倍率（3C以上）充放电配方：溶剂：EC/EMC（3:7） + 10% FEC锂盐：1.2M LiPF6 + 0.3M LiFSI（混合盐）添加剂：2% VC + 1% DTD + 0.5% TPP（阻燃）效果：在NCM811/Si-C体系中实现>250Wh/kg能量密度，支持3C快充。

3.2 储能电池（长循环寿命）

需求：低成本、>8000次循环配方：溶剂：EC/DMC（3:7）锂盐：1M LiPF6添加剂：1% VC + 0.5% LiBOB案例：宁德时代储能电池采用该体系，日历寿命达15年，循环效率>95%。

3.3 低温电池（-40℃应用）

溶剂创新：EMC/EA（7:3）混合降低凝固点至-45℃锂盐优化：1.5M LiFSI（低温解离度优于LiPF6）添加剂：0.5% SN（丁二腈）提升离子迁移率性能：-40℃下放电容量保持率>70%（传统体系仅40%）。

四、前沿技术挑战与解决方案

4.1 高电压体系（>4.5V）

挑战：传统碳酸酯溶剂在高压下氧化分解解决方案：氟代溶剂：如FEMC（抗氧化电压提升至5.1V）新型锂盐：LiODFB（分解电压>5.3V）正极添加剂：0.5% TTFMP（三（三氟甲基）磷酸酯）形成稳定CEI膜。

4.2 硅基负极适配

问题：硅体积膨胀（>300%）导致SEI反复破裂对策：弹性SEI添加剂：1% FEC + 0.5% LiDFOB形成柔性SEI粘结剂协同：搭配CMC-SBR粘结剂提升电极机械强度。

4.3 固态电池过渡

半固态电解液：5%氧化物填料（如LLZO）+ 聚合物基质（PEO）原位固化技术：添加0.5% AIBN（偶氮二异丁腈）引发剂，在60℃下聚合形成凝胶电解质。

五、未来发展趋势

材料基因工程：通过机器学习预测溶剂-锂盐-添加剂的协同效应，加速配方开发。离子液体电解液：如EMIM-FSI体系，实现不可燃且宽温域（-50~150℃）性能。生物基溶剂：从纤维素提取γ-戊内酯（GVL），降低碳足迹。智能电解液：引入响应型添加剂（如温敏聚合物），实现自修复功能。

结语

电解液设计需在离子传输动力学、界面稳定性、安全性及成本之间取得平衡。开发者应基于具体应用场景，通过溶剂体系优化、锂盐/添加剂协同、浓度调控等多维度创新，构建定制化解决方案。随着固态电解质、人工智能辅助设计等技术的突破，电解液正从"被动传输介质"向"主动功能材料"演进，为下一代锂电池提供核心驱动力。