電解液：為電池安全“保駕護航”

生活中電池無處不在，特別是鋰電池應用十分廣泛，正急速滲透汽車、儲能、航空航天及軍工等領域。因此，各國將提升動力電池的性能列為研究熱點之一。

據外媒報道，美國研究人員在最新一期英國《自然·納米技術》上發表論文稱，使用高度氟化的電解液可大幅提高電池儲電能力和耐用性，未來或可推動電動汽車行業的進一步發展。由此看來，電解液在電池研發過程中起著相當重要的作用，那么，當今研制電解液的挑戰在哪里，有何路徑，科學家近些年創造性獲得過哪些性能不錯的電解液？帶著問題，科技日報記者采訪了多年從事電化學儲能材料和器件研究的清華大學深圳研究生院能源環境學部副研究員賀艷兵博士。

安全隱患成研制中主要挑戰

“電解液被喻為鋰離子電池的‘血液’，擔負電池充放電過程離子輸運任務，具有不可替代的作用。其一般由高純度有機溶劑、電解質鋰鹽（六氟磷酸鋰等）、添加劑等原料組成。”賀艷兵告訴記者。

以鋰離子電池為例，電解液是四大關鍵材料（正極、負極、隔膜、電解液）之一，在電池中正負極之間起到傳導鋰離子的作用，換言之，沒有它的輸運，電池就不能進行充放電。賀艷兵指出，目前使用的電解液是可燃性體系，粘度越小、離子輸運能力越強，離子電導能力越高。鋰電池負極表面有叫固態電解質界面（SEI）膜的保護薄層，其對負極循環穩定性至關重要，也對電池安全性有很大影響；而電解質的組分決定SEI膜的性質，對電池循環穩定性和安全性有重要影響。

賀艷兵說，科研人員在努力提升動力電池的高能量密度和快充速度，但是在追求這兩個指標的過程中，對電池循環體系會帶來安全性隱患，這也正是研制電池電解液的挑戰。

這種挑戰主要表現在兩個方面，一是通過電池電壓升高增加電池能量密度，如果讓電池充電從4.2伏提高到4.5伏甚至更高，電解液耐高壓能力不適配，就會被氧化分解，放出的熱量使電池溫度升高，并產生大量氣體；而在高溫下，一旦負極表面SEI膜分解破壞后，裸露負極與電解液發生放熱反應，電池溫度會進一步升高，引起電解液與正極材料、粘結劑熱反應，可能會引起電池爆炸。

二是電池在快速充電過程中會發熱，鋰離子從正極到負極時，負極吸收速度較慢，這樣鋰離子魚貫而入不能快速嵌入石墨負極，猶如一群人擁堵在門口，鋰析出來后便會沉積在SEI膜表面，形成鋰金屬，甚至會把負極外表面SEI膜破壞。

高度氟化只為增加阻燃性

賀艷兵指出，開發耐高壓電解液、阻燃電解液、低溫電解液，以及優化SEI膜等，是目前電池電解液的重要研究方向。

采用易燃有機電解液的鋰離子電池，一直制約著鋰二次電池（又稱為充電電池或蓄電池）向電動汽車和大規模儲能領域發展。近日，武漢大學化學與分子科學學院曹余良教授團隊與美國西北太平洋國家實驗室，共同在《自然·能源》在線發表關于非燃磷酸酯電解液在鋰離子電池應用的研究成果。賀艷兵對此解釋說：“這項研究一改在電解液中添加阻燃劑，提出直接用非可燃溶劑磷酸三乙酯，能夠同時保證電池的優異電化學和安全性能。”

而美國馬里蘭大學、陸軍研究實驗所和阿爾貢國家實驗室等機構，以化學性質極不穩定的鋰金屬為負極制備一種電池，配以高氟電解液，可實現充放電多達千次，儲電能力僅下降到最初的93%。

賀艷兵告訴記者，高氟電解液除了增加阻燃性之外，還優化了SEI膜，免除電解液的腐蝕作用，提高電池的安全性，延長使用壽命。這種電池可使純電動車安全穩定行駛里程更長。

固態電解質關鍵問題尚需突破

業內人士比喻，“找到配比合適的電解液有點像抓中藥，猶如不同體質、病癥服用不同藥方，需要根據鋰電池的正負極材料種類、電池形狀、電池性能最終決定電解液的配方”。

其實對電池電解液的研究，一個重要環節是測試新型電解液在電池中的安全系數，需要做熱沖擊、針刺、短路、過充電、過放電等各種實驗；如熱沖擊測試中，將電池存儲在120℃—150℃的熱沖擊箱里，看電池的溫度變化和電池失控行為，電池是否易燃或者易爆，有些研究要在實驗室試驗各種電池“爆炸”，從而檢驗電池的安全性。

“未來研究方向是，用固態電解質替代傳統有機液態電解液，全固態鋰離子電池將有望從根本上解決電池安全性問題，成為電動汽車和規模化儲能的理想電源，但目前在一些關鍵性問題上取得突破，尚需時日。”賀艷兵強調。

值得一提的是，新烯新能源股份有限公司總監陳鵬在接受科技日報記者采訪時說，公司與日本京都大學日前聯合開發出的陶瓷硫化物電解質，并制造出綜合性能遠超傳統鋰電池的新型固態電池，目前即將投產商業化。（記者 華凌）