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今天和大家聊聊锂离子电池电解液配方中溶剂的选取和配比。众多技术文章中都详细介绍过电解液的作用，构成和工作原理等，在此本人不再赘述。本文直接通过目前常用溶剂的物化参数和匹配原理进行探讨。主要解释和阐述了如下常见关键问题： 1、圆柱、方形铝壳和软包电芯在溶剂选取上有什么区别，需要注意哪些问题？ 2、要求高温性能或者低温性能优良的电芯，在溶剂选取有何不同？甚至要求更极端的高低温（如-40℃）性能溶剂该如何考虑？ 3、高功率密度电芯在溶剂配比上如何选取，综合考虑哪些因素？ 4、溶剂如何配比在既能保证电芯正常电化学和安全性能情况下，又能进一步降低成本？ 以上问题，本文只针对电解液中溶剂进行讨论。因为电解液组成包括溶剂+锂盐+功能添加剂，最终电解液是否符合性能要求要综合考虑，溶剂种类和配比只是其中一部分。功能添加剂种类繁多，但常用也就几种，计划下一期再进行讨论。 常用溶剂物化参数及使用特性如下表：
市场上常用溶剂一般只有四种：环状碳酸酯类EC，链状碳酸酯类DMC/EMC/DEC。至于碳酸丙烯酯PC用的比较少，主要原因是目前使用的绝大多数是石墨类负极，而PC极容易和锂离子共嵌入石墨层，使石墨层剥离，破坏电极结构。但是，从图表可以看出PC锂盐溶解度很高，而且熔点低，沸点高，能保证优良高低温性能，所以某些时候可以低比例加入（5-10%）。而对于硬碳和硅基负极，PC顾虑较少，可以提高比例加入。 下面以问题回答的方式来解释分析溶剂种类和配比选取方法和原理： 1、圆柱、方形铝壳和软包电芯在溶剂选取上有什么区别，需要注意哪些问题？ 壳体强度上圆柱最坚固不易变形，方形铝壳次之，软包最差。就强度上考虑，溶剂要保证软包电芯在使用过程中不会胀气，方形铝壳不易涨肚。链状碳酸酯普遍沸点低，也就意味着饱和蒸气压比较高，特别是温度较高时更容易产气。其中DMC沸点最低，更容易挥发产气，故而软包电芯设计中一般都会控制比例，EMC次之，最好比例也尽量下调。方形铝壳有一定强度，故而一般只需考虑减少DMC，EMC和DEC比例可以不必减少。但链状碳酸酯类低温性能优良，软包溶剂选取上也要保持适当比例。 圆柱电池强度最高，一般不会在蒸气压上考虑太多。但考虑到圆柱电池属于紧密卷绕结构，材料结构紧凑，电解液不易浸润和流动，一般会相对减少高粘度EC的比例。但这不是及重要因素，有些设计可以不考虑。 2、要求高温性能或者低温性能优良的电芯，在溶剂选取有何不同？甚至要求更极端的高低温（如-40℃）性能溶剂该如何考虑？ 对照图表。对于低温性能设计电芯，要考虑溶剂熔点。在无特殊要求下，要减少环状碳酸酯EC比例，适量加大链状碳酸酯类比例。可以看出EC熔点高达37 ℃，低温下黏度急剧降低甚至结晶析出。而EMC和DEC熔点分别为-53℃和-75℃，在低温下可以保持很良好黏度，保证锂离子顺利自由迁移。PC虽然熔点也低，但由于随着温度降低其黏度增幅较大，且考虑和锂离子共嵌，一般不考虑。对于极端低温要求，就要大幅降低EC比例，同时EP和PP的加入。 对于高温性能设计电芯，要考虑加大EC的比例，特殊情况可以适当提高PC比例，同时减少链状碳酸酯类的应用。如果要同时考虑兼顾部分低温性能，一般在链状碳酸酯类中DEC比例高一些。 3、高功率密度电芯在溶剂配比上如何选取，综合考虑哪些因素？ 高倍率电芯要保证电解液优良的锂离子电导率，也要兼顾高倍率下温度高的影响。图表可以看出EC耐高温性能强但相对粘度较大，导电率低，链状碳酸酯黏度低，电导率高，但耐高温性差。所以在选取比例上要根据具体要求均衡搭配。同时选取何种类型壳体也是影响因素，如前面所提，如用软包壳体，就要考虑链状碳酸酯比例少一些。而用圆柱壳体可适当加大EC或PC比例。 4、溶剂如何配比在既能保证电芯正常电化学和安全性能情况下，又能进一步降低成本？ 各溶剂目前价格如下表：
DEC和EMC价格最贵，DMC和EC价格最便宜。如果确实对价格敏感，在设计中可适度增加DMC和EC比例。但前提是要保证最终电芯基本性能。事实上溶剂成本只占整个电解液成本的30-40%，小幅度调整溶剂种类比例成本节约有限，甚至5%都不到。一般不建议通过此方法降低成本。 本文只是浅显介绍了一下锂离子电池电解液溶剂选取方法和大体思路，实际应用中要考虑的因素要多得多，是一个综合辩证的过程。另外因为篇幅时间有限，很多其他重要知识和原理方法未涉及到。本人水平有限，不足或不确之处欢迎指正批评。 |
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