锂离子电池电解质现状及展望

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摘 要：电解质作为电池的重要组成部分，在正、负极之间起着输送离子传导电流的作用，选择合适的电解质也是获得高能量密度和功率密度、长循环寿命和安全性能良好的锂离子二次电池的关键。电池的初始充放电容量由于碳负极材料和电解质的组合不同而有相当大的差异，尽管有很多有机物、无机物和锂盐能够组成电解质，但真正能在锂离子电池中应用的并不多。本文对锂离子电池电解质的现状和发展进行了一系列的分析和探究。

关键词：锂离子电池；有机电解质；聚合物电解质；无机固体电解质

近几年来电解质（即液态电解质和固态电解质）的研究进展，主要是介绍如何提高液态电解质的性能和固态电解质的性能。对液态电解质主要是电化学稳定性的提高，而对固态电解质则包括对离子电导率、电化学稳定、机械性能等的提高。虽然在锂离子电池中，对电池性能起决定作用的是电极材料，但只有对正、负极匹配合适的和性能好的电解质才能达到对锂离子电池性能的优化和提高。因而电解质性能的好坏对锂离子电池的性能有重要的影响。

1.锂离子电池电解质概述

电解质作为电池中的一个重要组成部分，从实用角度出发，锂离子电池电解质必须满足以下几点基本要求。

a.离子电导率：电解质必需具有良好的离子导电性而不能具有电子导电性。一般温度范围内，电导率要达到10-3～2×10-3S/cm数量级之间。

b.锂离子迁移数：阳离子是运载电荷的重要工具。高的离子迁移数能减小电池在充、放电过程中电极反应时的浓度极化，使电池产生高的能量密度和功率密度。较理想的锂离子迁移数应该接近于1。

c.稳定性：电解质一般存在两个电极之间，当电解质与电极直接接触时，不希望有副反应发生，这就需要电解质有一定的化学稳定性。为得到一个合适的操作温度范围，电解质必须具有好的热稳定性。另外，电解质必须有一个0～5V的电化学稳定窗口，以满足高电位电极材料充放电电压范围内电解质的电化学稳定性和电极反应的单一性。

2.锂离子电池电解质的最新研究进展

2.1液态电解质

液态电解质是锂盐在有机溶剂中溶解而制得，锂盐与溶剂是它的两个基本组成。在液态锂离子电池中，锂盐和溶剂的性质及配比对电池的性能影响很大。

液态电解质一般都有较高的离子电导率，因而主要问题是电解质的电化学稳定性，即对正极和负极的相容性，这对锂离子电池性能影响很大。电解液与负极材料的作用，主要表现是在电解质和负极材料的界面之间会发生钝化反应，在负极表面形成钝化膜，它可以使锂离子通过而阻止溶剂分子进入。D.Aurbach等研究发现钝化膜是由于在充放电过程中，电解液中的极性溶剂、盐的阴离子在负极表面发生还原反应生成锂盐化合物，然后沉积在负极表面而形成，钝化膜的化学组成和性质取决于负极材料及电解液的组成和性质，它对电池的容量和循环性能有重要的影响。

2.2固态电解质

目前的固态电解质主要有两类：无机盐固体电解质和离子导电聚合物。而对满足更高性能要求的锂离子电池来讲，聚合物电解质的发展取得了较大的成效，是很有希望的电解质材料。自1973年P.V.WRIGHT首先发现聚环氧乙烷碱金属盐络合物具有离子导电性以来，聚合物电解质的发展经过了3个阶段：干的固态电解质、凝胶-聚合物电解质、复合聚合物电解质。

2.3有机电解质

目前，人们对无机锂盐水溶液的性质和作用机理比较了解，它们在锂二次电池中虽有过应用，但平均电压较低。如LiMnO4/LiNO3/VO2锂离子二次扣式电池，其平均电压只有1.5 V。若以锂盐为溶质溶于有机溶剂制成非水有机电解质，电池的电压大大提高。

电解质的一个重要指标是电导率。理论上，锂盐在电解质中离解成自由离子的数目越多，离子迁移越快，电导率就越高。溶剂的介电常数越大，锂离子与阴离子之间的静电作用力越小，锂盐就越容易离解，自由离子的数目就越多；但介电常数大的溶剂其粘度也高，致使离子的迁移速率减慢。对溶质而言，随着锂盐浓度的增高，电导率增大但电解质的粘度也相应增大；锂盐的阴离子半径越大，由于晶格能变小，锂盐越容易离解，但粘度也有增大的趋势，这些互为矛盾的结果，使得在特定的电解质中，电导率的极大值通常处于锂盐浓度1.1～1.2mol/L之间。在配制电解质时，锂盐浓度被固定在1mol/L，将一种介电常数大的溶剂与另一种或几种粘度低的溶剂通过调整混合比（体积比），获得电导率高，其它性能也好的电解质。

2.4聚合物电解质

以聚合物电解质代替有机电解质来装配塑料锂离子电池是锂离子电池的一个重大进步。其主要优点是高能量与长寿命相结合，具有高的可靠性和加工性，可以做成全塑结构。聚合物电解质也可以和塑料电极叠合，使PLI（Plasticizing Li-Ion）电池可以制成任意形状和大小，从应用观点来看，出路更加宽广。早在1975年，Feullade和Perche就制成了PAN和PMMA基离子导电膜，但把这种聚合体中含有胶体溶液的膜用在电池领域中却是最近几年的事。目前开发的聚合物电解质有以下几类：PEO基、PMMA基、PAN基、PVDF基、PVC基聚合物。文献对在这几类聚合物基础上形成的共聚物电解质膜如P（VDF-HFP）、P（AN-CO-MMA-CO-ST）、P（VC-CO-VAC）等的报道也比较多，是锂离子电池研究的一个热点。

2.5无机固体电解质

固体聚合物电解质在实际使用时，锂离子电导率会降低以及对Li或其它高电位插层材料的电化学性能不稳定，因此，又发展了一类新的无机玻璃电解质。锂离子电导的B2S3、P2S5、SiS2基玻璃，在室温下可呈现10-3～10-4S/cm的电导率[13]。早在1984年，M.Menetrier等研究0.28B2S3-0.33Li2S-0.39LiI三元玻璃电解质，在25℃时，这类最好的疏松态玻璃电解质的电导率可高达10-3S/cm，压成致密片状时的电导率为4×10-4S/cm。用循环伏安法测得对锂电极电化学稳定窗口在4.5 V左右，允许锂金属作负极，高电位的插层化合物作正极，不会导致电解质的分解，可作为常温全固态锂二次电池的电解质。

3.锂离子电池电解质的研究展望

虽然以液态电解质应用于锂离子电池早已商品化，但随着对锂离子电池性能更高要求的提出，以及它本身还不能较好解决的安全性能等问题，使其发展和应用受到了一定的限制。而聚合物电解质迅速发展及其应用于锂离子电池，不仅解决液态电解质锂离子电池的可靠和安全性问题，而且也较好地满足了小型电子电器产品对可充电池高能量密度、轻型薄膜化、可靠性好等性能要求。因而在小型可充电池中，对聚合物锂离子电池的研究开发和应用将会是以后研究和发展的重点。

总 结：

随着电子技术的不断发展，小型化、轻量化和高性能的便携式电子电器产品对电池性能提出了更高的要求，同时人们环境意识的不断增强，促使人们研究和开发性能更好的新型的绿色电源锂离子电池。近几年固态电解质方面的研究取得了很大的进展，特别是聚合物作电极和电解质材料的研究和开发尤为引人注目。

参考文献：

[1] 刘璐，王红蕾，张志刚.锂离子电池的工作原理及其主要材料[J].科技信息. 2009（23） .

[2] 宋印涛，李连仲，丁静，李艳平.锂离子电池电解质盐的研究进展[J].浙江化工. 2010（08）.