从电解液创新看锂电池安全：引入电负性取代基成新趋势

从电解液创新看锂电池安全：引入电负性取代基成新趋势

锂离子电池因其高能量密度和长循环寿命而被广泛应用于便携式电子设备、电动汽车和储能系统等领域。然而，随着应用规模的不断扩大，锂离子电池的安全性问题日益凸显。本文将重点介绍锂离子电池电解液的技术现状和未来发展方向。

锂离子电池的安全性挑战

锂离子电池在使用过程中可能面临三种主要的滥用条件：机械滥用、电气滥用和热滥用。这些滥用条件可能导致电池内部产生大量热量，引发安全问题。

图1 锂离子电池（LIBs）可能的滥用条件、由此产生的电池行为和可能的结果的示意图概述

与传统的铅酸电池或镍氢电池相比，锂离子电池具有更高的体积和重量能量密度，但同时也带来了更高的安全风险。为了实现高能量密度，锂离子电池采用了高电压的电极材料，这要求使用非水系的有机电解质。常用的有机电解质如醚类和碳酸酯类虽然具有较宽的电化学稳定窗口，但同时也存在易燃的问题。

电解液的关键作用与挑战

电解液是锂离子电池中的关键组成部分，它不仅需要具备良好的离子导电性，还要对电池各组件具有化学和电化学惰性，并形成稳定的界面。目前，商用锂离子电池广泛采用碳酸亚乙酯（EC）与线性碳酸酯（如DMC和DEC）的混合溶剂体系，其中溶解有锂盐（如LiPF6），并添加少量添加剂以优化性能。

提高电解液安全性的研究方向

为了提高锂离子电池的安全性，研究人员正在探索新型电解质体系。一个重要的研究方向是在现有有机溶剂中引入电负性取代基，如氟、氰基或砜基。这些取代基可以降低分子的HOMO/LUMO能级，从而拓宽电化学稳定窗口，提高氧化稳定性，降低可燃性。

图2 使用WebMo软件（基于Hartree–Fock理论）对常见的有机碳酸酯溶剂（a）和选定的电解质添加剂（b）进行HOMO/LUMO计算

未来展望

随着电动汽车和储能系统对锂离子电池需求的不断增长，提高电池安全性已成为当务之急。通过持续的科研创新，开发新型电解质体系，有望在保持高能量密度的同时，显著提升锂离子电池的安全性能。