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设计一种温度范围宽的锂离子电池电解液
摘要
近年来，锂离子电池的应用受到广泛关注。已经取代了镍氢电池在家用电子产品
市场和开始取代镍镉电池在电动工具的市场，锂离子电池开始向混合电动汽车和
军事/航空航天方面发展，而电池的需要的运作温度范围引起了人们的注意。
至今，单一的技术瓶颈是电解液自身的运行温度范围限制了锂离子电池。这些电
o
解液性能的控制和高温稳定性。合并新的锂离子电池电解质的构想可能使-50C
o
的放电效率高达C/4。而且，在室温和高达80C下这些单元展示了长的循环寿
命。
在本文中，我们考虑了操作温度的要求，并讨论了各种应用锂离子电池温度局限
的电解质。我们向您献上我们的调查结果，研究了新的电解质在很大的温度范围
内在不同充放电下的循环寿命。最后，我们考虑了可能的折中方法来确保锂离子
电池在低温和高温下循环寿命性能的保持。
关键词：锂离子；电池；电解液
背景介绍
锂离子电池的运作的温度范围显示了它的应用特性。在非常低的温度下，美国航
oo
天局要求锂离子电池在-60C到-80C时有合理的放电效率。非此即彼，钻井工
业要求可在充电电池的溶液在超过100oC时很好的性能。人们普遍认为，为了
达到这种极端的温度，工作计划是电解质针对具体操作温度的作用是必要的，即
一个类别的电解质制定严格的低温和高温应用性能。
oo
除了这两个细分市场，大多数锂离子电池应用的温度窗口是-50C-80C如图1所
ooo
示。这些窗口包括家用电子产品和电动工具（-20C到60C），HEV（-30C到
ooo
70C）和军事应用（-50C到80C）。
普通的锂离子电池电解液溶液是来自LiPF6和碳酸乙烯酯（EC）和各种线性碳
酸酯比如碳酸二甲酯（DMC），碳酸乙二酯（DEC）和碳酸甲乙酯（EMC）的混
合溶剂。
我们发现两元以上组分几乎可以用于所有的商业的电解液配方中：EC可以形成
性能良好的SEI膜，LiPF6作为支持电解质的选择，由于其成本低，高导电性，
能形成性能良好的SEI膜，能有效地钝化铝集流板。这两个电解液组分也决定了
锂离子电池的运作的温度范围。
+
在低温下，EC导致电解液高的粘度和低的导Li性。在非常低的温度下电解质的
组分可能发生相分离，同时，高浓度的EC在提高温度时有利于电池的运行（1）。
oo
-
此外，电解液的PF阴离子在60C和60C以上时不稳定（2）。它和碳酸酯及外
6
来水分反应导致电极材料的破坏和电池性能的恶化。
制造商们企图通过减少EC的浓度和增加低粘度的碳酸酯类和低熔点的酯类如丁
酸甲酯（MB），丁酸乙酯（EB）来使锂离子电池有宽的运作温度范围。这提高
了锂离子电池单元的在-20oC的性能和保持率，在某种程度上增加高温稳定性。
我们看到了一个清晰地历史趋势，通过减少EC在电解液中的总量来达到期望中
的锂离子电池单元的操作温度范围。例如，1990年代最开始的电解液中EC的含
量多达50%。在十年前，一系列的电解液成分被引入，其EC的含量是25%到
33%例如美国航天局的JPL’s（3）中含有1MLiPF6/EC：DMC：DEC（1：1：1）
或Covlent’s（4）1MLiPF6/EC：EMC
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