電解液的案例
寧德時代電解液創新研究榮登《自然》頂刊，案例解析電解液成分分析方法
近日，寧德時代21C創新實驗室歐陽楚英、王瀚森團隊獨立完成的鋰金屬電池研究成果發表于國際頂級期刊《自然·納米技術》（即Nature Nanotechnology），研究團隊獨創了動態追蹤技術，讓電池全生命周期內活性鋰與電解液各成分的動態演化，從“黑箱”走向“白箱”，為鋰電行業提供了新的視角。
01
電解液成分分析的重要性
鋰離子電池（LIB）已經徹底改變了便攜式電子設備、汽車工業和可再生能源儲存領域，適用于各種應用。LIB的主要組成部分，包括正極、負極、電解液、隔膜和集流體，共同管理工作在電池單元充放電過程中發生的電化學反應。
液體電解液（LE）是商業LIB中常用的一種電解液，因為它比其他電解液更便宜，更容易制造。LE是一種復雜的混合物，包含有機溶劑、鋰電解質鹽和添加劑，這些添加劑在離子電導率和穩定性、循環壽命、安全性和過充保護方面起著重要作用。而且，LE成分在重復充電周期中發生變化，老化可能會影響整體電池性能。因此，掌握電解液成分分析的方法至關重要，它不僅能夠優化電池性能，還能預防潛在的安全風險，并推動下一代電池技術的突破。
02
檢測案例
國高材分析測試中心擁有一套成熟的電解液成分分析方案，能夠為鋰離子電池電解液等復雜樣品提供精確的成分分析服務，通過采用了包括氣相色譜/質譜聯用（GC/MS）、液相色譜/質譜聯用（LC/MS）和電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）在內的多種分析技術，對電解液中的有機溶劑、鋰鹽、添加劑等成分進行全面的定性和定量分析，有助于理解電解液的老化過程，還能為電池制造商提供電解液逆向工程的寶貴信息，從而有助于改進電池的性能和可靠性。
展開 【論文介紹】有機電解液在鈉離子電池中的研究進展
由于醚類溶劑成為鈉離子電池形成功能性SEI膜的關鍵溶劑，所以近期很多研究從多個角度報道了酯類和醚類電解液在鈉離子電池中形成SEI的區別。相比于酯類電解液中鈉離子需要完全脫溶劑化才可以進入石墨層間，在醚類電解液中鈉離子可以以溶劑化的形式共插層進入石墨層間，層間的拓展有利于尺寸較大的鈉離子進行儲存，通過透射電子顯微鏡和傅里葉變換紅外進一步分析鈉離子對天然石墨插層反應，如圖3（a）所示。
相比于石墨，由于HC是高度無序的結構所以不利于三元共插層。Xiao等通過對比醚類電解液和酯類電解液在硬炭中的充放電曲線推測其沒有共插層現象（圖3（b））。Bai等將基于酯類電解質中形成的SEI和基于醚類的電解質保護的HC陽極結合在一起，融合了基于酯和醚類的電解質的優點，實現了高的可逆容量。除了硬炭材料，高比表面的炭材料如還原氧化石墨烯（rGO）、活性炭（AC）、有序介孔炭（CMK-3）也被作為儲鈉材料。這些大比表面結構會導致嚴重的界面問題，較低的首次庫侖效率等問題。
圖3 炭質材料在醚類和酯類電解液中的SEI膜形成結構示意圖及在硬炭中的典型充放電曲線
（a）鈉離子基于酯基和醚基電解液對天然石墨的插層機制；（b）硬炭在酯基和醚基電解液中的典型充放電曲線；（c）在不同電解液中鈉離子向SEI移動的結構示意圖
總之，醚類和酯類電解液的開發在很大程度上推動了鈉離子電池的發展，未來在電解液的選擇上，固體電解質界面的調控優化上，將進一步使鈉離子電池向實際應用方向靠攏，在大規模儲能方向得到廣泛應用。
原文出處：
有機電解液在鈉離子電池中的研究進展
張福明, 王靜, 張鵬, 時志強
材料工程 2021, 49 (1): 11-22.
展開 招聘|馬建民課題組電解液方向博士研究生和博士后招聘啟事
計劃從事電解液研究，具有電解液、電極界面、新型儲能器件或其他電化學背景；
3. 招生人數1名。
博士后要求：
1. 要求符合湖南大學博士后招聘條件，享受相關待遇http://jobs.hnu.edu.cn/info/1011/1826.htm；
2. 從事電解液研究，需具有電解液、電極界面、新型儲能器件或其他電化學背景；
3. 從事電解液理論研究，需要具有DFT或MD等理論基礎；
4. 招聘人數2名。
聯系方式: nanoelechem@hnu.edu.cn; 13687376305 (馬老師)
導師及課題組介紹：
馬建民，湖南大學教授、博士生導師。曾獲湖南省杰青基金、湖南省自然科學二等獎、入選2020年“高被引科學家”。兼任Rare Metals、Journal of Energy Chemistry、Nano-Micro Letters、Chinese Chemical Letters、Journal of Physics: Condensed Matter 等期刊編委。
馬建民教授課題組現有碩士生、博士生及博士后20余人，長期從事能源材料與化學理論與應用研究工作，近年來，聚焦于高性能金屬鋰電池的電解液的開發，提出了電解液添加劑多因子設計原則即考察添加劑對鋰離子溶劑化結構、鋰成核與生長及固體電解質相界面的成分與結構等影響用于指導添加劑的開發；提出了梯度固體電解質相界面的概念，分子水平上設計添加劑來構筑親鋰/導鋰相界面，提升金屬鋰電池倍率性能。課題組目前已在Angewandte Chemie International Edition、Science Bulletin、Advanced Functional Materials 等國內外重要期刊發表多篇電解液論文。獲授權中國發明專利10余項。
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展開 
綜述文章：可充電鋁電池電解液的研究進展
首先，介紹了電解質系統的主要需求和挑戰，然后對已發表文獻中有關液體和聚合物電解質的研究現狀進行了評估，最后討論了與聚合物電解質設計相關的核心概念及與鋁電池系統的關系，以提供對可能采取的方法的了解，從而有助于該領域的進一步發展。
圖1鋁電池水系和非水系電解質研究的時間線
2、鋁電池電解液設計
電化學電池的電解液為離子傳輸提供途徑，并在控制電池內的整體化學反應中發揮重要作用，在鋁電池中，需要電解液來適應電池工作過程中鋁的可逆電沉積。由于鋁的電沉積是從電解液中的含鋁物質中進行的，因此所用電解液的體積以及相應的電解質種類是鋁電池容量的限制因素。因此，為鋁電池選擇合適的電解液需要仔細考慮以下幾個不同的影響因素：
1）較寬的電化學穩定性窗口可防止電解液的分解，從而實現長期的循環穩定性。為了實現鋁電沉積，穩定性窗口需要大于1.66V，但是對于電池電解液應用而言，更高的電壓（>4V）是首選，可以使用更大范圍的電極材料并增加電池的功率和能量。
2）為了避免活性物質因副反應而損失，導致不利于電池系統的容量保持，因此需要高庫侖效率的可逆鋁電沉積。鍍層必須光滑，無枝晶生長，因為粗糙的枝晶鋁鍍層可能脫落并導致活性物質的損失。同時，任何枝晶的形成都有可能導致電極之間的接觸和電池短路。
3）有效的離子傳輸對于降低由于質量傳輸限制而產生的過電位和提高電池系統的整體性能至關重要。理想情況下，用于實際應用的電解質的離子電導率應大于10?4S cm?1，以便離子遷移率可以在高電流下以可忽略的濃度梯度維持。
4）電極與電解液之間的良好粘附和界面接觸是降低內阻的必要條件。
展開 東華大學武培怡/焦玉聰團隊《Small》：電解液添加劑助力水系鋅離子電池實現寬溫度范圍內無枝晶生長
另外，水系電解液較高的凝固點也限制了其在低溫下的進一步應用。
基于上述背景，東華大學武培怡團隊報道了一種將低成本的二甲基亞砜（DMSO）作為水系鋅離子電池電解液添加劑的策略，制備了ZnSO4-DMSO/H2O混合電解液。DMSO的加入重構了Zn2+溶劑化結構，優化了Zn2+的沉積動力學，有效實現了對鋅枝晶和副反應抑制。同時，DMSO通過調節水的氫鍵降低了電解液的冰點，使鋅離子電池在寬溫度范圍內均表現出優異的性能：對稱Zn/Zn電池分別在20℃和-20℃能夠穩定電鍍/剝離超過2100 h和1200 h，Zn/MnO2電池在20℃和-20℃能夠分別穩定充放電超過3000個循環和 300個循環。
圖1. DMSO添加前后Zn2+溶劑化結構及沉積行為的相應示意圖。
作者通過紅外、拉曼光譜及核磁共振譜詳細表征了DMSO添加劑對混合電解液氫鍵和Zn2+溶劑化結構的影響：1）體系中的氫鍵重構，原H2O與H2O之間的氫鍵（H-O····H-O）被破環，DMSO與H2O之間氫鍵（S=O····H-O）形成，有利于降低電解液的冰點，也可以減少電化學循環過程中由水引起的一系列的副反應；2）與H2O相比，在ZnSO4存在時DMSO加入后1H更加明顯的位移證實了DMSO對Zn2+的溶劑化作用的影響。
圖2. DMSO基混合電解質的譜學表征。
DFT計算進一步的分析了DMSO對Zn2+溶劑化結構的影響。
展開 中科院青島能源所崔光磊研究員課題組Angew：巧用502膠水“粘合”破損鋰電池--高性能鋰硫電池用防泄漏電解液的開發
然而，鋰硫電池普遍使用易燃、易揮發的醚類物質作為電解液，一旦電池在封裝、運輸或使用過程中受損導致電解液泄露，將帶來巨大的安全隱患。
圖1 鋰硫軟包電池防泄漏機制示意圖
為消除此安全隱患，中國科學院青島生物能源與過程研究所崔光磊研究員課題組以生活中常用的502膠水的主要成分——氰基丙烯酸乙酯（PECA）為出發點，利用強親核性的硫化物快離子導體（Li6PS5Cl）進攻PECA獲得原位聚合大陰離子來調控醚類電解液的化學組成，組成的電解質具備三個突出特性：
（1）PECA的強極性基團可使電解液與軟包電池內包裝之間產生強的相互作用，通過氫鍵將電解液錨定在聚合物骨架上；
（2）電池受損后，空氣中的水分可催化聚合物進一步聚合為更大分子“粘合”傷口；
（3）PECA的強極性基團與多硫化物相互作用，抑制了多硫化物的穿梭效應；
（4）聚合物大陰離子與普通PECA相比，具備更好的鋰離子導電能力，確保電解液具有1.11 mS cm–1的高離子電導率。
四者相輔相成，實現了鋰硫電池防泄漏、高性能的目標。
對軟包電池進行防泄漏測試發現，商業電解液由于泄露和易燃性而劇烈燃燒；而采用防泄漏電解質的軟包電池不燃燒，確保電池在點火后的安全性。同時，電解液因泄露帶走了大量的活性物質，使得電池的首周容量損失高于50%，而防泄漏電池具有高達95%的容量保持。
展開 堿性電解液下可滲透陽極空氣自呼吸微流體燃料電池數值模擬 ￥1000
<p>本案例基于COMSOL軟件，建立了可滲透陽極空氣梓呼吸微流體燃料電池，電池由五層結構組成，從上至下分別是：CDL-多孔擴散層、CCL-催化層、MC-電解液燃料混合液主流道、ACL-可滲透陽極和AC-陽極燃料通道，幾何模型如圖1所示。該模型燃料為醋酸鈉（HCOONa）,氧化劑為空氣，電解液為KOH，燃料和電解液濃度均為 5 mL/h。仿真結果如圖2所示。
《AEM》: 電解液“自放電”機制構建3D多孔鋰硅合金型界面框架！
近日，來自韓國高麗大學Dong-Wan Kim教授團隊提出利用電解液通過“自放電”機制構建三維多孔鋰硅合金型界面框架（LSIF）。利用原位自發預鋰化合成的親鋰性Li15Si4均勻排列形成多孔三維LSIF作鋰金屬宿主，有效抑制了循環過程中枝晶的生長和體積膨脹。LSIF@Li對稱電池即使在15 mA cm-2的超高電流密度條件下也能穩定循環超過1000次。與LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2或LiFePO4正極匹配，LSIF@Li全電池在10 C超高倍率下仍表現出（≈2000次）長循環穩定性。相關論文以題為“Porous Lithiophilic Li-Si Alloy-Type Interfacial Framework via Self-Discharge Mechanism for Stable Lithium Metal Anode with Superior Rate”發表在Advanced Energy Materials上。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202101544
親鋰型富鋰合金（LixM，M = Al, Cu,Sb, Sn等）可降低鋰的成核勢壘，是制備無枝晶鋰陽極的潛在材料。在這項工作中，作者通過化學蝕刻的超薄硅晶片與紐扣電池中的鋰之間的自發合金化反應（預鋰化），在鋰陽極上制備出三維多孔Li/Si合金型界面框架（LSIF）。與之前報道的制備富鋰合金策略不同之處在于，LSIF是在室溫（RT）下在電解液浸潤下合金化6 h的直接合成，沒有使用傳統的電化學沉積或熔化的鋰離子注入手段。通過改變合金化時間和電解液的參與與否，來優化由微米級Li15Si4顆粒組成的親鋰LSIF的多孔形貌。
展開 【汽車蓄電池知識】1
因此，充電時一定要注意極性，切不可極性充反
密度"寧小勿大"
有些駕駛員認為，電解液密度越大，蓄電池的放電程度就越低，蓄電池的端電壓就越高，電荷容量就越大，并且可防止冬季電解液結冰而凍壞蓄電池，因而在調整電解液密度時，不僅使原始電解液密度高于規定值，而且在正常使用中需補加蒸餾水時也習慣補加一些不同密度的電解液，結果使電解液密度越來越高。其實這種做法是非常錯誤的。
電解液密度作為衡量蓄電池放電程度的一個重要標志，是以原始電解液密度已經確定為前提的，補加不同密度的電解液，只意味著提高原電解液的密度，即使測得的電解液密度較高也不能說明其放電程度就低;提高電解液密度可提高蓄電池端電壓和電荷容量是相對而言的，一方面提高電解液密度可以提高蓄電池的電動勢，使其端電壓和電荷容量增加，但另一方面電解液密度過大，電解液粘度增加、內阻增大，使其滲透能力降低，反而會使蓄電池端電壓和電荷容量下降，而且電解液密度過大還會造成極板硫化和隔板腐蝕等多種問題，使蓄電池使用壽命降低。
忽視電解液液面高度的檢查
應定期檢查蓄電池電解液液面高度。若電解液數量不夠，會導致極板上部與空氣接觸而硫化，降低蓄電池的電荷容量，縮短其使用壽命。一般在冬天半個月檢查1次，夏天高溫水易蒸發，應每周檢查1次。電解液液面高度一般為高出極板防護網10mm-15mm。下限標記，所以電解液液面只要在規定范圍內即可，雖然使用中不需要添加蒸餾水，但也應結合汽車定期維護檢查電解液液面高度，不符合要求時應進行調整。
電解液液面"寧高勿低"
有些駕駛員在給蓄電池加注電解液或補加蒸餾水時，對其液面高度往往采取"寧高勿低"的錯誤做法。電解液液面過高，在車輛行駛過程中，電解液很容易從通氣孔溢出而腐蝕極柱，造成極柱接觸不良或早期損壞。聚積在蓄電池蓋上的電解液會使正、負極柱連通而構成回路，致使蓄電池自行放電。
展開 2025大賽優秀作品 | 大容量磷酸鐵鋰電池熱失控期間相變吸熱與噴發研究
作品名稱：大容量磷酸鐵鋰電池熱失控期間相變吸熱與噴發研究
作者： 王佩犇 | 中國農業大學 博士生
關鍵詞：磷酸鐵鋰電池，熱失控建模，噴發降溫，電解液沸騰
作者說
Ansys Fluent求解器穩定可靠，成熟的仿真能做好，難的仿真它能做，開發模型總能快人一步。在面向工程時經常出現的新現象，在明晰機理后總能通過Ansys軟件建立模型。使用者擁有Ansys這款軟件，將具有方法論引領行業前沿的潛力，是高校科研與企業開發必不可少的關鍵工具。
圖1. 電池熱失控沸騰吸熱機理
磷酸鐵鋰電池在儲能電站中應用廣泛，但其熱安全風險威脅電站運行。大容量磷酸鐵鋰電池熱失控呈現顯著的三維分布特性，內部電解液沸騰極大增加了傳熱過程復雜性，制約高安全電池系統設計。為深入理解并量化電解液相變吸熱在熱失控傳熱中的作用，本研究建立了精細模型，核心創新在于量化表征電解液吸熱相變及其對后續傳熱的影響。模型驗證表明：電池表面溫度計算與實驗結果高度吻合(決定系數R2 > 0.9)。該模型為儲能系統安全設計提供了重要手段工具。
挑戰/需求
圖2. 熱失控產熱驅動電解液沸騰；(a) 三維溫度分布；(b)電解液沸騰界面與熱失控前鋒面
儲能磷酸鐵鋰電池熱失控期間存在電解液沸騰吸熱行為，電池內部傳熱復雜。阻礙了高安全電池的設計。急需明晰電池電解液沸騰吸熱原理，建立考慮電解液沸騰吸熱的熱安全模型，以指導電池安全設計。
使用工具：Ansys Fluent
最終成果
圖3. 模型與實驗對標；(a) 電池溫度對標；(b) 反應與質量對比
機理：LFP電池泄壓降溫是：定容過程下的過熱電解液在定壓狀態下發生了沸騰與蒸發導致；
模型：提出了電池內壓-溫度實驗關聯式以及電解液沸騰蒸發吸熱方程。
展開 
南科大兩篇頂刊！冷凍電鏡研究電池SEI結構取得系列進展！
結果表明，使用基準電解液的電池中，碳酸鈉與鈉金屬都與電解液發生反應，形成不斷在變化的動態SEI。死鈉會被困在厚的SEI內部，導致電池中有限鈉源不斷減少。而當添加了FEC作為電解液添加劑之后，FEC會在電池內部形成多層結構的SEI，包括均勻致密的磷酸鈉和氟化鈉薄層覆蓋鈉金屬，從而有效地阻止了鈉金屬與電解液之間的反應，大大得提高了電池的庫倫效率和循環壽命。這項研究強調了利用低溫透射電鏡在原子尺度上對鈉枝晶以及SEI進行直接成像，并解釋了FEC添加劑能夠改善鈉金屬電池性能的原因。文章以“Probing Na-Metal Dendrites and Solid Electrolyte Interphase with Cryo-Transmission Electron Microscopy”為題發表在Nature Communication。共同通訊作者鄧永紅的團隊提供了研究必要的樣品和電化學數據分析。
圖2.（a）使用空白電解液形成的SEI實際圖。（b）將FEC作為電解液添加劑時所形成的SEI示意圖。
基于所有這些觀察到的事實，研究團隊提出了一個可能的SEI形成機制，首先，與EC分子溶劑化的鈉離子促進了EC的單電子還原，導致NaO2CO-C2H4-OCO2Na (NEDC)積累形成非晶態有機/聚合物層。NEDC水解穩定性差，可以進一步反應生成Na2CO3、乙烯和CO2，從而使SEI不穩定。在電池循環過程中，SEI表面的碳酸鈉進一步分解生成CO2氣體，破壞完整的SEI層。因此，部分金屬再次暴露在電解液中，與電解液反應生成Na2CO3。NEDC分解產生大量CO2，已形成的Na3PO4不斷被破壞，并在SEI內隨機分布。由于鈉枝晶在不同部位的溶解速率不均勻，鈉枝晶可能與鈉金屬基底脫離。
展開 南科大兩篇頂刊！冷凍電鏡研究電池SEI結構取得系列進展
結果表明，使用基準電解液的電池中，碳酸鈉與鈉金屬都與電解液發生反應，形成不斷在變化的動態SEI。死鈉會被困在厚的SEI內部，導致電池中有限鈉源不斷減少。而當添加了FEC作為電解液添加劑之后，FEC會在電池內部形成多層結構的SEI，包括均勻致密的磷酸鈉和氟化鈉薄層覆蓋鈉金屬，從而有效地阻止了鈉金屬與電解液之間的反應，大大得提高了電池的庫倫效率和循環壽命。這項研究強調了利用低溫透射電鏡在原子尺度上對鈉枝晶以及SEI進行直接成像，并解釋了FEC添加劑能夠改善鈉金屬電池性能的原因。文章以“Probing Na-Metal Dendrites and Solid Electrolyte Interphase with Cryo-Transmission Electron Microscopy”為題發表在Nature communication。共同通訊作者鄧永紅的團隊提供了研究必要的樣品和電化學數據分析。
圖2.（a）使用空白電解液形成的SEI實際圖。（b）將FEC作為電解液添加劑時所形成的SEI示意圖。
基于所有這些觀察到的事實，研究團隊提出了一個可能的SEI形成機制，首先，與EC分子溶劑化的鈉離子促進了EC的單電子還原，導致NaO2CO-C2H4-OCO2Na (NEDC)積累形成非晶態有機/聚合物層。NEDC水解穩定性差，可以進一步反應生成Na2CO3、乙烯和CO2，從而使SEI不穩定。在電池循環過程中，SEI表面的碳酸鈉進一步分解生成CO2氣體，破壞完整的SEI層。因此，部分金屬再次暴露在電解液中，與電解液反應生成Na2CO3。NEDC分解產生大量CO2，已形成的Na3PO4不斷被破壞，并在SEI內隨機分布。由于鈉枝晶在不同部位的溶解速率不均勻，鈉枝晶可能與鈉金屬基底脫離。因此，SEI層的厚度增加，而金屬鈉的數量減少。
展開 Amesim電池教程 電池熱失控模型 在線閱讀
下面說明鋰電池熱失控對應的各階段及其過程：
2.2 反應過程
2.2.1 固體電解質膜（SEI）反應
在將近100 degC的條件下，亞穩態（metastable）的固體電解質膜（(CH2OCO2Li)2）發生分解反應，轉化為穩態（stable）的固體電解質膜（Li2CO3），并釋放氣體導致鋰電池內部壓力升高。該反應為放熱反應，將電池內部溫度持續推高。
主要反應方程式：
試驗表明，該反應速率與電解液的成分以及電池的負極材料屬性相關。對應Amesim中的過程：SEI stabilization。
2.2.2 負極發生與電解液溶劑反應
在120 degC左右，負極內嵌的鋰原子與電解液溶劑發生反應，形成一層穩態SEI附著于負極。該反應為放熱反應，將電池內部溫度持續推高。
主要反應方程式：
試驗表明，該反應速率與電解液的成分相關。對應Amesim中的過程：Solvent reduction onthe negative electrode (SEI formation)
2.2.3 正極發生與電解液溶劑反應
在170 degC左右，正極開始和電解液溶劑發生反應。由于正極通常為不同化學混合（例如：不同的金屬氧化物）。因此無法給出確定的反應方程式。
試驗得到的不同正極材料的反應溫升率
由于電極上活性物質與電解液溶劑發生還原反應，在高溫下釋放出氧氣，而氧氣又進一步與電解液溶劑發生氧化反應。
主要反應方程式：
試驗表明，該反應速率與電解液的成分以及電池的負極材料屬性相關。對應Amesim中的過程：Positive electrodedecomposition 。
2.2.4.
展開 蘭州化物所在超級電容器儲能機制研究方面取得新進展
綜上，NMO在中性Na2SO4電解質中，在低電勢區（0-0.8 V）主要表現為表面控制的贗電容行為，但當電勢大于0.8 V時，插層贗電容行為則開始占主導地位。相比之下，在堿性電解液中，NMO則會發生明顯的氧化還原反應，為類電池行為。該研究驗證了NMO的電荷儲存機理很大程度上取決于電解液的類型，甚至在相同的電解液中不同的電壓區間儲能機理也不同。
該研究工作近期在線發表在Advanced Energy Materials（2018, 1802707. DOI：10.1002/aenm.201802707）。該工作得到了國家自然科學基金和蘭州化物所“一三五”規劃重點培育項目的資助和支持。
NMO在硫酸鈉和氫氧化鈉電解圖1：液中的原位拉曼光譜及相應的CV曲線以及峰強度隨電壓變化的曲線
圖2 a：在中性電解液中NMO電極質量的變化及相應的CV曲線。b：在堿性電解液中NMO的共振頻率變化和共振峰寬變化。
來源：蘭州化物所
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