如何快速评估一款低温性能好的电解液？

以下文章来源于元能科技，作者WengN

背 景

锂离子电池(LIB)已广泛应用于便携式电子设备、电动汽车、储能领域，是目前最有前景的新能源应用技术之一。然而在低温环境下电池性能显著下降，主要表现为离子电导率降低、锂枝晶生长加剧及界面副反应增多，严重限制了其在极端温度场景下的应用。电解液作为锂离子电池的关键组成部分，主要由锂盐、溶剂和添加剂组成，电解液组成不仅决定了锂离子在电解液中的迁移速率，还关系到电解液/电极界面膜的稳定性。因此，电解液优化是提高锂离子电池低温电化学性能的有效途径之一。通常使用低粘度溶剂、高导锂盐和成膜添加剂来降低电解液流动阻力，从而提升电解液在低温时的离子传导，并优化电极界面。

传统评估电解液的低温性能常采用测量低温下的电导率与粘度，并最终组装成电池测试其在低温下的充放电性能来验证实际效果，然而测试周期较长（约3-7天），导致产品研发周期延长，无法高速迭代和优化。本文从测隔膜离子电导率的角度来测试常规电解液和低温电解液的性能差异，提供一种快速的电解液性能检测办法，整个测试流程约30min，有效缩短了验证时间，提高了电解液的研发效率。

一、测试条件&方法

1.1 测试设备

采用元能科技自研的多通道离子电导率测试系统（EIC2400M-T，IEST）如图1所示，该设备包含4个测试通道，可提供高纯氩氛围，实现多通道对称电池的电化学阻抗谱测试。压力范围10~50Kg，温度范围-20~80℃，频率范围100KHz~0.01Hz。

图1. 多通道离子电导率测试系统

1.2 测试样品

隔膜、电解液A和B，其中A为基础电解液，B为低温电解液。

1.3 测试流程&隔膜离子电导率计算方法：

将样隔膜按照1层，2层，3层，4层放到对应的4个通道中——>关闭设备仓门，对内腔进行抽真空-充高纯氩气，除去内腔中的水分——>对各通道进行定量注液——>达到浸润时间后，自动测试EIS——>最后通过软件的拟合、计算得到隔膜的离子电导率。隔膜离子电导率的计算方法如下所示：以每层隔膜的EIS为基线进行拟合，拟合线与X轴交点为Rs，则为n层隔膜的阻抗Rs（n），如图2（a）所示。将层数为X轴，每层的阻抗值为Y轴做线性拟合，所得到的线性拟合方程的斜率即为单层隔膜的离子阻抗R，如图2(b)所示。

图2. 不同隔膜层数的EIS阻抗谱（a）；R值拟合图（b）

将得到的离子阻抗R代入公式1计算可得到隔膜离子电导率。

σ=d /( R * S)    （1）

其中，σ为离子电导率，d为隔膜厚度，R为离子电阻，S为隔膜反应面积。

二、结果分析

图3. 电解液A和B在不同温度下的隔膜EIS图谱

图3为相同隔膜使用不同电解液，在不同温度下测得的EIS阻抗谱。对EIS图谱进行拟合、计算得到隔膜离子电导率，结果列于表1和图4。从实验数据可以看出，隔膜离子电导率随着温度的下降而降低，但其在不同电解液中的下降速率有所不同。隔膜在电解液A中测试时，-20℃时的离子电导率是25℃时的31.58%，在电解液B中则为47.14%，说明电解液B的低温性能得到了有效提高。主要是因为B中添加的特定组分从多个维度改善了体系的低温传输动力学。具体而言，添加剂有效降低了电解液的低温粘度、优化了锂离子的溶剂化结构以降低迁移能垒，并增强了电解液对隔膜的低温浸润性，从而在宏观上表现为离子传输受阻更小。

表1. 电解液A和B在不同温度下的隔膜离子电导率

图4. 电解液A和B在不同温度下的隔膜离子电导率变化图

三、总结

本文系统测试了隔膜在基础电解液A与含添加剂的低温电解液B中的离子电导率。结果表明，电解液B的电导率下降幅度明显减慢，表现出更优异的低温性能。通过测量隔膜离子电导率来评估电解液的低温性能的方法，不仅能够清晰地展示不同配方在低温传导特性上的差异，而且因其模拟了电解液在多孔隔膜中的真实存在状态，结果更具实际参考价值。因此，该方法可作为评估和筛选低温电解液的一种有效、可靠的技术手段。