電池級溶劑要滿足高介電、低粘度、低熔點、高沸點、高燃點、低成本等特征。電解液為鋰電池的核心基礎材料之一,其主要由電解質(六氟磷酸鋰)、溶劑和添加劑三部分組成,其中溶劑主要起到溶解鋰鹽作用,理想的溶劑應當具備以下特征:(1)高介電常數,以保證溶解大量鋰鹽,以及保證較低的離子導電電阻;(2)低粘度,即流動性要好;(3)與電池所有組件兼容(電池內部某些組件之間是不能直接接觸的,只有電解液與構成電池的所有組件相互接觸);(4)低熔點、高沸點,即液態溫度范圍大;(5)無毒、低成本、高燃點。一般要溶解大量的鋰鹽,溶劑需含有極性比較強的官能團,一般以“C=O”、“C=N”、“S=O”和醚類官能團“—O—”為主,此外處于溶解性的考慮還要求溶劑的極性要高,即所謂的相似相容特征。
目前鋰電池電解液均采用混合溶劑體系,綜合各溶劑不同的優異性能。伴隨鋰電池和電解液的發展,溶劑的使用也有一定的時代性,在 1991 年以前主要使用 PC(碳酸丙烯酯)和 DEC(碳酸二乙酯),1992 年引入 EC(碳酸乙烯酯),1993 年出現 EMC(碳酸甲乙酯)、DMC(碳酸二甲酯)和 MP(丙酸甲酯)等,此后溶劑體系幾乎保持不變。目前來看,單一溶劑已難達到電解液的要求,液體鋰電池電解液都采用混合溶劑體系,主要是碳酸酯溶液,通常有一種碳酸酯的介電常數高,有利于鋰鹽的溶解,如 EC 和 PC,另外一種或幾種碳酸酯的的粘度低,如 DMC、DEC、EMC等。因此通常一種環狀碳酸酯與一種或多種直鏈碳酸酯的混合液可以構成良好的溶劑體系,其中EC 由于介電常數遠大于 PC,具有良好的成膜性質(促進 SEI 膜的形成),以及較優的綜合性能和較為合適的生產制造成本,成為環狀碳酸酯的主選;在鏈狀碳酸酯中,DMC 熔沸點溫度范圍較窄,但介電常數和閃點較高,同時毒性小、生產工藝相對簡單、成本也相對較低,因此成為鏈狀碳酸酯主流,而 DEC 和 EMC 由于熔點較低,可以擴展電解液溫度下限;此外其中 EMC 兼具 DMC和 DEC 的特性,即良好的溶解性、介電常數高、低溫性能好,能有效提高鋰電池能量密度和放電容量,延長電池使用壽命,成為鏈狀添碳酸酯溶劑中的優良選擇。
電池級溶劑純度要求高,純度將影響其電化學窗口。對于電解液用溶劑而言,溶劑的純度對鋰電池性能的影響至關重要,微量的雜質會明顯影響溶劑的電化學窗口,進而影響電解液的性能。以氧化電位上限為例,通過提高溶劑的純度可以有效提高溶劑的氧化電位上限,例如對于 EC,純度從 99.91%提高至 99.979%,氧化電位上限能從 4.87V 提高至 5.50V。而對于大部分溶劑,純度小于 99.9%時,其分解電位為 4.6-4.9V,提高純度就能夠提高其氧化電位窗口,一般能達到 5.2V 以上。如果純度進一步提高,像主流的 EC、PC、DMC、EMC和 DEC,其氧化電位上限可以分別達到 6.2V、6.6V、6.5V、6.7V 和 6.7V。