之所以评估离子液体电解质，是因为它们能够在不依赖挥发性有机溶剂的情况下，使先进电池更加安全并具备更强的热稳定性。它们具有可忽略的蒸气压、不可燃性、高热稳定性以及宽广的电化学稳定窗口。在锂硫电池中，它们还可以抑制多硫化物溶解；与此同时，研究溶剂化离子液体则是为了改善传统IL/盐混合物的电导率和锂离子传输限制。
核心要点：IL能够解决传统碳酸酯电解质在安全性、挥发性和高温性能方面的局限，而溶剂化离子液体则试图在保留这些优势的同时，改善离子传输并降低多硫化物溶解度。
传统电解质为何会产生问题
挥发性和可燃性
传统锂电池电解质通常使用有机碳酸酯溶剂。这些溶剂可能在过充或高温运行期间蒸发、着火并产生气体。
气体产生可能导致电芯膨胀、压力积聚、泄漏或破裂。随着研究人员追求更高的能量密度和更严苛的工作条件，这些风险会变得更加显著。
热稳定性和界面稳定性
有机溶剂可能在高电极电位、高温或滥用工况下分解。其分解产物可能导致不稳定的固体电解质界面层，并引发持续的寄生反应。
这会使新型电极材料的评估更加复杂，因为循环性能不佳可能源于电解质不稳定，而非电极化学本身。
离子液体能够提供什么
更高的安全性
IL完全由阳离子和阴离子组成，基本没有可测量的蒸气压。与传统有机电解质相比，其低挥发性和不可燃性能够显著降低火灾和泄漏风险。
这使其适用于高温测试、过充研究和高能量密度电池设计，因为在这些场景中，电解质安全性是一项主要限制因素。
更高的热稳定性
许多IL具有较高的分解温度，其可用温度范围比有机碳酸酯混合物更宽。这能够提高电芯的最高热工作温度。
这一优势在研究环境中尤为重要，因为电芯可能需要在高电流、高电压或高温条件下进行测试。
宽广的电化学稳定窗口
IL能够提供较宽的电化学电位窗口，已有报道的体系范围约为相对于Li/Li⁺的5.2至−0.15 V。根据电极、杂质、界面和测量方法的不同，某些配方可能支持更宽的实际工作范围。
宽广的窗口使研究人员能够更加灵活地研究高电压正极和其他电极化学体系，而无需立即面对溶剂氧化或还原问题。
减少挥发性溶剂引发的副反应
由于IL不依赖挥发性有机溶剂，因此能够减少极端电位下的溶剂蒸发以及部分由溶剂驱动的副反应。这有助于研究人员将电极的固有行为与电解质蒸发或燃烧相关失效区分开来。
然而，IL并非天然能够与所有电极保持稳定。其阳离子、阴离子、杂质和界面反应仍然决定着实际兼容性。
IL对锂硫电池为何重要
抑制多硫化物溶解
锂硫电池面临的一项主要挑战是多硫化锂的溶解和迁移。这可能导致活性材料损失、穿梭反应、低库仑效率和容量衰减。
一些室温离子液体，包括[PP14][TFSI]等体系，具有较低的阴离子给体能力。这可以降低多硫化物溶解度，并改变硫的还原路径。
改善循环性能
降低多硫化物溶解度可以减少由穿梭效应驱动的自放电，并限制硫物种从正极中的损失。因此，基于IL的电芯可能表现出更稳定的循环性能和更高的库仑效率。
主要参考文献报道的实验体系可实现数百次循环的稳定运行，库仑效率超过98%。这些结果取决于具体配方和电芯设计，并非所有IL电解质都具备的普遍性质。
为何要单独研究溶剂化离子液体
解决传输限制
标准IL/盐混合物通常具有高黏度、低离子电导率和低锂离子迁移数。加入锂盐可能会因增加黏度并降低由Li⁺传导的电流比例而使这些问题更加严重。
例如，补充信息指出，向EMImBF₄中加入LiBF₄后，黏度从约45 mPa·s增加到约200 mPa·s，同时电导率从17.2 mS/cm下降到8.5 mS/cm。
使锂与溶剂分子配位
当高浓度锂盐与配位溶剂（例如甘醚）结合时，就会形成溶剂化离子液体。在[Li(G3)]₁[TFSI]等体系中，溶剂与Li⁺强配位，并参与形成以离子为主导的液体结构。
这种方法能够减少“游离”溶剂的数量，同时保留液态电解质；与传统二元IL/盐混合物相比，其离子传输性能可能得到改善。
兼顾传输性能和硫化学优势
溶剂化离子液体之所以具有吸引力，是因为与一些标准二元IL/盐体系相比，它们能够将电导率提高一个数量级，同时保持较低的多硫化物溶解度。
这种组合同时针对两个问题：电解质传输和多硫化物介导的容量衰减。
研究人员实际优化的内容
电导率和锂离子迁移
总离子电导率高并不一定意味着锂离子传输速度快。锂离子迁移数可能仍然很低，在某些IL体系中通常低于0.1，因为阳离子和阴离子都会参与导电。
因此，研究人员会测量电导率、迁移数、扩散行为和阻抗，而不是仅依赖单一传输指标。
电极润湿和界面电阻
高黏度可能使多孔电极和隔膜难以均匀填充。润湿不良会造成局部高阻抗和不均匀的电流分布。
因此，在评估IL配方时，受控电解质注入、隔膜选择、电极孔隙率和真空浸润工艺都十分重要。
电化学兼容性
名义上较宽的电化学窗口并不能保证在完整电芯中实现稳定循环。电极表面、集流体、杂质、盐浓度以及界面层的形成都会影响可用工作范围。
因此，电池研发会在全电芯条件下评估IL，而不仅仅是通过单独的稳定窗口测量进行判断。
理解其中的权衡
高黏度和低温限制
与传统碳酸酯电解质相比，IL通常具有更高的黏度。其黏度可能限制润湿、增加界面电阻并降低功率性能，尤其是在低温下。
为了获得具有代表性的结果，可能需要进行温度控制测试，或谨慎选择共溶剂和配方策略。
加盐后电导率可能下降
虽然IL能够传导离子，但加入锂盐可能增加黏度并降低电导率。因此，电解质必须作为完整配方进行优化，而不能仅仅因为纯IL具有良好性能就直接选用。
锂离子迁移数较低
在许多IL电解质中，阴离子承担了相当一部分电流。较低的Li⁺迁移数可能导致浓差极化，并限制高倍率性能。
这也是溶剂化离子液体和其他浓缩电解质设计受到关注的原因之一。
电芯加工更加困难
高黏度电解质更难以分配、浸润并均匀地渗入多孔电极。不一致的注液可能产生表面上较差的电化学性能，而实际反映的是电芯制造过程，而非电解质化学性质。
为了进行公平比较，精确组装、受控封装、阻抗分析和温度控制尤其重要。
安全性提升并非绝对
与有机碳酸酯电解质相比，IL通常具有低得多的挥发性和可燃性，但在极端条件下仍可能分解、与电极发生反应或产生有害产物。因此，“不可燃”应被视为一项重要的安全优势，而不能证明其具有完全的化学惰性。
根据目标做出正确选择
IL和溶剂化离子液体最好被视为设计平台，其实际用途取决于目标电池化学体系和工作条件。
- 如果你的首要关注点是热安全性：优先考虑非挥发性、不可燃性和高温稳定性，然后在滥用和过充条件下验证电芯层面的表现。
- 如果你的首要关注点是锂硫电池的循环稳定性：考虑低多硫化物溶解度的IL或溶剂化配方，并测量穿梭抑制效果、容量保持率和库仑效率。
- 如果你的首要关注点是高倍率性能：应比较电导率、Li⁺迁移数、黏度、阻抗和低温性能，而不能只关注电导率。
- 如果你的首要关注点是可重复的实验室评估：采用受控电解质注入、温度控制测试和高精度阻抗测量，以区分传输限制和组装缺陷。
评估这些电解质的最有力理由在于，它们有潜力通过单一电解质设计，同时实现电池安全性、热稳定性、电化学稳定性和特定化学体系下的性能。
总结表：
| 电解质类型 | 主要优势 | 主要局限 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| 传统有机碳酸酯 | 高电导率、低黏度 | 易燃、易挥发、热稳定性差 | 标准锂离子电池 |
| 离子液体（IL） | 不可燃、蒸气压可忽略、宽电化学窗口、热稳定性高 | 高黏度、低电导率、Li+迁移数低 | 高温电池、安全关键型电池、锂硫电池 |
| 溶剂化离子液体 | 与IL相比电导率更高、多硫化物溶解度低 | 配方复杂、成本高 | 锂硫电池、高能量密度电芯 |
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