（报告出品方/作者：中信建投证券，杨藻、张亦弛）
一、电解液，实际作用和经典体系构建
1、电解液，锂输运之河
回顾锂离子电池（对二次电池而言，规律是类似的）的发展史，我们可以看到，分析载流子-研究电极-发明、改进电解质体系环环相扣，共同促进了锂离子电池的实用化与性能提升。
20世纪70年代，英国化学家StanleyWhittingham研发出以二硫化钛为正极、以锂金属为负极的锂离子电池，电解质为高氯酸锂-二恶茂烷体系。锂离子电池相比于铅酸电池更佳的性能开始体现。此后，美国物理学家、化学家JohnB.Goodenough以钴酸锂替代二硫化钛，获得了更高的正极电压，和更高的电池能量密度；后续锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料等正极也陆续面世。日本化学家吉野彰利用石油焦取代锂金属，在当时的条件下推动了锂离子电池安全性的跃升，并促进了锂电商业化进程。年，碳酸乙烯酯EC用于电解液体系构建，年，EC和碳酸二甲酯DMC的复合溶剂体系得到开发；年，商业化的锂离子电池采用了石墨负极。
时至今日，高性能（动力、二次）电池的载流子确定为锂，正极、负极进入渐进式创新为主，颠覆式创新不懈努力的发展阶段。电解液，对电池的综合性能有着非常关键的影响，也在不断演进的过程中。
作为内电路中锂输运的主流载体，电解液需要具备在一定温度范围内高效导锂及电子绝缘的能力；电解液直接接触正负极，所以其电化学窗口，化学稳定性，和正负极、隔膜等的界面特性也需要满足使用要求；电解液需要一定程度上抵御热、电和机械滥用；如环境友好/便于后处理更佳。每当电极材料有所改进，电解液的调整和优化往往会体现出其重要性，乃至不可替代性。
受制于远超水分解电压的正负极电势差，再暂不考虑昂贵的离子液体，电解液的主流技术路线为适宜的有机溶剂和锂盐组成的综合系统。
2、复杂要求，溶剂体系
溶剂自身电子绝缘，且用于溶解锂盐。电解液溶剂体系的基本要求是：具备一定极性（高介电常数），以溶解锂盐；电化学窗口宽（电解液的电化学窗口主要体现为溶剂的电化学窗口），耐正极氧化和负极还原；粘度低，便于浸润电极及改善低温性能；耐热。截至目前，并没有某种单一组分溶剂可以同时满足上述要求，所以构建混合溶剂体系的基本思路非常合理。
混合溶剂体系的基本考量是选取高介电常数与低粘度的溶剂组分。前者对应碳酸乙烯酯EC，碳酸丙烯酯PC；后者对应碳酸二甲酯DMC，碳酸二乙酯DEC，碳酸甲乙酯EMC等。
溶剂的附加功能，如协同形成、稳定固体电解质膜（SEI），协助阻燃等，也依赖于溶剂添加剂。溶剂添加剂包括常规链状/环状酯类（如碳酸亚乙烯酯VC），氟代链状/环状/氨基酯类（如氟代碳酸乙烯酯FEC），硫酸酯类（如硫酸乙烯酯DTD、亚硫酸乙烯酯ES），砜类，腈类，磷基添加剂，硅基添加剂，醚类，杂环化合物等等。
3、多重因素，锂盐选择
锂盐溶解于溶剂体系中并电离，部分形成溶剂化的锂离子和对应阴离子团，提供离子导通能力。锂盐的选择需要考虑相应的离子迁移率、离子对解离能力、溶解性、热稳定性、化学稳定性、固体电解质膜形成能力、集流体钝化能力、环境影响等。截至目前，也没有单一组分锂盐可以同时满足上述要求，所以构建混合锂盐体系的基本思路也非常合理。另一方面，锂盐是电解液体系的主要成本来源（如果考虑质量百分比的话更是如此），这使得综合性能尚可、成本相对较低的六氟磷酸锂LiPF6成为现有锂电池电解液中的主盐。
除上述锂盐外，锂盐添加剂，包括磷酸盐类（如二氟磷酸锂LiDFP），硼酸盐类（如双草酸硼酸锂LiBOB，双氟草酸硼酸锂LiDFOB），磺酰亚胺盐类（除双氟磺酰亚胺锂LiFSI、双三氟甲基磺酰亚胺锂LiTFSI外还有其他类型），杂环盐类，铝酸盐类等，使用得当可不同程度地提升锂盐体系的综合性能。综合考虑溶剂和锂盐两者的性能与成本，碳酸酯+六氟磷酸锂成为动力电池电解液的主要组成部分。但是同时，在动力电池性能提升过程中，部分其他溶剂/添加剂、锂盐/添加剂也渐露头角。
二、向高性能进发，电解液的前瞻进展
1、面向更高使用性能的渴求
事实上，更高性能的动力电池可以为新能源汽车的性能提升提供根本助力。仅以我国为例，进入工信部推荐目录的车型其系统能量密度总体稳步提升，和工况续航的变化程度有很高相关性。
从支持高功率快充的保时捷Taycan、特斯拉Model3、宝马iX3，到支持常规快充能力的A级自主品牌车型，到4万元级别可选装快充（30分钟，SOC30%-80%）的长安奔奔e-star，事实上快充能力也相当程度上影响消费者的用车体验，具备较强的充电能力也更容易为消费者所青睐。
落实到电池现有体系的优化，从使用角度出发，包括提升电极容量、拓展正负极间电压、提升快充能力等等，电解液在其中发挥着非常重要的作用。
原则上正极的容量提升对电池能量密度提升的作用最显著。当前，高镍三元电池在同等上截止电压条件下的容量更高，对电池其他组元和充放条件控制变量，其对应电池的能量密度也更高。
但是同时，三元正极在多次循环的过程中（尤其是深度脱锂的过程中）会产生微裂纹。这种微裂纹导致正极材料内部电连接的破坏和电极-电解液的反应加剧，最终使得电池容量/有效能量密度降低。对微裂纹产生机理的研究显示，微裂纹是H2-H3相变过程中，电极材料各向异性的膨胀和收缩导致的。随着镍含量的增加，三元正极材料的循环稳定性劣化，以能量保持程度定义的循环寿命劣化现象明显。
而上述问题的解决，一方面依赖于具体使用环境的配合，一方面依赖于正极的成分、物相、聚集形态调控，还有一方面也有赖于配套电解液的成分优化。
如有研究工作显示，VC、VEC、FEC、丙烷磺酸内酯PS等溶剂添加剂可发挥保护SEI、稳定正极电解质界面、抑制正极过渡金属溶出作用，使得使用正极的电池寿命显著提升。
也有研究表明，在相同的EC/EMC溶剂体系下，相比于LiPF6，LiFSI体现的高电导、高迁移数对正极电池的容量、能量循环性能等均有帮助。
负极的容量提升对于电池能量密度提升有相当程度作用。商业化的石墨负极容量在mAh/g左右，已非常接近其理论比容量mAh/g。与其相比，硅材料的理论比容量很高（高温下形成Li22Si5，对应容量mAh/g；室温下形成Li15Si4，对应容量mAh/g；如比较体积能量密度，则石墨为mAh/cm3，Li15Si4为mAh/cm3），脱锂电压和其他负极材料相比也较低（~0.5V），仅略高于石墨，所以硅基材料有望成为高能量密度锂电池的配套负极材料，搭配高镍NCM/NCA正极以求获得最佳效果。事实上，年以来，多家车企、电池企业都公布了使用“掺硅补锂”动力电池以提升整车续航的新闻，此类电池不再是特斯拉系列产品的“独家秘密武器”。含硅/硅基负极材料在可以预见的不长时间内有望成为高能量密度动力电池的重要组成部分。
在体现了优异容量的同时，硅基负极材料在嵌锂过程中也表现出了非常明显的本征体积变化（如单质硅约%，氧化亚硅约%，远高于石墨的几个百分点），直径较大的单质硅颗粒在多次循环的过程中开裂、破碎，和导电剂的物理连接也遭到破坏。另一方面，和商用石墨负极常规循环过程中形成的SEI膜具备的致密、薄、规整的特征不同，常规条件下硅单质形成的SEI膜疏松、厚、不均匀、阻抗高，阻碍锂离子扩散。而且，硅单质表面的SEI膜会在循环过程中多次脱落、再生成、沉积，消耗活性硅与材料体系中的锂，严重劣化电池性能。上述问题的解决除优化负极本身的成分、形貌、结构，改进粘结剂等手段外，相当程度上也有赖于电解液体系的优化。
年发表于JournaloftheAmericanChemistrySociety的研究工作ImprovedPerformancesofNanosiliconElectrodesUsingtheSaltLiFSI:APhotoelectronSpectroscopyStudy表明，LiFSI相比于LiPF6更利于电池循环性能的保持。
进一步的分析表明，LiFSI更不容易水解产生氢氟酸，所以对硅颗粒表面的腐蚀对锂源的消耗作用更小。而且LiFSI还有钝化负极表面、保护硅颗粒和粘结剂协调性的积极作用。除LiFSI之外，锂盐LiBOB、LiDFOB，溶剂添加剂VC、FEC等组分也对硅基负极电池性能体现出了正面作用，见年发表在JournalofMaterialsChemistryA上的综述Electrolytesforadvancedlithiumionbatteriesusingsilicon-basedanodes。常规碳酸酯电解液在上截止电压超过4.3V时稳定性劣化，所以开发耐高压电解液和开发高电压正极材料一样，是组建高电压动力电池材料体系的核心内容。
耐高压电解液的组成同样从溶剂、锂盐两方面入手。对于溶剂，除常规性能要求之外，更低的HOMO能级（最高已占轨道能级）意味着更强的氧化稳定性。具备此方面性能特征的溶剂包括氟代物、砜类、腈类等。
锂盐和溶剂添加剂方面，LiFSI、LiTFSI、LiBOB、LiTFOB等，醚类、杂环化合物等，也均有研究涉及。此外，高浓度电解液对耐压也有一定正面作用。
作为锂离子的通路，电解液性能直接影响电池快充性能。特斯拉首席电池科学家J.R.Dahn教授团队年发表于TrendsinChemistry的综述ElectrolyteDesignforFast-ChargingLi-IonBatteries进行了归纳分析。
研究者表示，15分钟充至SOC80%的需求强烈，但是电解液和电极面临诸多挑战：高倍率下，极化现象更严重；快充过程中锂化石墨较大的过电势可能导致负极析锂；较高的浓度梯度限制电池可用容量。相应的解决办法包括降低电解液粘度（选用低粘度溶剂）、提升电解液浓度（增加锂盐含量）、选择具有较大聚阴离子基团的锂盐，选择可以改善SEI组成与结构的溶剂、锂盐等。研究者对LiFSI、LPO、FEC等等锂盐和溶剂表示了相对乐观的预期（和前述文献EnablingfastchargingofhighenergydensityLi-ioncellswithhighlithiumiontransportelectrolytes的结论可互相验证）。
年下半年以来，多家车企、电池企业发布的公开信息表明，动力电池性能指标还有进一步提升的空间。可以预见，研究电极-发明、改进电解质体系仍然是不可或缺的技术手段。
2、面向更长电池寿命的希望
除性能提升外，电池寿命的提升也是重要的电池体系优化方向。如Dahn团队对电解液添加剂和电池寿命的关系进行了有效阐释与估计。
发表于JournalofTheElectrochemicalSociety上的论文DioxazoloneandNitrileSulfiteElectrolyteAdditivesforLithium-IonCells以高单体电压、高环境温度存储稳定性为目标，