为了实现快速充电功能，电池的电解液必须具备较高的锂离子传输能力。锂离子的传递速度直接受到电解液性能的影响。 (1) 锂离子与溶剂形成溶剂化锂，并通过扩散移动； 在锂离子电池的充电过程中，必须跨越特定的能量障碍以促进锂离子的迁移，正如图1(b)所展示。在这些步骤中，去除溶剂化的过程需要最高的能量投入，紧随其后的是锂离子通过SEI膜的扩散过程。对于锂离子电池的慢速充电而言，这些能量障碍对电池性能的影响相对较小；然而，在追求快速充电时，那些在慢充条件下可能被忽略的因素将显著制约电池的快充表现。 涉及的四个关键步骤中，前三个步骤与电解液的特性直接相关联。具体来说，锂离子在电解液中的运动受到溶质锂盐和溶剂特性的显著影响。去溶剂化过程则主要受溶剂类型的影响。锂离子在SEI膜中的传导与SEI的特质有关，而后者的形成受电解液溶剂和一些添加剂的调控。因此，通过优化电解液的物理和化学属性，可以显著提升电池支持快速充电的能力。 锂离子电池快充性能的关键在于电解液的改良，可通过增进锂离子在电解液中的传播速率、降低去溶剂化的能量障碍以及提升SEI膜的离子传导能力来实现。这些措施共同作用，有助于开发效率更高的快充电解液系统。 现今，锂离子电池所使用的电解液溶剂主要包含具备链式和环式构造的碳酸脂类化合物以及羧酸酯类化合物，这些溶剂的物理化学特征详见表1。 在有机电解液体系中，我们发现了Li+、阴离子以及溶剂分子的存在。这些组分的自扩散系数呈现出这样一种顺序：Li+的扩散系数最小，随后是阴离子，溶剂分子的扩散系数最大。尽管Li+的半径在这三者中最小，然而Li+会与溶剂分子形成溶剂化的Li+而导致具有更大的半径，进而大幅度降低了Li+的扩散速率。电解液溶剂在室温下的熔点越低，其黏度也越小，这有利于溶质在溶剂中的扩散，从而使得在低熔点溶剂中溶质的扩散速率得以提升。基于这一原理，研究者们以双氟磺酰亚胺锂（Li[FSA]）作为溶质，将其溶解于多种不同的溶剂中制备成电解液，保持电解液的浓度恒定为1mol/L。不同电解液的性质参数详见表2。
在电解液中，较低的黏度有助于提升离子的导电能力。这种导电性不仅依赖于阳离子和阴离子的贡献，而且与这些离子的扩散率有着直接的关联。特别地，当选用MA作为溶剂时，我们发现锂离子的自扩散系数显著提高，同时阴离子和溶剂分子的扩散速率也达到了最优状态。这一特性使得该电解液极具潜力用于提升电池的快速充电效率。 对于不同溶质浓度的电解液对锂离子扩散系数的影响。研究发现，电解液的浓度会直接影响锂离子的扩散速度，如图2所示。横坐标表示溶剂浓度与锂离子浓度的比值，当比值减小时，说明锂离子浓度相对于溶剂浓度增加。纵坐标表示溶剂扩散系数Dsol与锂离子扩散系数DLi的比值，若两者同时同比例增加，则Dsol/DLi的比例关系保持不变。 当锂离子扩散系数与溶剂扩散系数的比例关系增大时，表明锂离子的扩散变化不如溶剂的扩散变化显著；反之，若比例关系减小，则表明锂离子的扩散变化比溶剂的扩散变化更为显著。在溶液中，Li[FSA]会分解为正电荷的Li+和负电荷的FSA−。随着Li[FSA]浓度的增加，正负电荷的扩散系数都会增加，但DFSA/DLi保持恒定，呈现水平直线。有时正负电荷扩散系数的增加程度不同，表现为具有一定斜率的曲线。其中，a、b为系数。 根据式(1)，当溶剂与锂离子的比值为1.0时，a/b=0.9为定值。如果比值变为0.8，锂离子浓度相对增加，Dsol/DLi=0.72。小于0.72表明锂离子扩散系数增大，大于0.72则表明减小。在图中，这些变化表现为点的位置相对于a/b斜率的直线。 MP和ML电解液中，随着锂离子浓度增加，锂离子的自扩散系数也增加。MA电解液在溶剂/锂比值为1.0和0.8时，表现为一条水平线，显示锂离子扩散系数减少。当比值调至0.6时，点位于延长线下方，表明MA电解液中锂离子扩散系数在高浓度下增加更明显。所有电解液随着锂离子浓度增加，自扩散系数显著提高，说明提高电解液浓度能改善快充性能。 离子移动产生电流，其迁移数是该离子电流占总电流的比例。充放电过程中，锂离子在电解液中产生浓度梯度，导致迁移数差异。随着充电电流增加，差异变大。 专家研究了提高快充性能的电解液，指出离子迁移数对充电倍率起决定性作用。图3(a)显示，充电时正极附近锂离子浓度最高，远离正极浓度逐渐降低，且与正负极材料的性质有关。隔膜中锂离子浓度近似线性关系。 锂离子电池在低SOC下能以更高倍率充电，随着SOC升高，最大充电电流减小。图3(b)显示，电解液的锂离子迁移数越大，电池在相同SOC下可承受的充电倍率越高。例如，迁移数为1.0和0.4的电解液在40%SOC时，电池可分别承受5.8C和3.6C的充电电流。在4.0C倍率充电下，迁移数为1.0的电解液电池可在70%SOC以下充电，而迁移数为0.4的仅能在20%SOC以下充电。提高迁移数可显著提升快充性能。 不同溶剂对快充性能的影响。使用1.2mol/L LiPF6为溶质，EMC、EC为主溶剂，加入DMC、MA、EA和EF作为共溶剂。溶剂体积比为EC∶EMC∶共溶剂=30∶50∶20。在20、30、40℃下，离子导电性顺序为MA>EF>EA>DMC，如图4所示。分析认为，低黏度溶剂降低了扩散阻抗，从而提升了电解液性能。
研究者们制备了NMC622/石墨软包锂离子电池，容量为520mA·h，用于测试不同电解液配方对快充性能的影响。图5(a)显示了在2C、3C、4C倍率充电后，电池的放电容量保持率。在4C倍率下，性能排序为EA>EF>MA>DMC>EMC，这归因于混合溶剂的离子导电性差异。高导电性溶剂有助于减少锂离子浓度极化，维持浓度均匀性。
对5种电解液的电池进行长期循环稳定性测试，图5(b)显示DMC电解液电池具有最佳的稳定性和最高放电容量。EF电解液电池容量快速下降，EA电解液电池也明显衰减。虽然EMC电解液电池容量衰减较慢，但容量发挥较低。拆解分析显示，DMC电解液负极界面光滑均匀，而其他电解液负极界面缺陷明显，尤其是EF电解液。合理的溶剂配方能减轻负极析锂，提升快充性能。
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