電解液（electrolyte）是一種溶液，其中含有能夠產生離子的物質（包括生物體內的電解液，也稱電解質）。這些物質在溶解過程中會分解成帶電荷的離子，使溶液具有導電性。電解液是化學電池、電解電容等使用的介質。
溶解在電解液中的電解質含有離子化合物，如可溶性的鹽、酸、堿等。這些化合物在溶解過程中會解離成帶電荷的陽離子和陰離子，當連接電源時，陽離子向陰極移動，陰離子向陽極移動，從而形成電流。不同的電解液具有不同的離子濃度、導電能力和化學性質。
電解液被廣泛應用于電化學、化學分析、電鍍等領域。在能量轉換裝置中，如電池、電解池和燃料電池，電解液被用作傳導介質。在化學分析中，它被用于離子測定和分離。此外，電解液也應用于電鍍領域。
發現歷史
電解液的歷史可以追溯到18世紀末和19世紀初，當時一系列關鍵的實驗和研究奠定了電化學領域的基礎。在1766年左右，亨利·卡文迪許（Henry Cavendish）的通過實驗發現電流可以將水分解成氫氣和氧氣，并激發了他對電解現象的興趣。
隨后，亞歷山大·沃爾塔（Alessandro Volta）于1800年發明了第一個化學電池，即伏特電池，利用銅和鋅金屬片以及鹽水浸泡的絕緣墊片生成穩定的電流。斯萬特·阿累尼烏斯（Svante Arrhenius）在1884年提出了電解論（electrolytic theory），其中包括他對固體結晶鹽在溶解時分解成帶電粒子的觀點。他認為溶解的過程會導致固體鹽分子分解成帶電的離子，這些離子在溶液中自由移動，從而導致電導性質的出現，并因此獲得1903年的諾貝爾化學獎。
19世紀早期，邁克爾·法拉第（Michael Faraday）進行了深入的電解實驗，提出了法拉第電解定律，解釋了電流通過液體中產生的化學反應與電量之間的關系。這些科學家的探索為電解現象的理解、電化學原理的建立以及電化學應用的發展奠定了堅實的基礎。
組成
電解液的組成是根據其應用的不同而有所不同。通常情況下，電解液主要由溶劑和電解質兩部分組成。其中溶劑通常為液態，可以是水或有機溶劑，其作用是作為載體允許電解質離子在其中移動。電解質通常是溶解于溶劑中的鹽，如氯化鈉、硫酸鈉等。在電解液中，電解質會離解為陽離子和陰離子，在電源的作用下，陽離子向陰極移動，陰離子向陽極移動。
在特定應用中，可能還會有其他添加劑或組分，如穩定劑、抗氧化劑(TPPi)等，以增強電解液的性能。例如，在鋰離子電池中，電解液可能由一種或多種有機溶劑（如EC、DMC、DEC等）和鋰鹽等組成。在不同的工業應用中，由于需要滿足特定應用或設備的特定需求，所以電解液的具體組成可能會有很大的不同。
分類
電解液可以基于不同的標準進行分類。下面是按照幾種常見的方法對電解液進行的分類：
根據物理狀態分類
電解液根據其物理狀態可以被劃分為液態、固態和凝膠三大類。
液態電解液
液態電解液是一種具有流動性的電解質溶液，通常用于電化學反應或電池中。它由一個或多個可溶解的離子（陽離子和陰離子）組成，并且在適當的條件下可以導電。在液態電解液中，溶質中的離子會在電場的作用下進行電解反應。正極吸引陰離子，而負極吸引陽離子，離子遷移形成電流。這些離子的運動使得電解液具有導電性質。液態電解液被廣泛應用于許多領域，如電池技術、電解過程、電鍍、電解析等。不同類型的液態電解液具有不同的特性和應用。液態電解液也是多數電池技術的首選，例如鉛酸蓄電池。它們提供了優良的離子傳導性和相對較低的制造成本，但當溫度過高或者發生碰撞時，有可能造成鉛酸蓄電池的電解液泄漏對人員造成傷害。
固態電解液
固態電解液是一種具有離子傳導功能的電解質材料，處于固體狀態下。它由離子傳導固體、鋰鹽或其他電解質以及適量的添加劑組成。相對于傳統的液態電解液，固態電解液具有許多優點。
首先，固態電解液具有較高的安全性。由于其固態特性，固態電解液不易泄漏，減少了火災和爆炸的風險。這使得固態電解液在應用于電池和超級電容器等能源存儲設備時更加可靠和安全。其次，固態電解液具有良好的化學和熱穩定性。相較于液態電解液，在更廣泛的溫度范圍內，固態電解液能夠保持穩定的性能。這使得固態電解液能夠應對高溫環境，并且不易受到化學反應的影響。此外，固態電解液具有較長的壽命。它具有較低的插拔損耗和較少的腐蝕問題，因此能夠延長電池或超級電容器的使用壽命。這為電池和超級電容器在長期使用中提供了更好的性能表現。然而，固態電解液仍然面臨一些挑戰。例如，固態電解液與電極界面的穩定性較差，界面阻抗較高和充放電效率有待進一步提高。
凝膠電解液
凝膠電解液是一種具有凝膠狀結構的電解質材料，用于電池和超級電容器等能源存儲裝置中。它由溶劑、電解質和凝固劑組成，其中溶劑起到承載電解質并形成凝膠網絡的作用。
相對于傳統液態電解液，凝膠電解液結合了液態和固態的優勢，特別適用于柔性、可穿戴和薄膜電池等領域。首先，凝膠結構賦予了電解液更好的機械強度和柔韌性，使其能夠承受振動和變形等外部應力。這提高了電池和超級電容器的可靠性和耐久性。其次，凝膠電解液具有良好的離子傳導能力。利用電解液的凝膠結構可以構建特殊的離子通道，電荷傳輸更快、更穩定，從而提高了能源存儲裝置的性能。然而，凝膠電解液也存在一些挑戰，如制備復雜、黏度較高可能導致傳輸阻力增加等。
根據溶劑類型分類
電解液根據其溶劑類型可以分為幾個不同的類別。
水性電解液
水性電解液是一種以水為基質溶劑的電解質溶液。它由離子和水組成，可以包括酸性、堿性或中性電解液，具體取決于應用需求。
相比有機溶劑電解液，水性電解液具有一些優勢。首先，基于水的電解液具有低毒性和低揮發性，對環境和操作員的危害較小。其次，水性電解液更易于處理和回收，有利于資源的循環利用。此外，相較于有機溶劑電解液，水性電解液的成本通常更低，因為水是一種廉價和廣泛可獲得的溶劑。然而，水性電解液也存在一些缺點。由于水的導電性相對較低，水性電解液的導電性可能會受到限制。此外，水性電解液可能不夠穩定，容易發生水解反應或電解過程中的氣體生成等問題。
有機溶劑電解液
有機溶劑電解液是一種用于電化學應用的溶劑體系，其中溶解了適量的電解質以實現離子傳導。相較于水基電解液，有機溶劑電解液具有許多獨特的特點和優勢。
首先，有機溶劑通常具有較高的溶解度，能夠溶解更多的電解質，從而實現更高的離子濃度。這樣的高溶解度有助于提高電池或電化學系統的性能，并增加其能量密度。其次，有機溶劑電解液還具有寬電壓窗口。這意味著在更大范圍內，有機溶劑能夠穩定地工作，不易引起電解液的降解或過電壓反應。這使得有機溶劑電解液適合用于高能量密度和高功率要求的電化學設備。然而，有機溶劑電解液也存在一些缺點。高成本、較低的導電性能和較高的毒性是其中的主要問題。
無機溶劑電解液
無機溶劑電解液使用無機溶劑，如液態氨、液態硫、液態氟化物等。無機溶劑電解液具有許多獨特的特點和優勢。
首先，相對于有機溶劑電解液而言，無機溶劑電解液具有較低的成本。其次，無機溶劑電解液通常具有較高的穩定性。它們在廣泛的溫度范圍內都能保持化學穩定性，并且對環境條件的變化不敏感。這使得無機溶劑電解液非常適合各種電化學應用，尤其是在極端環境下的工作條件。然而，無機溶劑電解液也存在一些缺點。由于無機溶劑的較高極性，其溶解度可能相對較低，這可能限制了離子濃度和電荷傳輸能力。
聚合物電解液
聚合物電解液是一種特殊類型的電解液，由聚合物基質和離子傳導電解質組成。聚合物電解液在電化學應用中具有獨特的特點和優勢。
首先，聚合物電解液具有較高的離子遷移率，這是由于聚合物基質中的離子傳導路徑具有連續、均勻和大量的通道。因此，聚合物電解液可以支持高效的電化學反應。其次，相對于傳統的有機溶劑電解液，聚合物電解液具有較低的揮發性，減少了蒸汽壓和泄漏的風險。這使得聚合物電解液更安全，尤其適用于需要高安全性的應用領域。然而，聚合物電解液也面臨一些挑戰。例如，聚合物材料可能受到水分和氧氣的影響，因此需要采取措施保護電解液免受濕度和氧化的影響。
離子液體電解液
離子液體電解液是一種特殊的電解液，由離子液體作為溶劑或電解質組成。它具有寬廣的電化學窗口、良好的化學穩定性和熱穩定性，以及高離子傳導性能等獨特特點。相對于傳統的有機溶劑電解液，離子液體電解液具有較低的揮發性和較高的熱穩定性，從而降低了蒸汽壓和泄漏的風險，并能在高溫環境中保持穩定性。此外，離子液體電解液還表現出較高的離子遷移率，能夠提供快速的電荷傳輸和高效的電化學反應。然而，離子液體電解液制備成本較高，部分離子液體可能對材料具有腐蝕性，并且其黏度較高可能影響離子傳輸速率。
研制進展
2024年2月29日，國際期刊《自然》刊發的研究成果中，浙江大學材料科學與工程學院范修林研究員團隊設計出一款新型電解液，既能支持高比能鋰離子電池在-70℃到60℃的超寬溫區內進行可逆地充放電，又可以使高能量密度鋰離子電池在10分鐘內完成快速充放電。
范修林團隊提出的新型電解液在25℃室溫下的離子電導率是商用電解液的4倍，在-70℃時高于商用電解液3個數量級以上。范修林表示，“同等條件下，我們設計的鋰離子電池，能夠實現10分鐘完成八成充電量，展現出超快的離子傳輸行為?！笨斐湫阅軆灝?，也意味著鋰離子電池的低溫充放電性能較為優異。
應用領域
電池
電解液主要應用于鋰離子電池和燃料電池中。鋰離子電池是一種常用的可充電電池，廣泛應用于移動設備、fcv和儲能系統等領域。電解液是鋰離子電池中連接正負極的介質，它主要由有機溶劑和鹽類組成。有機溶劑通常是含有元素的碳酸酯或醚類化合物，而鹽類則是指鋰鹽，如六氟磷酸鋰等。
同樣，電解液在燃料電池中具有至關重要的作用。燃料電池是一種將化學能直接轉化為電能的設備，通過電解質層實現離子傳遞來產生電流。不同類型的燃料電池使用不同的電解質。例如，堿性燃料電池（AFC）則使用氫氧化鉀或氫氧化鈉作為電解液。這種堿性電解液在高濃度下提供離子導電通道，促使氫氣和氧氣之間的氧化還原反應發生。
超級電容器
電解液在超級電容器（Supercapacitor）領域也扮演著重要的角色。超級電容器是一種具有高能量密度和高功率密度的電化學能量存儲裝置，廣泛應用于各個領域，如能源回收、電動汽車、電子設備等。電解液在超級電容器中的應用主要是提供離子傳輸的通道，使得超級電容器能夠在充放電過程中快速地存儲和釋放電能。
電解水制氧
通過電解水，可以將水分解為氫氣和氧氣。電解液在電解水裝置中扮演離子傳導的角色，使氫離子和氫氧根離子在電極之間移動，從而生成氫氣和氧氣。這種技術被廣泛用于可再生能源儲能和氫能源的生產。
電化學加工和表面處理
電解液在電化學加工中發揮著重要作用，主要應用于金屬的電解沉積、電解腐蝕和電解拋光等工藝。通過電解沉積可以在金屬基體上形成均勻致密的金屬膜，改善外觀和耐腐蝕性。電解腐蝕則能去除金屬表面的雜質和氧化物層，提高表面質量和附著力。而電解拋光則通過陽極溶解反應去除金屬表面的不平整和粗糙度，提高表面光潔度和抗腐蝕性能。在電解拋光過程中，金屬離子會溶入拋光液中并逐漸沉積，因此需要定期過濾拋光液以去除沉淀物。
傳感器
環境傳感器
電解液在環境傳感器領域有廣泛的應用，電解液在電化學傳感器中用于傳導離子。例如，電解液可以用作pH傳感器中的測量介質，通過測量溶液中的氫離子濃度來確定酸堿性。此外，電解液還可應用于作氣體傳感器，用于檢測環境中的有毒有害氣體水平。另外，電解液對溫度和濕度的敏感性也使其成為溫度傳感器和濕度傳感器中的重要組成部分。
生物醫學傳感器
電解液在生物醫學傳感器方面有廣泛的應用。電解液可以作為血液分析傳感器中的填充液，確保良好的電極和血液接觸，準確測量血糖水平。同時，電解液也可以用于pH的測量，并廣泛應用于監測體液中的酸堿平衡和離子濃度變化。而且，電解液提供了適宜的環境條件，支持傳感器監測生物反應，如細胞培養中的細胞生長和功能。
注意事項
常見的揮發性有毒電解液主要包括氫氟酸、硫酸、硝酸、氯化物等。這些電解液具有高度揮發性和腐蝕性，可能對人體和環境造成嚴重傷害。這些電解液的接觸會導致皮膚灼傷、眼部刺激和損傷，甚至嚴重的化學燒傷。吸入或攝入這些有毒電解液的蒸汽或顆粒物可能引起呼吸道刺激、肺部損傷、消化系統問題甚至中毒。因此，在使用電解液時，為確保安全和有效性，需要注意以下事項：
個人防護裝備
在操作電解液之前，穿戴適當的個人防護裝備。這包括耐化學品手套、護目鏡、實驗室外套和適合的鞋子。個人防護裝備可以降低與電解液接觸造成的風險。
通風條件
確保操作區域有良好的通風條件。電解液中可能含有揮發性有機物或產生氣體。通過提供充足的通風，可以減少對操作人員的潛在危害。
化學品相容性
了解所使用的電解液的化學性質，并確保避免與其他物質發生不良反應。不同的化學物質可能會引起反應或產生有害的氣體或沉淀物。
操作溫度
某些電解液對溫度敏感，因此要確保在適宜的溫度范圍內操作。避免過高或過低的溫度，以免影響電解液的性能和穩定性。
加注和混合順序
根據設備和應用要求，正確加注電解液。遵循制造商的指示，確保正確的加注和混合順序，以免影響設備的性能和安全性。
廢棄物處理
當電解液不再可用或需要更換時，請按照當地環境法規和安全準則進行正確的廢棄物處理。避免將電解液隨意傾倒到排水系統或自然環境中，以免對環境造成污染。
定期檢查和維護
定期檢查電解液的濃度、PH值和狀態，并根據需要進行必要的調整和維護。這有助于保持電解液的性能和延長設備的使用壽命。
泄露處理
穿戴適當的個人防護裝備，包括化學護目鏡、防護手套和長袖衣物。迅速隔離泄漏源，防止進一步擴散。確保通風良好，排除有害氣體積聚。避免火源靠近泄漏區域。使用合適的吸收劑將泄漏液體吸收并轉移至合適容器。妥善處理廢液，按照當地法規要求進行處置，切勿倒入下水道或環境中。清潔和消毒泄漏區域，確保無殘留物。及時告知相關安全和環保部門，尋求進一步指導和支持。
參考資料 >
新型電解液研制成功.今日頭條.2024-02-29