CN110323487B - 锂离子电池及包含其的用电设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种锂离子电池及包含其的用电设备，涉及电池领域。锂离子电池包括：电极组件；以及用于浸润所述电极组件的电解液；其中，所述电极组件，包括电极主体、正极极耳和负极极耳，所述电极主体包括围绕轴线卷绕在一起的正极极片、负极极片以及设置在所述正极极片和所述负极极片之间的隔离膜；所述正极极耳连接于所述正极极片，所述负极极耳连接于所述负极极片；沿轴线方向(X)，所述电极主体具有相对设置的两侧部，所述正极极耳和所述负极极耳分别从所述电极主体的两侧部延伸出；所述正极极片包括正极集流体和设置于所述正极集流体至少一个表面的正极材料层，所述电解液含有添加剂A，所述电解液在所述电极主体中的扩散速率v为0.01μg/s～5μg/s。该锂离子电池具有高能量密度、高循环性能和高安全性的优点。

Description

锂离子电池及包含其的用电设备
技术领域
本发明涉及电池领域，具体的，涉及一种锂离子电池及包含其的用电设备。
背景技术
锂离子电池因其工作电位高，寿命长，环境友好的特点成为最受欢迎的能量存储系统，现已被广泛应用于纯电动汽车，混合电动汽车，智能电网等领域。但目前基于LiFePO4正极材料的锂离子电池难以满足人们对续航能力的更高需求，要破除人们对电动汽车“里程焦虑”的问题，就迫切需要开发具有更高能量密度的锂离子电池体系。
提高电池的能量密度可以采用高能量密度的正极材料，如高电压 LiNi0.5Mn1.5O4、高容量的高镍三元NCM811和富锂三元材料。但是这些材料相比其他正极活性材料，表面杂锂含量高、颗粒表面与电解液的副反应活性较强，导致使用上述正极材料的锂离子电池的高温产气量较大，带来安全风险。同时，对于卷绕式电池来说，目前产业化的提高其能量密度的方法是通过提高包装材料的空间利用率来提高能量密度，例如，将电芯长度方向加长，降低用于引出正、负极片电流的极耳所占的空间。但是，根据研发经验，增加空间利用率将会使得电解液更难进入卷绕式电芯，尤其在循环过程中，由于正极极片表面的SEI膜的形成与消耗是一个动态过程，电芯内部的体积膨胀-收缩会将游离态的电解液挤出至卷绕式电芯两端，如果电解液不能及时回流至电芯中部，会造成卷绕式电芯在循环过程中由于动力学不足导致析锂发生；同时，由于正极极片表面的SEI被消耗完而不能及时形成新的SEI膜，不仅电芯的产气性能会发生恶化，甚至可能还有严重的安全风险。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种锂离子电池，以解决目前卷绕式电芯高能量密度和高循环性能不能兼具的问题。
本发明的第二目的在于提供一种包含本发明锂离子电池的用电设备。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种锂离子电池，包括：
电极组件；以及用于浸润所述电极组件的电解液；其中，
所述电极组件包括电极主体、正极极耳和负极极耳，所述电极主体包括围绕轴线卷绕在一起的正极极片、负极极片以及设置在所述正极极片和所述负极极片之间的隔离膜，所述正极极片包括正极集流体和设置于所述正极集流体至少一个表面的正极材料层，所述正极极耳连接于所述正极极片，所述负极极耳连接于所述负极极片；
沿所述轴线方向(X)，所述电极主体具有相对设置的两侧部，所述正极极耳和所述负极极耳分别从所述电极主体的两侧部延伸出；
所述电解液含有添加剂A，所述添加剂A包括含不饱和键的磷酸酯化合物、含-SO2-键的环状化合物、含不饱和键的环状硅氧烷化合物中的至少一种，所述电解液在所述电极主体中的扩散速率v为0.01μg/s～5μg/s，优选为0.2μg/s～2μg/s。
一种用电设备，包括本发明的锂离子电池。
本发明提供的技术方案可以达到以下有益效果：
本发明的锂离子电池为卷绕式锂离子电池，将正、负极极耳分别设置在沿轴线方向的电极主体的两个侧部，能够有效提高单体电池内部空间利用率，提高电池的体积能量密度密度，但是这种结构的锂离子电池容易存在循环过程中被挤到电极主体两端的电解液回流不及时，容易引发的产气甚至安全问题。通过在电解液中加入能够在正极极片表面形成致密SEI膜的添加剂A，同时将电解液的浸润性与极片微观结构、电极主体的结构相匹配，控制含有添加剂A的电解液在电极主体的扩散速率在0.01μg/s～ 5μg/s的范围内，保证循环过程中电解液能够快速进入卷绕式电芯内部，并且在正极极片表面及时形成新的SEI膜，提高锂离子电池的循环性能和安全性、抑制高容量锂离子电池的产气问题。因此，本发明提供的锂离子电池，兼具高能量密度、高循环稳定性和高安全性的特点。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请实施例提供的电极组件示意图。
图2为本申请实施例提供的硬壳锂离子电池的分解示意图。
图3为本申请实施例提供的软包锂离子电池的结构示意图。
附图标记：
1-电极组件；
11-电极主体；
12-正极极耳；
13-负极极耳；
14-侧部。
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
需要说明的是：本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有实施方式以及优选实施方法可以相互组合形成新的技术方案。本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。本发明中，如果没有特别的说明，百分数(％) 或者份指的是相对于组合物的重量百分数或重量份。本发明中，如果没有特别的说明，所涉及的各组分或其优选组分可以相互组合形成新的技术方案。本发明中，除非有其他说明，数值范围“a～b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示，其中a和b都是实数。例如数值范围“6～22”表示本文中已经全部列出了“6～22”之间的全部实数，“6～22”只是这些数值组合的缩略表示。本发明所公开的“范围”以下限和上限的形式，可以分别为一个或多个下限，和一个或多个上限。本发明中，除非另有说明，各个反应或操作步骤可以顺序进行，也可以按照顺序进行。优选地，本文中的反应方法是顺序进行的。
除非另有说明，本文中所用的专业与科学术语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法或材料也可应用于本发明中。
一方面，本发明提供了一种锂离子电池，包括：
电极组件1(如图1所示)，以及用于浸润所述电极组件1的电解液，电极组件1，包括电极主体11、正极极耳12和负极极耳13，电极主体11 包括围绕轴线卷绕在一起的正极极片、负极极片以及设置在正极极片和负极极片之间的隔离膜，正极极片包括正极集流体和设置于所述正极集流体至少一个表面的正极材料层；正极极耳12连接于正极极片，负极极耳13 连接于负极极片；沿轴线方向(X)，电极主体具有相对设置的两侧部14，在该锂离子电池中，电极主体11的两侧部14分别延伸出正极极耳12和负极极耳13。其中，X方向为电极主体11的正极极片、负极极片以及设置在所述正极极片和所述负极极片之间的隔离膜的卷绕的轴线方向，也是电解液在电极主体的主要扩散方向；Y方向为电极主体11的厚度方向；Z方向为电极主体11的宽度方向。
本发明中，将正极极耳12、负极极耳13分别设置在电极主体11的两侧部14，尤其当正、负极极耳进一步向电极主体的厚度方向弯折后，电池壳体中电极主体的体积占有率增加，有利于提高电池内部空间的活性物质含量，从而有效提高锂离子电池的体积能量密度。但是，对于卷绕结构的电芯，电解液仅能从电极主体的两个侧部向电极主体中部扩散进入，尤其当极耳在电极主体的厚度方向(Y)进一步弯折后，容易导致部分电解液的扩散路径被遮挡，使得电解液对电极主体的浸润难度加大；同时，在电池的充电过程中，正、负极片活性物质层都会发生体积膨胀，极片间的间距缩短、电芯中部的部分电解液被挤出，而在电池的放电过程中，正、负极片活性物质层又会发生体积收缩，极片间的间距增大，游离的电解液又需要重新补充到正负极极片当中。若电解液没有及时补充，在接下来的循环过程中，正、负极片间游离态的锂离子会因为电解液不足、不能及时嵌入而引发析锂问题；同时，由于正极极片表面的SEI被消耗完而不能及时形成新的SEI膜，电芯的产气性能会发生恶化，进而导致电池循环性能变差，甚至存在安全风险。
在本发明中，为了提高本发明锂离子电池的高温适用性和安全性，所述电解液中含有添加剂A。添加剂A包括含不饱和键的磷酸酯化合物、含 -SO2-键的环状化合物、含不饱和键的环状硅氧烷化合物中的至少一种，电解液在电极主体中的扩散速率v为0.01μg/s～5μg/s，优选为0.2μg/s～2μg/s。通过引入添加剂A优先在正极表面成膜，形成结构致密且稳定性较好的钝化层，阻隔正极与溶剂的直接接触，进而有效的抑制溶剂的氧化产气。本发明中，上述成膜添加剂尤其适用于产气问题较为严重的高容量电池体系。与此同时，调节电解液在电极主体中扩散速率v为0.01μg/s～5μg/s，优选为0.2μg/s～2μg/s，该电解液在电极主体中具有良好的浸润性，可以快速进入电极主体内部，并及时在正极极片表面形成新的SEI膜，进而提高锂离子电池的循环性能、安全性、改善循环过程中的产气问题。
本发明中，电解液在电极主体的扩散速率v为v＝γ×H/L，其中，γ为正极极片对电解液的吸液速率(μg/s)，H为沿电极主体的宽度方向(Z) 侧部的最大长度(mm)，L为沿轴线方向(X)电极主体的长度(mm)。本发明中，扩散速率v以电极主体中正极极片对电解液的吸液速率为主要影响因素进行计量，主要基于以下原因：电解液中添加剂A主要作用于正极极片的活性物质颗粒表面形成结构致密的钝化膜，从而改善锂离子电池的产气性能；同时，通常正极极片的压实密度高于负极极片，极片内部结构更紧密，电解液在正极极片的扩散性对电池循环性能影响更为显著。
本发明中，正极极片对电解液的吸液速率γ可通过以下方法测定：用一定内径且带有标准刻度的滴管装满电解液，滴管下口直径为0.2mm；将正极极片充分干燥(例如在70℃～90℃下干燥10h～15h)，之后裁取 5cm×5cm的正方形正极极片；在湿度低于2％的干燥房内，使滴管下口与正方形正极极片接触，并保证滴管垂直于正方形正极极片表面，滴管内的电解液逐渐浸润至正方形正极极片内部，记录每秒浸润到正方形正极极片的电解液质量，即为正极极片对电解液的吸液速率。
同时，电解液在电极主体中的扩散速率v还会受电极主体结构的影响。本发明中，H为沿电极主体的宽度方向(Z)侧部的最大长度(mm)，L 为沿轴线方向(X)电极主体的长度(mm)。当H越小，电解液从外进入电极主体的通道就越窄；当L越长，电解液扩散到电极主体中心区域的路径就越长。本发明中，当电极主体的长度L小于宽度H时，电极主体的体积能量密度更高、但不利于电解液快速进入电芯，电解液的扩散速率v 对电极主体尺寸H、L的依赖性更强。
综合以上，本发明中，将电解液在电极主体中的扩散速率v定义为： v＝γ×H/L(μg/s)，其中，γ的单位为μg/s，H和L的单位为mm。
在本发明的一些实施方式中，沿电极主体的宽度方向(Z)侧部的最大长度H(mm)以及沿轴线方向(X)电极主体的长度L(mm)，满足： 0.05≤H/L≤0.8。作为本发明的一些优选的实施方式，H/L为 0.1～0.6。作为本发明进一步的优选的实施方式，H/L为0.15～0.5。具体地， H/L的数值可以为0.8、0.75、0.7、0.65、0.6、0.55、0.5、0.45、0.4、0.35、 0.3、0.25、0.2、0.1或0.05等。H/L比值较小的电极主体结构相对于长、宽较为接近的电池来说，最大程度的降低了正极极耳和负极极耳在正极极片和负极极片中的占比，相对提高了锂离子电池的空间利用率，进而提高了锂离子电池的能量密度。同时，由于极耳分别设置在电极主体的两端，可以简化模组组装时的线路设计，在提高组装效率的同时，还能降低成本。
在本发明的一些实施方式中，电极主体的轴线方向(X)为水平方向。此时，电极主体的卷绕轴方向与水平方向基本平行，电解液能够从电极主体的两端浸润、扩散进入电极主体内部，更有利于电解液的快速浸润。
作为本发明的一种具体实施方式，如图2所示，电极组件的卷绕轴方向为水平方向，电极组件放置于电池壳体内，并用顶盖密封，组装成锂离子二次电池。根据不同的应用场景，该锂离子二次电池可以竖直放置(即 Z方向与重力方向平行)，也可以平躺放置(即Y方向与重力方向平行)。
作为本发明的一种具体实施方式，如图3所示，电极组件的卷绕轴方向为水平方向，电极组件由铝塑膜包装，包装袋边缘通过热压、胶体固定等方式密封，组装成锂离子二次电池。根据不同的应用场景，该锂离子二次电池可以竖直放置(即Z方向与重力方向平行)，也可以平躺放置(即 Y方向与重力方向平行)。
在本发明的一些实施方式中，添加剂A在电解液中的质量占比w(％) 与扩散速率v(μg/s)满足：0.1≤w×v≤10。
作为本发明的一些优选实施方式中，添加剂A在电解液中的质量占比 w(％)与扩散速率v(μg/s)满足：0.4≤w×v≤5。
在电池的循环过程中，电解液容易被挤到电芯的两端，此时电芯内部的添加剂A含量相比于正极活性物质含量低很多，由于电芯内部的正极活性物质表面已形成的SEI被不断消耗、而添加剂A含量相对偏低，导致内部正极活性物质表面无法持续形成稳定的保护膜，容易导致电解液与正极活性物质再次接触时发生大量副反应，引发产气问题。同时，添加剂A通常形成的SEI膜阻抗较高。本发明的发明人通过研究发现，电解液中添加剂A的质量百分比w与电解液在电极主体的扩散速率v的相互关系对正极极片的成膜质量及界面阻抗影响较大，从而影响了电池的产气量以及循环性能。当添加剂A在电解液中的质量占比w与所述扩散速率v满足上述关系式时，既可以保证电解液具有较高的浸润速率，也能保证有足够的添加剂A形成稳定的保护膜来抑制产气，同时添加剂A的用量适中，保证锂离子电池的循环性能良好。
本发明中，含不饱和键的磷酸酯化合物为式1化合物中的至少一种，
Figure BDA0002124789240000071
其中，R1、R2和R3分别独立地选自碳原子数为1～6的烷基、烯基、炔基、卤代烷基、卤代烯基、卤代炔基，碳原子数为6～10的芳基或卤代芳基中的一种，并且R1、R2和R3中的至少一个含有双键或三键；
优选地，含磷氧键化合物的R1、R2和R3至少一个支链的末端为碳碳不饱和键；
更优选的，含磷氧键化合物的R1、R2和R3支链末端全部为碳碳不饱和键。
作为本发明的一些优选实施方式中，式1所示含有不饱和支链的磷酸酯化合物可选自下述化合物中的一种或几种：
Figure BDA0002124789240000081
本发明中，含-SO2-键的环状化合物包括式2～式4化合物中的至少一种，
Figure BDA0002124789240000082
其中，R4为碳原子数为1～4的亚烷基、碳原子数为1～4的氟代亚烷基、2～4的亚烯基、碳原子数为2～4的氟代亚烯基、碳原子数为6～14的亚芳基、碳原子数为6～10的氟代亚芳基；
R5、R6、R7和R8分别独立地为H、碳原子数为1～6的烷基、烯基、炔基、卤代烷基、卤代烯基、卤代炔基，碳原子数为6～10的芳基或卤代芳基中的一种，n是1、2或3。
作为本发明的一些优选实施方式中，所述式2化合物中，碳原子数为 1～4的亚烷基为直链或支链亚烷基。作为烷基的实例，具体可以举出：亚甲基、亚乙基、亚丙基、亚异丙基、亚丁基、亚异丁基、亚仲丁基、1-甲基亚丙基、2-甲基亚丙基等。
在上述式2中，碳原子数为1～4的氟代亚烷基中，氟原子的取代个数及其取代位置并没有特别的限制，可根据实际需求选择氟原子对亚烷基中的部分氢原子或者全部氢原子进行取代。例如，氟原子的个数可为1个、 2个、3个、4个或多个。
作为氟代亚烷基的实例，具体可以举出：1-氟亚甲基、1-氟亚乙基、 1,1,2,2-四氟亚乙基、1-氟亚丙基、2-氟亚丙基、1,1,1-三氟亚丙基、1-氟亚异丙基、1-氟亚丁基、1-氟亚异丁基、1-氟亚仲丁基等。
在上述式中，碳原子数为2～4的亚烯基为直链或支链亚烯基，优选直链亚烯基，烯基中双键的个数可以为1个或2个。作为亚烯基的实例，具体可以举出：亚乙烯基、亚烯丙基、亚异丙烯基、亚丁烯基、亚丁二烯基、1-甲基亚乙烯基、1-甲基亚丙烯基、2-甲基亚丙烯基等。
在上述式2中，碳原子数为2～4的氟代亚烯基中，氟原子的取代个数及其取代位置并没有特别的限制，可根据实际需求选择氟原子对亚烯基中的部分氢原子或者全部氢原子进行取代。例如，氟原子的个数可为1个、 2个或多个。
作为氟代亚烯基的实例，具体可以举出：1-氟亚乙烯基、1,2-二氟亚乙烯基、1-氟亚烯丙基、1-氟亚异丙烯基、1-氟亚丁烯基、1-氟亚丁二烯基、 1,2,3,4-四氟亚丁二烯基等。
在上述式2中，碳原子数为6～10的亚芳基中，芳基的具体种类并没有特别的限制，可根据实际需求进行选择，例如亚苯基、亚萘基、亚苯烷基，其中在苯基上还可以连接有其他取代基团，例如烷基。
作为亚芳基的实例，具体可以举出：亚苯基、亚苄基、1-亚萘基、2- 亚萘基、邻甲基亚苯基、间甲基亚苯基、对甲基亚苯基、对乙基亚苯基、间乙基亚苯基、邻乙基亚苯基、1-四氢亚萘基、2-四氢亚萘基、4-乙烯基亚苯基、3-异丙基亚苯基、4-异丙基亚苯基、4-丁基亚苯基、4-异丁基亚苯基、4-叔丁基亚苯基、2,3-二甲基亚苯基、2,4-二甲基亚苯基、2,5-二甲基亚苯基、2,6-二甲基亚苯基、3,4-二甲基亚苯基、3,5-二甲基亚苯基、2,4, 5-三甲基亚苯基、2,4,6-三甲基亚苯基等。
在上述式2中，碳原子数为6～10的氟代亚芳基中，氟原子的取代个数及其取代位置并没有特别的限制，卤原子的个数可为1个、2个、3个、 4个、5个或多个。
作为氟代亚芳基的实例，具体可以举出：2-氟亚苯基、3-氟亚苯基、 4-氟亚苯基、2-氟-4-甲基亚苯基、3-氟-4-甲基亚苯基、4-氟-2-甲基亚苯基、 2,4-二氟亚苯基、3,4-二氟亚苯基、2,6-二氟-4-甲基亚苯基、2,6-二氟-3- 甲基亚苯基、2-氟-亚萘基、4-氟-亚萘基、2,4,6-三氟亚苯基、2,3,4,6-四氟亚苯基、4-三氟甲基亚苯基、2,3,4,5-四氟亚苯基、五氟亚苯基、3,5- 二(三氟甲基)亚苯基等。
作为本发明的一些优选实施方式中，式2化合物选自如下化合物中一种或多种：
Figure BDA0002124789240000101
Figure BDA0002124789240000111
本发明中，含不饱和键的环状硅氧烷化合物包括式5化合物中的至少一种：
Figure BDA0002124789240000112
式5中，R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16各自独立地选自取代或未取代的碳原子数为1～4的烃基，且R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、 R16中的至少一个含有双键或三键，取代基为卤族元素。
作为本发明的一些优选实施方式中，式5化合物选自如下化合物中一种或多种：
Figure BDA0002124789240000121
作为本发明的一些优选实施方式中，添加剂A包括但不限于1,3-丙烷磺内酯、丙烯磺酸内酯、甲烷二磺酸亚甲酯、磷酸三烯丙酯、四甲基四乙烯基环四硅氧烷中的至少一种。
在进一步优选的实施方式中，添加剂A为甲烷二磺酸亚甲酯、磷酸三烯丙酯或四甲基四乙烯基环四硅氧烷中的至少一种。
在本发明的一些实施方式中，电解液在25±3℃下的粘度为 0.5mPa·s～5.0mPa·s。本发明中，电解液的粘度在上述范围内时，电解液的流动速率较高，能够有效提高电解液在正极极片中的浸润速率以及电解液在电极主体的扩散速率。作为本发明一些优选的实施方式，上述电解液在0℃的粘度为1mPa·s～6.0mPa·s。这样可以保证电解液在常温以及低温条件下均具有良好的流动性，保证电池在高低温下都均有良好的动力学性能。
在本发明的一些实施方式中，所述电解液中包括低粘度溶剂，还可以选择性地添加一定量地浸润剂；其中，所述低粘度溶剂在25±3℃下的粘度≤0.65mPa·s。通过使用低粘度溶剂，或选择性地在电解液中添加浸润剂，以使电解液获得特定的流动速率，从而提高电解液在正极极片的浸润速率。
在本发明的一些实施方式中，低粘度溶剂包括但不限于碳酸二甲酯 DMC、甲酸甲酯MF、甲酸乙酯EF、乙酸甲酯MA、乙酸乙酯EA、丙酸乙酯EP、丁酸乙酯EB、四氢呋喃THF、2甲基四氢呋喃、二氧戊环DOL、 1,2-二甲氧基乙烷DME、乙腈AN、甲基九氟丁醚MFE或乙基九氟丁醚 EFE中的至少一种。
在本发明的一些实施方式中，为了获得良好浸润性的电解液，低粘度溶剂在电解液中的质量分数占比可以为10％～80％，优选为20％～60％。该质量分数占比典型但非限制性的例如可以为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％或80％。
在本发明的一些实施方式中，电解液中含有浸润剂，浸润剂包括但不限于1,1,2,2四氟乙基-2,2,3,3四氟丙基醚、1H,1H,5H,八氟戊基-1,1,2,2四氟乙基醚或1,1,2,2-四氟乙基-2,2,2-三氟乙基醚中的至少一种。
其中，浸润剂在电解液中的质量分数占比例如为0.1％～10％。具体的，例如可以为0.1％、0.5％、1％、1.5％、2％、3％、5％、7％、9％或10％。
本发明的锂离子电池的正极材料层中的正极活性材料典型但非限制性的选自锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴锰氧化物、锂镍钴铝氧化物或橄榄石结构的含锂磷酸盐等，但本申请并不限定于这些材料，还可以使用其他可被用作锂离子电池正极活性材料的传统公知的材料。这些正极活性材料可以仅单独使用一种，也可以将两种及以上组合使用。
在本发明的一些实施方式中，正极活性物质包含式(1)～式(3)所示的化合物中的至少一种：
Li1+xNiaCobM1-a-bO2-yAy 式(1)
Li1+x’Nia’M’2-a’O4-y’Ay’ 式(2)
c[Li2MnO3]·(1-c)[LiM”2O2-y”Ay”] 式(3)
其中，式(1)中，-0.1≤x≤0.2，0.5≤a<1，0.02<b<0.3， 0.55<a+b<1，0≤y<0.2，M包括Mn、Fe、Cr、Ti、Zn、V、Al、Zr 及Ce中的一种或多种，A包括S、N、F、Cl、Br及I中的一种或多种；式(2)中，-0.1≤x’≤0.2，0.4≤a’<0.6，0≤y’<0.2，M’包括 Mn、或者Mn以及Fe、Cr、Ti、Zn、V、Al、Zr、Mg、Ce中的一种或多种，A’包括S、N、F、Cl、Br及I中的一种或多种；式(3)中，0<c<1， 0≤y’<0.2，M”为Ni、Co和Mn，或者Ni、Co和Mn以及Fe、Cr、 Ti、Zn、V、Al、Zr及Ce中的一种或多种。
当正极活性物质选自式(1)～式(3)所示的化合物时，在充放电循环过程中，上述正极活性物质的Ni含量较高或者工作电压较高，使得正极活性物质颗粒表面与电解液发生副反应的概率增大，更容易发生产气问题。当电解液在电极主体的扩散速率在0.01μg/s～5μg/s时，可以在上述正极材料表面及时形成成膜质量良好的SEI膜，有效改善使用上述正极材料的锂离子电池的产气问题。
在本发明的一些优选实施方式中，正极活性材料可选自 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523)、LiNi0.55Co0.05Mn0.4O2、LiNi0.55Co0.1Mn0.35O2、 LiNi0.55Co0.12Mn0.33O2、LiNi0.55Co0.15Mn0.3O2、LiNi0.6Co0.15Mn0.25O2、 LiNi0.6Co0.18Mn0.22O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622)、LiNi0.65Co0.05Mn0.3O2、 LiNi0.65Co0.09Mn0.26O2、LiNi0.65Co0.12Mn0.23O2、LiNi0.65Co0.15Mn0.2O2、 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)、LiNi0.85Co0.15Al0.05O2、LiNi0.5Mn1.5O4、0.2[Li2MnO3]·0.8[LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2]、LiNi0.88Co0.05Mn0.07O2、或 0.3[Li2MnO3]·0.7[LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2]中的至少一种。
在本发明的一些实施方式中，所述正极材料层还包括导电剂和粘结剂，导电剂和粘结剂的种类没有具体的限制，可根据实际需求进行选择。
本发明的发明人通过研究发现，正极材料层的孔隙率、比表面积以及 OI值对电解液的扩散速率也有较大的影响。
在本发明的一些实施方式中，所述正极极片包括正极集流体和涂敷于正极集流体表面的正极材料层，所述正极材料层的孔隙率为10％～50％，优选为20％～40％。正极材料层的孔隙率越大，电解液进入正极极片内部的路径就越多越通畅，使得电解液更快速浸润正极极片。通过将正极材料层的孔隙率限定为10％～50％，既可以使电解液更快更好地浸润正极极片，又可以使电解液的填充量保持合理范围，同时，使电极主体具有较高的体积能量密度和质量能量密度。
在本发明的一些实施方式中，正极材料层的比表面积为0.5m2/g～ 1.5m2/g。正极材料层的比表面积越大，越容易吸收电解液，也能加快电解液在正极极片上的浸润。通过将正极材料层的比表面积设定为0.5m2/g～ 1.5m2/g，同样既可以使电解液迅速浸润正极极片，又能将正极材料层与电解液的接触面积控制在合理范围内，有效防止电解液与正极极片副反应的发生。
本发明中，正极材料层的晶粒取向OI值为5～120。作为优选地，正极材料层的OI值为30～70。本发明中，正极膜片的OI值为正极极片的X射线衍射图谱中(003)衍射峰与(110)衍射峰的峰面积之比。正极材料层的OI值可以反映正极膜片中层状结构的含锂化合物颗粒的堆积取向程度，正极极片中正极颗粒各晶面的表面能不同，对电解液的亲和力不同。将正极材料层的OI值调整至上述范围内，可以在一定程度上提高电解液与正极极片的浸润性，从而提升电解液在电极主体的扩散速率。
在根据本发明的锂离子电池中，负极片可包括负极集流体以及设置于负极集流体上且含有负极活性材料的负极材料层。所述负极活性材料的种类没有具体的限制，可根据实际需求进行选择。具体地，所述负极活性材料为能够可逆地脱嵌锂的材料，包括石墨、硅、锡、金属氧化物、硅氧化物、锡氧化物、硅合金、锡合金、硅碳复合物、锡碳复合物、钛酸锂等中的一种或几种。优选地，所述负极活性材料选自天然石墨、人造石墨或二者的混合物。所述负极材料层中还包括导电剂和粘结剂，导电剂和粘结剂的种类没有具体的限制，可根据实际需求进行选择。此外，所述负极极片还可以直接选用金属锂片。
在根据本发明的锂离子电池中，所述隔离膜的材质不受限制，可以根据实际需求进行选择。
第二方面，本发明提供了一种包含本发明的锂离子电池的用电设备。
在本发明锂离子电池具有高能量密度和高循环性能以及高安全性的情况下，包含本发明锂离子电池的用电设备也具有上述优点，在此不再赘述。
其中，本发明的用电设备例如可以为新能源汽车、电子装置、电动工具和电力储能设施等等。
下面将结合实施例和对比例对本发明的锂离子电池做进一步详细说明。
实施例1
本实施例是一种锂离子电池，其包括由正极极片、隔离膜和负极极片依次卷绕形成的电极主体电极主体，分设于所述电极主体电极主体两端的正极极耳和负极极耳，具体结构参照图1，以及用于浸润所述电极主体的电解液。具体的，本实施例的锂离子电池的制备过程如下：
(1)正极极片的制备
将正极活性材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)、导电剂Super P、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按照质量比94:3:3进行混合，加入至溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，在真空搅拌机作用下搅拌至体系均一，获得正极浆料，其中正极浆料中的固体含量为77wt％；将正极浆料均匀涂覆于厚度为14μm的正极集流体铝箔上并在85℃下烘干，然后经过冷压、切边、裁片、分条，最后在85℃的真空条件下烘干4h，得到正极极片；
(2)负极极片的制备
将负极活性材料石墨、导电剂Super P、增稠剂羧甲基纤维素钠CMC、粘结剂丁苯橡胶乳液SBR按照质量比94:2:2:2进行混合，加入至溶剂去离子水中，在真空搅拌机作用下获得负极浆料，其中负极浆料中的固体含量为54wt％；将负极浆料均匀涂覆在厚度为8μm的负极集流体铜箔上并在 85℃下烘干，然后经过冷压、切边、裁片、分条，最后在120℃的真空条件下烘干12h，得到负极极片；
(3)电解液的制备
在含水量<10ppm的氩气气氛手套箱中，将EC、EMC、EA按30:60:10 进行混合作为有机溶剂，接着将充分干燥的锂盐LiPF6溶解于混合后的有机溶剂中，之后加入添加剂A磷酸三烯丙酯2wt％，混合均匀后获得电解液；
该电解液中，LiPF6的浓度为1mol/L；
(4)隔离膜的制备
以厚度为16μm的聚乙烯膜PE作为基膜，在PE多孔膜的至少一个表面涂敷含有陶瓷颗粒的涂层，形成隔离膜；
(5)锂离子电池的制备
将正极极片、隔离膜、负极极片按顺序叠好，使隔离膜处于正极极片和负极极片之间起到隔离的作用，然后卷绕成方形的电极主体，沿电极主体的长度方向两端焊接极耳，将电极主体装入包装铝塑膜或钢壳中，然后在80℃下烘烤除水后，注入相应的电解液并封口，之后经过静置、热冷压、化成、抽气、整形、容量测试等工序，获得成品锂离子电池。
实施例2-18和对比例1-3
实施例2-18与对比例1-3分别为一种锂离子电池，其与实施例1的不同之处均列于表1。在表1，各溶剂和添加剂A的添加量为基于电解液的总质量计算得到的质量百分数。其他与实施例1相同。
性能测试
接下来对各实施例和对比例的锂离子电池的性能进行测试。
1)正极极片对电解液的吸液速率γ测试方法
将实施例和对比例所述的正极极片充分干燥，然后裁剪成5cm×5cm 的正方形，固定在样品台上。然后挑选直径d＝0.2mm的毛细管吸取实施例和对比例中所述的电解液至一定高度h。将吸有电解液的毛细管跟正极极片垂直接触，毛细管液面下降的同时用秒表计时。当液面下降完毕后，读取吸液时间t。最后根据公式γ＝π×(d/2)2×h×ρ/t计算得到吸液速率数值，ρ为电解液的密度。
各实施例和对比例的测试结果列于表1。
2)锂离子电池25℃循环性能测试
在25℃下，将实施例和对比例制备得到的新鲜锂离子二次电池搁置5 分钟，以1C倍率恒流充电至4.2V，再恒压充电至电流小于等于0.05C，之后搁置5分钟，再以1C倍率恒流放电至2.8V，此为一个充放电循环，此次的放电容量记为锂离子二次电池第1次循环的放电容量。将锂离子电池按照上述方法进行800次循环充放电测试，记录每一次循环的放电容量。各实施例和对比例的测试结果列于表2。
锂离子电池25℃、1C/1C循环400次后的容量保持率(％)＝第800次循环的放电容量/第1次循环的放电容量×100％。
3)锂离子电池的高温存储体积膨胀测试
在25℃下，以1C恒流充电至电压为4.2V，然后以4.2V恒压充电至电流为0.05C，此时测试锂离子电池的体积并记为V2；然后将满充的锂离子电池放入80℃恒温箱中，存储10天，采用排水法测试体积并记为V3。
锂离子电池80℃存储10天后的体积膨胀率(％)＝(V3-V2)/V2×100％。各实施例和对比例的测试结果列于表2。
表1
Figure BDA0002124789240000171
Figure BDA0002124789240000181
表1续
Figure BDA0002124789240000182
Figure BDA0002124789240000191
表2
Figure BDA0002124789240000192
Figure BDA0002124789240000201
在实施例1～18中，通过使用含有添加剂A的电解液并限定电解液在电极主体中的扩散速率在0.01μg/s～5μg/s的范围内，由于该正极钝化膜的成膜质量较高、能够有效抑制电解液在正极活性物质表面的副反应，同时电解液具有良好浸润性能，可以有效缓解这种高能量密度设计给电解液扩散带来的阻碍，保证在循环过程中添加剂A能及时回补至电极主体内部，快速修复正极活性物质表面被消耗的SEI膜，从而可以使电芯兼顾高能量密度、高的容量保持率和较低的体积膨胀率。在实施例1-5中，当电解液在电极主体中的扩散速率在0.2μg/s～2μg/s时，能够进一步优化锂离子电池的能量密度、循环性能以及产气问题。
对比例1中，电解液在电极主体中的扩散速率v要明显小于本发明中限定的扩散速率。从实验数据可以看出，当电解液在电芯中的扩散速率v 较小时，达不到有效的浸润速率，因此，会影响锂离子电池的循环性能。
对比例2中，电解液在电极主体中的扩散速率v要明显大于本发明中限定的扩散速率。从实验数据可以看出，当电解液在电芯中的扩散速率v 较大时，会降低锂离子电池的循环性能。这是因为电解液中的溶剂(例如碳酸乙烯酯EC)和锂盐会恶化电解液在正极极片上浸润速率，而在电解液中需要一定量的碳酸乙烯酯EC用于解离锂盐，增加电导率，以及需要一定量的锂盐来提供锂离子。电解液的扩散速率太高会影响电解液对锂盐的离解和电导率。
进一步的，从实施例1～18的数据可以看出，正极成膜添加剂在电解液中质量百分比含量与电解液在电极主体的扩散速率v的相互关系对正极极片的成膜质量及界面阻抗影响较大。当添加剂A在电解液中的质量占比 w(％)与所述扩散速率v(μg/s)的乘积在0.01～10时，尤其在0.4～5的范围内时，既可以保证电解液具有较高的浸润速率，也能保证有足够的添加剂A形成稳定的保护膜来抑制产气，同时添加剂A的用量适中，保证锂离子电池的循环性能良好。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (25)

1.一种锂离子电池，其特征在于，包括：
电极组件；以及用于浸润所述电极组件的电解液；其中，
所述电极组件包括电极主体、正极极耳和负极极耳，
所述电极主体包括围绕轴线卷绕在一起的正极极片、负极极片以及设置在所述正极极片和所述负极极片之间的隔离膜，所述正极极片包括正极集流体和设置于所述正极集流体至少一个表面的正极材料层，所述正极极耳连接于所述正极极片，所述负极极耳连接于所述负极极片；
沿所述轴线方向(X)，所述电极主体具有相对设置的两侧部，所述正极极耳和所述负极极耳分别从所述电极主体的两侧部延伸出；
所述电解液含有添加剂A，所述添加剂A包括含不饱和键的磷酸酯化合物、含-SO2-键的环状化合物、含不饱和键的环状硅氧烷化合物中的至少一种，所述电解液在所述电极主体中的扩散速率v为0.01μg/s～5μg/s；
所述扩散速率v为v＝γ×H/L(μg/s)，
其中，γ为所述正极极片对所述电解液的吸液速率(μg/s)，H为沿所述电极主体的宽度方向(Z)所述侧部的最大长度(mm)，L为沿所述轴线方向(X)所述电极主体的长度(mm)；所述H与所述L满足：0.05≤H/L≤0.8。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述电解液在所述电极主体中的扩散速率v为0.2μg/s～2μg/s。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池，其特征在于，0.1≤H/L≤0.6。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池，其特征在于，0.15≤H/L≤0.5。
5.根据权利要求1～3任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述电极主体的轴线方向(X)为水平方向。
6.根据权利要求1～3任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述添加剂A在所述电解液中的质量占比w(％)与所述扩散速率v(μg/s)满足：0.1≤w×v≤10。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池，其特征在于，0.4≤w×v≤5。
8.根据权利要求1～3任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述含不饱和键的磷酸酯化合物为式1化合物中的至少一种，
Figure FDA0003067052880000021
其中，R1、R2和R3分别独立地选自碳原子数为1～6的烷基、烯基、炔基、卤代烷基、卤代烯基、卤代炔基，碳原子数为6～10的芳基或卤代芳基中的一种，并且R1、R2和R3中的至少一个含有双键或三键。
9.根据权利要求8所述的锂离子电池，其特征在于，所述含磷氧键化合物的R1、R2和R3至少一个支链的末端为碳碳不饱和键。
10.根据权利要求9所述的锂离子电池，其特征在于，所述含磷氧键化合物的R1、R2和R3支链末端全部为碳碳不饱和键。
11.根据权利要求1～3任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述含-SO2-键的环状化合物包括式2～式4化合物中的至少一种，
Figure FDA0003067052880000022
其中，R4是碳原子数为1～4的亚烷基、碳原子数为1～4的氟代亚烷基、2～4的亚烯基、碳原子数为2～4的氟代亚烯基、碳原子数为6～14的亚芳基、碳原子数为6～10的氟代亚芳基；
R5、R6、R7和R8分别独立地为H、碳原子数为1～6的烷基、烯基、炔基、卤代烷基、卤代烯基、卤代炔基，碳原子数为6～10的芳基或卤代芳基中的一种，n是1、2或3。
12.根据权利要求1～3任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述含不饱和键的环状硅氧烷化合物包括式5化合物中的至少一种，
Figure FDA0003067052880000031
式5中，R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16各自独立地选自取代或未取代的碳原子数为1～4的烃基，且R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16中的至少一个含有双键或三键，所述取代基团为卤族元素。
13.根据权利要求1～3任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述添加剂A选自1,3-丙烷磺内酯、丙烯磺酸内酯、甲烷二磺酸亚甲酯、磷酸三烯丙酯、四甲基四乙烯基环四硅氧烷中的至少一种。
14.根据权利要求13所述的锂离子电池，其特征在于，所述添加剂A选自甲烷二磺酸亚甲酯、磷酸三烯丙酯和四甲基四乙烯基环四硅氧烷中的至少一种。
15.根据权利要求1～3任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述电解液在25±3℃下的粘度为0.5mPa·s～5.0mPa·s。
16.根据权利要求1～3任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述电解液中包括低粘度溶剂，所述低粘度溶剂在25±3℃下的粘度不高于0.65mPa·s。
17.根据权利要求16所述的锂离子电池，其特征在于，所述低粘度溶剂选自由碳酸二甲酯DMC、甲酸甲酯MF、甲酸乙酯EF、乙酸甲酯MA、乙酸乙酯EA、丙酸乙酯EP、丁酸乙酯EB、四氢呋喃THF、2甲基四氢呋喃、二氧戊环DOL、1,2-二甲氧基乙烷DME、乙腈AN、甲基九氟丁醚MFE或乙基九氟丁醚EFE中的至少一种。
18.根据权利要求17所述的锂离子电池，其特征在于，所述低粘度溶剂在所述电解液中的质量分数为10％～80％。
19.根据权利要求1～3任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极材料层的孔隙率为10％～50％。
20.根据权利要求19所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极材料层的孔隙率为20％～40％。
21.根据权利要求1～3任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极材料层的比表面积为0.5m2/g～1.5m2/g。
22.根据权利要求1～3任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极材料层的晶粒取向OI值为5～120。
23.根据权利要求22所述的锂离子电池，其特征在于，所述OI值为30～70。
24.根据权利要求1～3任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极材料层中含有正极活性物质，所述正极活性物质包含式(1)～式(3)所示的化合物中的至少一种：
Li1+xNiaCobM1-a-bO2-yAy 式(1)
Li1+x’Nia’M’2-a’O4-y’Ay’ 式(2)
c[Li2MnO3]·(1-c)[LiM”2O2-y”Ay”] 式(3)
式(1)中，-0.1≤x≤0.2，0.5≤a<1，0.02<b<0.3，0.55<a+b<1，0≤y<0.2，M包括Mn、Fe、Cr、Ti、Zn、V、Al、Zr及Ce中的一种或多种，A包括S、N、F、Cl、Br及I中的一种或多种，
式(2)中，-0.1≤x’≤0.2，0.4≤a’<0.6，0≤y’<0.2，M’包括Mn、或者Mn以及Fe、Cr、Ti、Zn、V、Al、Zr、Mg、Ce中的一种或多种，A’包括S、N、F、Cl、Br及I中的一种或多种，
式(3)中，0<c<1，0≤y’<0.2，M”为Ni、Co和Mn，或者Ni、Co和Mn以及Fe、Cr、Ti、Zn、V、Al、Zr及Ce中的一种或多种。
25.一种用电设备，其特征在于，包括权利要求1～24任一项所述的锂离子电池。
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