CN112086682A - 电解液、电化学装置和电子装置 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例中提供一种电解液、电化学装置和电子装置，在一些实施例中，电解液，包括式I所示化合物中的至少一种：
式I。其中，R选自氢基、氟基、烷基、烯基、炔基、芳基、取代烷基、取代烯基、取代炔基或取代芳基中的一种。本申请提出的电解液能够有效的提高采用该电解液的电化学装置在高电压下的循环性能以及高温存储性能。
Description
技术领域
本申请涉及电化学技术领域，尤其涉及一种电解液、电化学装置和电子装置。
背景技术
电解液是电化学装置(例如：锂离子电池)的重要组成部分，电解液在电池的正极和负极之间起到传输电荷的作用，对电池的比容量、充放电效率、循环稳定性、倍率性能、工作温度范围以及安全性能等有较大影响。
随着对电化学装置的要求的提高，具有高能量密度的电化学装置的开发逐步推进，电化学装置设计的使用上限电压也随之提高，目前钴酸锂体系电化学装置的额定电压可达4.45V-4.5V。电化学装置在4.4V及以上的高电压下存储及循环时，容易对正负极结构造成破坏并氧化电解液，造成循环性能和存储性能劣化。为了防止电化学装置在高电压下的循环性能和高温存储性能劣化，需要电解液具有足够的耐氧化能力以及成膜稳定性。
发明内容
鉴于以上现有技术的缺点，本申请的目的包括改善电化学装置在高电压下的循环性能和高温存储性能。
本申请提出一种电解液，包括式I所示化合物中的至少一种：
其中，R选自氢基、氟基、烷基、烯基、炔基、芳基、取代烷基、取代烯基、取代炔基或取代芳基中的一种。
取代时，取代基可选自卤素。
在上述电解液中，式I所示化合物包括如下所示化合物中的至少一种：
在上述电解液中，式I所示化合物占电解液总质量的百分比为0.01％-10％。
在上述电解液中，还包括：
氟代羧酸酯和/或非氟代羧酸酯。
在上述电解液中，满足特征(a)至(c)中的至少一者：
(a)氟代羧酸酯占电解液总质量的百分比为5％-50％；
(b)非氟代羧酸酯占电解液总质量的百分比为5％-50％；
(c)非氟代羧酸酯和氟代羧酸酯的质量比不小于0.5且不大于10。
在上述电解液中，非氟代羧酸酯包括：乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯或丙酸丁酯中的至少一种；和/或，
氟代羧酸酯包括：氟代乙酸乙酯、氟代乙酸丙酯、氟代乙酸丁酯、氟代丙酸乙酯、氟代丙酸丙酯或氟代丙酸丁酯中的至少一种，其中氟代是指羧酸酯分子中至少有1-5个氢原子被氟原子取代。
在上述电解液中，还包括：氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯、碳酸亚乙烯酯或腈类化合物中的至少一种。
在上述电解液中，电解液满足如下条件(d)-(f)中的至少一条：
(d)氟代碳酸乙烯酯占电解液总质量的百分比为0.1％-10％；
(e)碳酸亚乙烯酯占电解液总质量的百分比为0.001％-2％；
(f)1,3-丙烷磺内酯占电解液总质量的百分比为0.1％-5％
(g)腈类化合物占电解液总质量的百分比为0.1％-12％。
在上述电解液中，腈类化合物包括如下所示化合物中的至少一种：
其中，R21选自C1-12亚烷基、取代的C1-12亚烷基、C1-12亚烷氧基或取代的C1-12亚烷氧基；
R31、R32各自独立地选自单键、C1-12亚烷基或取代的C1-12亚烷基；
R41、R42、R43各自独立地选自单键、C1-12亚烷基、取代的C1-12亚烷基、C1-12亚烷氧基或取代的C1-12亚烷氧基；
R51选自C1-12亚烷基、取代的C1-12亚烷基、C2-12亚烯基、取代的C2-12亚烯基、C6-26亚芳基、取代的C6-26亚芳基、C2-12亚杂环基团或取代的C2-12亚杂环基团；
其中，经取代时，取代基为卤素原子。
在上述电解液中，腈类化合物包括
本申请还提出一种电化学装置，包括：正极、负极、隔离膜和上述任一的电解液。
本申请还提出一种电子装置，包括上述的电化学装置。
本申请实施例提出一种电解液，对于采用本申请实施例中的电解液的电化学装置，式I所示化合物能够在电化学装置充放电初期在正负极形成正负极保护膜，从而保证电化学装置在高电压(例如电压为4.4V-4.8V)下能够稳定循环，即提高了电化学装置在高电压下的循环性能。式I所示化合物能够有效延后电化学装置在高于常温(例如在45℃-60℃)的环境下存储时SEI(solid electrolyte interface，固体电解质界面)膜的失效，抑制电解液分解产气，从而有效的提高采用该电解液的电化学装置在高电压下的循环性能以及高温存储性能。
附图说明
结合附图并参考以下具体实施方式，本申请各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。贯穿附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素。应当理解附图是示意性的，元件和元素不一定按照比例绘制。
图1是本申请实施例的式I所示化合物的结构式。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本申请的实施例。虽然附图中显示了本申请的某些实施例，然而应当理解的是，本申请可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本申请。应当理解的是，本申请的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本申请的保护范围。
下面的实施例可以使本领域技术人员更全面地理解本申请，但不以任何方式限制本申请。
以下将对本申请实施例提供的方案进行详细描述。
随着近年来电子产品的轻量化、小型化，电化学装置已成为电子产品中不可或缺的部件。以电化学装置为锂离子电池为例，随着具有高能量密度的锂离子电池的开发逐步推进，设计的使用上限电压也随之提高，钴酸锂体系目前额定电压可达4.45V-4.5V。这意味着电化学装置需要在4.4V以上高电压存储及充放电，在高电压下存储和充放电时容易对正负极结构造成破坏，因此需要电解液本身具有较好的耐氧化能力及成膜稳定性。
为了改善电解液的耐氧化能力，一些方案在电解液中使用氟代酯、氟代醚等氧化电位较高的惰性溶剂；另一些方案在电解液中提高添加剂的含量。但氟代溶剂粘度大，离子传输能力弱，很难实现高电压下快速充电；而增大添加剂用量，进一步恶化了电解液的电导率和电池阻抗。
为了至少部分解决上述问题，本申请实施例中提出一种电解液，用于改善电化学装置在高电压(例如电压为4.4V-4.8V)下的循环性能和高温存储性能。
请参看图1，本申请实施例中提出一种电解液，包括式I所示化合物中的至少一种：
其中，R选自氢基、氟基、烷基、烯基、炔基、芳基、取代烷基、取代烯基、取代炔基或取代芳基中的一种。在一些实施例中，经取代时，取代基选自氟代甲基或氟代乙基中的至少一种。对于采用本申请实施例中的电解液的电化学装置，式I所示化合物能够在电化学装置充放电初期在正负极形成正负极保护膜，从而保证电化学装置在高电压(例如电压为4.4V-4.8V)下能够稳定循环，即提高了电化学装置在高电压下的循环性能。式I所示化合物能够有效延后电化学装置在高于常温(例如45℃-60℃)的环境下存储时SEI(solidelectrolyte interface，固体电解质界面)膜的失效，抑制电解液分解产气。由此可知，本申请实施例中提出的电解液，可以有效的提高采用该电解液的电化学装置在高电压下的循环性能以及高温存储性能。
在本申请的一些实施例中，式I所示化合物包括如下所示化合物中的至少一种：
在本申请的一些实施例中，式I所示化合物占电解液总质量的百分比为0.05％-8％。在本申请的一些实施例中，式I所示化合物的质量含量过低时对采用该电解液的电化学装置的改善效果较弱，而当式I所示化合物的质量含量过高时，可能会造成改善效果降低，因此在本申请的一些实施例中限定式I所示化合物占电解液总质量的百分比为0.05％-8％，在一些实施例中进一步限定式I所示化合物占电解液总质量的百分比为0.3％-3％。
在本申请的一些实施例中，电解液中还包括：氟代羧酸酯和/或非氟代羧酸酯。在本申请的一些实施例中，氟代羧酸酯能够提高采用该电解液的电化学装置在高电压下的循环容量保持率，非氟代羧酸酯能够提高电解液的电导率。在本申请的一些实施例中，电解液同时包括氟代羧酸酯和非氟代羧酸酯。
在上述电解液中，满足特征(a)至(c)中的至少一者：
(a)氟代羧酸酯占电解液总质量的百分比为5％-50％。
(b)非氟代羧酸酯占电解液总质量的百分比为5％-50％。
在本申请的一些实施例中，当电解液中氟代羧酸酯和非氟代羧酸酯的质量含量过高时，可能会造成采用该电解液的电化学装置在高电压下的存储性能以及循环性能劣化，因此需要控制氟代羧酸酯和非氟代羧酸酯在电解液中的质量含量。
(c)非氟代羧酸酯和氟代羧酸酯的质量比不小于0.5且不大于10。
在本申请的一些实施例中，当电解液中同时包括氟代羧酸酯和非氟代羧酸酯时，如果两者的比例过低，则电解液电导率差，不能实现快速充电；如果两者的比例过高，则在高电压下电解液容易分解，不能利于循环性能，高温下加剧电解液消耗，带来产气的安全问题；通过限定非氟代羧酸酯和氟代羧酸酯的质量比能够提高电解液的导电率，改善采用该电解液的电化学装置的快速充电能力，并防止出现安全问题。在一些实施例中，非氟代羧酸酯和氟代羧酸酯的质量比不小于0.5且不大于4。
在本申请的一些实施例中，非氟代羧酸酯包括：乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯或丙酸丁酯中的至少一种。
在本申请的一些实施例中，氟代羧酸酯包括：氟代乙酸乙酯、氟代乙酸丙酯、氟代乙酸丁酯、氟代丙酸乙酯、氟代丙酸丙酯或氟代丙酸丁酯中的至少一种，其中氟代是指羧酸酯分子中至少有1-5个氢原子被氟原子取代。
在本申请的一些实施例中，电解液中还包括：氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯、碳酸亚乙烯酯或腈类化合物中的至少一种。在一些实施例中，氟代碳酸乙烯酯或1,3-丙烷磺内酯能够改善电化学装置在负极的成膜稳定性。氟代碳酸乙烯酯有利于生成以有机物为主的SEI膜，减少碳负极上气体的产生。腈类化合物可以在正极表面形成有机的保护层，在正极表面的有机分子可以很好地将电解液中易氧化组分与正极表面隔开，大大降低了电化学装置的正极表面对电解液的氧化作用，从而改善电化学装置的循环性能和高温存储性能。
在上述电解液中，电解液满足如下条件(d)-(f)中的至少一条：
(d)氟代碳酸乙烯酯占电解液总质量的百分比为0.1％-10％；
(e)碳酸亚乙烯酯占电解液总质量的百分比为0.001％-2％；
(f)1,3-丙烷磺内酯占电解液总质量的百分比为0.1％-5％。
在本申请的一些实施例中，酯类化合物含量过高会导致电化学装置的高温循环性能以及大倍率放电性能降低。这是因为酯类化合物含量高时，采用该电解液的电化学装置的直流阻抗增加，导致循环容量衰减加速，恶化了电化学装置的循环性能和大倍率放电性能。
(g)腈类化合物占电解液总质量的百分比为0.1％-12％。
当腈类化合物含量超过12％时，高温循环性能改善效果降低，这是因为高含量的腈类化合物增加了电解液的粘度，恶化了电化学装置的动力学性能。在一些实施例中，进一步限定腈类化合物占电解液总质量的百分比为0.5％-5％
在本申请的一些实施例中，腈类化合物包括如下所示化合物中的至少一种：
其中，R21选自C1-12亚烷基、取代的C1-12亚烷基、C1-12亚烷氧基或取代的C1-12亚烷氧基；R31、R32各自独立地选自单键、C1-12亚烷基或取代的C1-12亚烷基；R41、R42、R43各自独立地选自单键、C1-12亚烷基、取代的C1-12亚烷基、C1-12亚烷氧基或取代的C1-12亚烷氧基；R51选自C1-12亚烷基、取代的C1-12亚烷基、C2-12亚烯基、取代的C2-12亚烯基、C6-26亚芳基、取代的C6-26亚芳基、C2-12亚杂环基团或取代的C2-12亚杂环基团；其中，经取代时，取代基为卤素原子。
在本申请的一些实施例中，腈类化合物包括：
在本申请的一些实施例中，电解液包括溶剂，溶剂包括取代或未取代的碳酸酯、取代或未取代的醚中的至少一种。在本申请的一些实施例中，电解液中还包括锂盐，锂盐包括LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiB(C6H5)4、LiCH3SO3、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2、LiC(SO2CF3)3、LiSiF6、LiBOB或者LiDFOB中至少一种，锂盐例如可以为LiPF6。
在本申请的一些实施例中，电解液在25℃的电导率为5.6mS/cm-9.6mS/cm。
本申请还提出一种电化学装置，包括：正极、负极、隔离膜和上述任一的电解液。在一些实施例中，电化学装置的额定充电电压为4.4V-4.8V。
在本申请的一些实施例中，上述电化学装置的正极包括正极集流体和设置在正极集流体上的正极活性材料。正极活性材料的具体种类均不受到具体的限制，可根据需求进行选择。
在一些实施方案中，正极活性材料包括够吸收和释放锂(Li)的正极材料。能够吸收/释放锂(Li)的正极材料的例子可以包括钴酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、锰酸锂、磷酸锰铁锂、磷酸钒锂、磷酸钒氧锂、磷酸铁锂、钛酸锂和富锂锰基材料。
具体的，钴酸锂的化学式可以如化学式1：
LixCoaM1bO2-c 化学式1
其中M1表示选自镍(Ni)、锰(Mn)、镁(Mg)、铝(Al)、硼(B)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)、钼(Mo)、锡(Sn)、钙(Ca)、锶(Sr)、钨(W)、钇(Y)、镧(La)、锆(Zr)和硅(Si)中的至少一种，x、a、b和c值分别在以下范围内：0.8≤x≤1.2、0.8≤a≤1、0≤b≤0.2、-0.1≤c≤0.2。
镍钴锰酸锂或镍钴铝酸锂的化学式可以如化学式2：
LiyNidM2eO2-f 化学式2
其中M2表示选自钴(Co)、锰(Mn)、镁(Mg)、铝(Al)、硼(B)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)、钼(Mo)、锡(Sn)、钙(Ca)、锶(Sr)、钨(W)、锆(Zr)和硅(Si)中的至少一种，y、d、e和f值分别在以下范围内：0.8≤y≤1.2、0.3≤d≤0.98、0.02≤e≤0.7、-0.1≤f≤0.2。
锰酸锂的化学式可以如化学式3：
LizMn2-gM3gO4-h 化学式3
其中M3表示选自钴(Co)、镍(Ni)、镁(Mg)、铝(Al)、硼(B)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)、钼(Mo)、锡(Sn)、钙(Ca)、锶(Sr)和钨(W)中的至少一种，z、g和h值分别在以下范围内：0.8≤z≤1.2、0≤g<1.0和-0.2≤h≤0.2。
在一些实施例中，上述电化学装置的正极中可以加有导电剂或正极粘结剂，在本申请的一些实施例中，正极还包括碳材料，碳材料可以包括导电炭黑、石墨、石墨烯、碳纳米管、碳纤维或炭黑中的至少一种。正极粘结剂可以包括聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯的共聚物、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、羧甲基纤维素纳、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯或聚六氟丙烯中的至少一种。
在一些实施例中，负极包括负极集流体和负极活性材料。负极活性材料位于负极集流体上。在一些实施例中，负极集流体可以包括铜箔、铝箔、镍箔或碳氟集流体中的至少一种。在一些实施例中，负极活性材料中还包括负极导电剂和/或负极粘结剂。在一些实施例中，负极粘结剂可以包括羧甲基纤维素(CMC)、聚丙烯酸、聚乙烯基吡咯烷酮、聚苯胺、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚硅氧烷、聚丁苯橡胶、环氧树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂或聚芴中的至少一种。在一些实施例中，负极粘结剂在负极活性材料中的质量百分比为0.5％-10％。在一些实施例中，负极活性材料在5t的压力下的压实密度为0.8g/cm3-5g/cm3。在一些实施例中，负极导电剂可以包括导电炭黑、科琴黑、乙炔黑、碳纳米管、VGCF(Vapor GrownCarbon Fiber，气相成长碳纤维)或石墨烯中的至少一种。
在一些实施例中，隔离膜包括聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或芳纶中的至少一种。例如，聚乙烯包括选自高密度聚乙烯、低密度聚乙烯或超高分子量聚乙烯中的至少一种。尤其是聚乙烯和聚丙烯，它们对防止短路具有良好的作用，并可以通过关断效应改善电池的稳定性。
本申请还提出一种电子装置，包括上述中任一项的电化学装置。本申请的电子装置没有特别限定，其可以是用于现有技术中已知的任何电子装置。在一些实施例中，电子装置可以包括，但不限于，笔记本电脑、笔输入型计算机、移动电脑、电子书播放器、便携式电话、便携式传真机、便携式复印机、便携式打印机、头戴式立体声耳机、录像机、液晶电视、手提式清洁器、便携CD机、迷你光盘、收发机、电子记事本、计算器、存储卡、便携式录音机、收音机、备用电源、电机、汽车、摩托车、助力自行车、自行车、照明器具、玩具、游戏机、钟表、电动工具、闪光灯、照相机、家庭用大型蓄电池和锂离子电容器等。例如，电子装置包括含有锂离子电池的手机。
为了更好的说明本申请实施例中提出的电解液的有益效果，以下将结合实施例以及对比例进行说明，实施例以及对比例的区别仅在于所采用的电解液不同，通过对不同电解液进行导电率测试，以及对采用不同电解液制备的锂离子电池行性能测试，以说明本申请提出的电解液的作用。
实施例以及对比例中的电解液和锂离子电池均按照下述方法进行制备：
(1)正极制备
将正极活性材料钴酸锂(LiCoO2)、导电剂Super P、粘结剂聚偏二氟乙烯按照重量比97.9:0.4:1.7进行混合，加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)，在真空搅拌机作用下搅拌均匀，获得正极浆料；将正极浆料均匀涂覆于正极集流体铝箔上；将铝箔烘干，然后经过冷压、裁片、分切后，在真空条件下干燥，得到正极。
(2)负极制备
将负极活性材料人造石墨、导电剂Super P、增稠剂羧甲基纤维素钠(CMC)、粘结剂丁苯橡胶(SBR)按照重量比97:1.5:0.5:1进行混合，加入去离子水，在真空搅拌机作用下获得负极浆料；将负极浆料均匀涂覆在负极集流体铜箔上；将铜箔烘干，然后经过冷压、裁片、分切后，在真空条件下干燥，得到负极片。
(3)电解液制备
在干燥的氩气气氛手套箱中，将溶剂混合，接着加入第一化合物和/或第二化合物，溶解并充分搅拌后加入锂盐LiPF6，混合均匀后获得电解液，其中各个实施例和对比例中加入的第一化合物、第二化合物或溶剂的种类或含量不同。
(4)隔离膜的制备
将勃姆石与聚丙烯酸酯混合并将其溶入到去离子水中以形成涂层浆料。随后采用微凹涂布法将所述涂层浆料均匀涂布到多孔基材的两个表面上，经过干燥处理以获得所需隔离膜。
(5)锂离子电池的制备
将正极、隔离膜、负极按顺序叠好，使隔离膜处于正、负极片之间起到隔离的作用，然后卷绕得到裸电芯；焊接极耳后将裸电芯置于外包装箔铝塑膜中，将上述制备好的电解液注入到干燥后的裸电芯中，经过真空封装、静置、化成、整形、容量测试等工序，获得锂离子电池。
对所制备的电解液和锂离子电池按照如下方法进行测试：
(1)电解液电导率测试：
使用DJS-1C型铂黑电极，将配制好的电解液倒入离心管于25℃恒温槽静置30分钟，将冲洗干净的电极垂直放入待测样品；晃动电极，约5秒后数据稳定后再读取，重复三次，记录测量数据并取平均值。
(2)锂离子电池高温存储性能测试
将锂离子电池常温环境下，充电至4.5V，恒压充电至电流为0.025C，静置10分钟。然后将电池放置高低温箱温度调整为60℃，静置30天。30天后取出并立即测试电池的厚度变化。
厚度膨胀率是指：热存储后测的电池厚度减去电池初始厚度，然后再除以电池初始厚度。
(3)锂离子电池高温循环性能测试
将锂离子电池置于45℃恒温箱中，静置30分钟，使锂离子电池达到恒温。将达到恒温的锂离子电池以0.7C恒流充电至电压为4.4V(4.5V)，然后以4.4V(4.5V)恒压充电至电流为0.025C，接着以1C恒流放电至电压为3.0V，此为一个充放电循环。以首次放电的容量为100％，反复进行充放电循环到某一圈，停止测试，记录循环容量保持率，作为评价锂离子电池循环性能的指标。
循环容量保持率是指：循环至某一圈(实施例和对比例中为300圈或700圈)时的容量除以第一次放电时的容量。
以下对实施例1-1到实施例1-21以及对比例1-1进行说明，在实施例1-1到实施例1-21以及对比例1-1的区别在于电解液中加入/或不加入第一化合物，所采用溶剂均为碳酸乙烯酯(EC)和碳酸丙烯酯(PC)的混合物，其中EC:PC的质量比为1:3，实施例1-1到实施例1-21的区别在于加入的第一化合物的含量或种类不同，对应的性能测试结果见表1所示。
表1
本申请的表中“/”表示未添加该物质，wt％均为基于电解液的总质量计算得到的质量百分数。
从对比例1-1的性能测试结果可以看出，当电解液中没有加入式I所示化合物时，锂离子电池的4.5V、60℃存储30天的厚度增长率较高，4.5V、45℃循环300圈后的容量保持率较差，即锂离子电池在高电压下的高温存储性能以及高电压下的循环性能较差。
从实施例1-1到实施例1-21的性能此时结果可以看出，当电解液中加入了式I所示化合物后，锂离子电池4.5V、60℃存储30天的厚度增长率均有所减小。即通过在电解液中加入式I所示化合物可以提高锂离子电池在高电压下的高温存储性能，这可能是由于式I所示的氟代烷基乙烷磺内酯参与锂离子电池的成膜，在高温存储中能够有效延后正负极SEI失效，抑制电解液分解产气，从而提高了锂离子电池的高温存储性能。因此在本申请的一些实施例中限定电解液中包括式I所示化合物。
从实施例1-1到实施例1-21的性能测试结果可以看出，当电解液中式I所示化合的质量含量在0.05％-8％时，均能够改善锂离子电池在高电压下的高温存储性能。当电解液中式I所示化合的质量含量在0.03％-5％时，锂离子电池在4.5V、45℃循环300圈后的容量保持率相比于对比例1-1明显提高，并且4.5V、60℃存储30天的厚度增长率明显降低，即锂离子电池在高电压下的循环性能和高温存储性能均得到明显改善。这是因为式I所示化合物参与正负极成膜提高了SEI膜的稳定性，有利于提高锂离子电池在高电压下的循环性能，但当式I过多时造成膜阻抗较大，造成不可逆锂析出，反而有可能阻碍电解液的离子传输通道，加重产气反应。因此在本申请的一些实施例中限定式I所示化合的质量含量为0.05％-8％，进一步为0.05-5％，进一步为0.3％-3％。
从实施例1-1到实施例1-21的性能测试结果可以看出，当式I所示化合物具体为式I-2所示的化合物时，对锂离子电池的性能改善效果最佳。
以下对实施例2-1到实施例2-32以及对比例2-1进行说明，实施例2-1到实施例2-32以及对比例2-1中所采用的第一化合物和第二化合物见表2，实施例2-1到实施例2-32以及对比例2-1所采用的溶剂与实施例1-10相同，为了方便比对，在表2中加入实施例1-10的数据，进行对比说明。
表2
其中，FEC为氟代碳酸乙烯酯，PS为1,3-丙烷磺内酯，VC为碳酸亚乙烯酯。
请参考表2，通过对比分析实施例1-10、实施例2-1至实施例2-5的数据可知：相比于实施例1-10，当电解液中添加有氟代碳酸乙烯酯(FEC)时，锂离子电池在4.5V、60℃存储30天后的厚度增长率升高，锂离子电池的在4.5V、45℃循环300圈后的容量保持率均增加，厚度增长率和容量保持率的增加量随FEC的量的增加而增加，这表明FEC能够改善高温循环性能，但可能会劣化高温存储性能，因此在一些实施例中，控制氟代碳酸乙烯酯占电解液总质量的百分比为0.1％-10％，在改善高温循环性能的同时抑制对高温存储性能的影响。
对比实施例1-10和实施例2-6到实施例2-10可知，当电解液中添加有PS时，锂离子电池在4.5V、60℃存储30天后的厚度增长率随PS含量的增加先降低后升高，锂离子电池的在4.5V、45℃循环300圈后的容量保持率随PS含量的增加先升高后降低，这表明通过合理控制PS的含量可以同时改善锂离子电池的高温存储性能和高温循环性能，因此，在一些实施例中控制1,3-丙烷磺内酯占电解液总质量的百分比为0.1％-5％。
对比实施例1-10和实施例2-11到实施例2-15可知，当电解液中添加有VC时，锂离子电池在4.5V、60℃存储30天后的厚度增长率随VC含量的增加而增加，锂离子电池的在4.5V、45℃循环300圈后的容量保持率随VC含量的增加而增加，这表明VC能够改善锂离子电池的高温循环性能，但可能恶化高温存储性能，因此，在一些实施例中控制碳酸亚乙烯酯占电解液总质量的百分比为0.001％-2％，在改善高温循环性能的同时抑制对于高温存储性能的影响。
对比实施例1-10和实施例2-16到实施例2-26可知，当电解液中添加有腈类化合物时，锂离子电池在4.5V、60℃存储30天后的厚度增长率随腈类化合物含量的增加先降低后增加，锂离子电池的在4.5V、45℃循环300圈后的容量保持率随腈类化合物含量的增加先升高后降低，这表明合理控制腈类化合物能够同时改善锂离子电池的高温循环性能和高温存储性能。因此，在一些实施例中，控制腈类化合物占电解液总质量的百分比为0.1％-12％。
请参考实施例2-27到实施例2-32，实施例2-27到实施例2-32的电解液中同时添加FEC、PS、VC和腈类化合物，实施例2-31的在4.5V、60℃存储30天后的厚度增长率低于实施例1-10以及实施例2-1到实施例26，且在4.5V、45℃循环300圈后的容量保持率高于实施例1-10以及实施例2-21到实施例2-26，可见，在电解液中同时添加FEC、PS、VC和腈类化合物并控制含量可以进一步改善锂离子电池的高温存储性能和高温循环性能。对比例2-1与实施例2-31的区别仅在于没有在电解液中加入式I所示化合物，而对比例2-1的高温存储性能和高温循环性能大幅低于实施例31，可见，式I所示化合物与FEC、PS、VC和腈类化合物具有协同作用，共同改善锂离子电池的高温存储性能和高温循环性能。
以下对对比例3-1到对比例3-6，以及实施例3-1到实施例3-17进行说明，对比例3-1至对比例3-6以及实施例3-1至实施例3-13中所采用的第一化合物以及第二化合物与实施例1-10相同，区别在于所采用的溶剂不同。对比例3-1到对比例3-6，以及实施例3-1到实施例3-13所采用的溶剂中氟代羧酸酯和非氟代羧酸酯按表3中比例，其余溶剂成分仍按照EC:PC＝1:3补充。
表3
请参考表3，通过分析实施例1-10、对比例3-1至对比例3-3的数据可知：在电解液中加入非取代的羧酸酯后，电解液的电导率明显升高，但45℃、4.4V循环700圈后的厚度增长率以及45℃、4.5V循环300圈后的厚度增长率明显上升，即通过在电解液中加入非取代的羧酸酯会显著改善电解液电导率，但恶化锂离子电池的在高电压下的高温存储性能。
通过分析实施例1-10、对比例3-4至对比例3-6的数据可知：在电解液中加入氟代羧酸酯后，电解液的电导率略微升高或降低，但锂离子电池的45℃、4.4V循环700圈以及45℃、4.5V循环300圈后的容量保持率大幅上升，即氟代羧酸酯对电导率的影响较小，但能够显著改善锂离子电池在高电压下的高温循环性能。
通过分析1-10、对比例3-1、实施例3-1至实施例3-6的数据可知：实施例3-1至实施例3-6的电导率高于实施例1-10，同时实施例3-1至实施例3-6的45℃、4.4V循环700圈以及45℃、4.5V循环300圈后的厚度增长率明显小于对比例3-1，即随着非取代羧酸酯的质量含量的上升、非氟代羧酸酯与氟代羧酸酯的质量比例的上升，仍然能够改善电解液的电导率，通过加入氟代羧酸酯能够抑制非氟代羧酸酯对高温存储及高电压高温循环的劣化。因此，在本申请的一些实施例中，电解液中同时包括非氟代羧酸酯和氟代羧酸酯。
通过分析对比例3-1、实施例3-4、实施例3-7至实施例3-9的数据可知：在非氟代羧酸酯的质量含量不变时，随着氟代羧酸酯的质量含量的上升、非氟代羧酸酯与氟代羧酸酯的质量比的下降，45℃、4.4V循环700圈后的容量保持率升高且厚度增长率降低，45℃、4.5V循环300圈后的容量保持率升高和厚度增长率降低，即能够改善锂离子电池的高温存储性能及高电压下的高温循环性能，且当电压升高时效果更加显著。
通过分析对比例3-1至对比例3-3、实施例3-7、实施例3-10至实施例3-11的数据可知：乙酸乙酯对电导率的改善效果最为显著，但对于改善高温存储性能和高电压高温循环后的容量保持率不具优势；丙酸丙酯对改善电导率的效果较弱，但对改善高温存储性能和高温循环性能的效果最优。通过分析对比例3-4至对比例3-6、实施例3-7、实施例3-12至实施例3-13可知：二氟乙酸乙酯恶化电导率的程度较轻，对于高温循环性能和高温存储性能的改善效果相对略差。
为了平衡电导率和高电压下的高温存储性能与高温循环性能，在一些实施例中，采用0.5≤非氟代羧酸酯的质量/氟代羧酸酯的质量≤10，优选为0.5≤非氟代羧酸酯的质量/氟代羧酸酯的质量≤4。如果非氟代羧酸酯和氟代羧酸酯的质量比例较低，则电解液电导率差，不利于实现电化学装置的快速充放电；如果非氟代羧酸酯和氟代羧酸酯的质量比例过高，则电解液在高电压下溶剂大量分解，不利于高电压下的循环性能，并且高温下加剧电解液消耗，带来产气的安全问题。通过分析实施例3-14至对比例3-17、实施例3-10可知：复合第一添加剂化合物和第二类化合物，并调节非氟代羧酸酯的质量/氟代羧酸酯的质量，可在不大幅度降低电导率的前提下改善高温循环性能和高温存储性能。
综上可知，在本申请的实施例中，电解液包括式I所示化合物，从而在电化学装置充放电初期形成高稳定的正负极保护膜，在不低于4.4V的高电压下实现稳定循环，提高了电化学装置在高电压下的循环性能；在高于常温的存储中有效延后正负极SEI膜失效，抑制电解液分解产气，提高了电化学装置的高温存储性能和安全性能。
在一些实施例中，电解液中同时包括氟代羧酸酯与非氟代羧酸酯，用并限定两者的质量比能够提高电解液的电导率，改善电化学装置在高电压下的快速充放电能力。
式I所示化合物与氟代羧酸酯参与负极成膜，式I所示化合物与非氟代羧酸酯参与正极成膜，通过合理组合并调整使用量，不但能够抑制产气，还可改善电化学装置在高电压下SEI膜的稳定性。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。
Claims (12)
1.一种电解液，其特征在于，包括式I所示化合物中的至少一种：
其中，R选自氢基、氟基、烷基、烯基、炔基、芳基、取代烷基、取代烯基、取代炔基或取代芳基中的一种。
2.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述式I所示化合物包括如下所示化合物中的至少一种：
3.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述式I所示化合物占所述电解液总质量的百分比为0.01％-10％。
4.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，还包括：
氟代羧酸酯和/或非氟代羧酸酯。
5.根据权利要求4所述的电解液，其特征在于，满足特征(a)至(c)中的至少一者：
(a)所述氟代羧酸酯占所述电解液总质量的百分比为5％-50％；
(b)所述非氟代羧酸酯占所述电解液总质量的百分比为5％-50％；
(c)所述非氟代羧酸酯和所述氟代羧酸酯的质量比不小于0.5且不大于10。
6.根据权利要求4所述的电解液，其特征在于，
所述非氟代羧酸酯包括：乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯或丙酸丁酯中的至少一种；
所述氟代羧酸酯包括：氟代乙酸乙酯、氟代乙酸丙酯、氟代乙酸丁酯、氟代丙酸乙酯、氟代丙酸丙酯或氟代丙酸丁酯中的至少一种，其中氟代是指羧酸酯分子中至少有1个氢原子被氟原子取代。
7.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，还包括：氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯、碳酸亚乙烯酯或腈类化合物中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的电解液，其特征在于，所述电解液满足如下条件(d)-(g)中的至少一条：
(d)所述氟代碳酸乙烯酯占所述电解液总质量的百分比为0.1％-10％；
(e)所述碳酸亚乙烯酯占所述电解液总质量的百分比为0.001％-2％；
(f)所述1,3-丙烷磺内酯占所述电解液总质量的百分比为0.1％-5％；
(g)所述腈类化合物占所述电解液总质量的百分比为0.1％-12％。
9.根据权利要求7所述的电解液，其特征在于，所述腈类化合物包括如下所示化合物中的至少一种：
其中，R21选自C1-12亚烷基、取代的C1-12亚烷基、C1-12亚烷氧基或取代的C1-12亚烷氧基；
R31、R32各自独立地选自单键、C1-12亚烷基或取代的C1-12亚烷基；
R41、R42、R43各自独立地选自单键、C1-12亚烷基、取代的C1-12亚烷基、C1-12亚烷氧基或取代的C1-12亚烷氧基；
R51选自C1-12亚烷基、取代的C1-12亚烷基、C2-12亚烯基、取代的C2-12亚烯基、C6-26亚芳基、取代的C6-26亚芳基、C2-12亚杂环基团或取代的C2-12亚杂环基团；
其中，经取代时，取代基为卤素原子。
10.根据权利要求7所述的电解液，其特征在于，所述腈类化合物包括
11.一种电化学装置，其特征在于，包括：
正极、负极、隔离膜和权利要求1-10中任一所述的电解液。
12.一种电子装置，其特征在于，包括权利要求11中所述的电化学装置。
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| CN114287079A (zh) * | 2021-03-31 | 2022-04-05 | 宁德新能源科技有限公司 | 电解液、电化学装置以及电子装置 |
| CN114287079B (zh) * | 2021-03-31 | 2023-08-29 | 宁德新能源科技有限公司 | 电解液、电化学装置以及电子装置 |
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