CN112271327B - 电解液以及包含电解液的电化学装置和电子装置 - Google Patents

电解液以及包含电解液的电化学装置和电子装置 Download PDF

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Abstract

本申请涉及电解液，其包含具有下式的砜基化合物。本申请还提供包含该电解液的电化学装置和电子装置。
Figure DDA0003128922950000011
环A为包含Y元素的5‑7元环，R选自以下中的至少一种：氢、卤素、氰基、硝基、磺酸基、醛基、羧基、硅基、经取代或未经取代的C1‑12烷氧基、经取代或未经取代的C1‑12烷基、经取代或未经取代的C2‑12烯基、经取代或未经取代的C2‑12炔基或经取代或未经取代的C6‑12芳基；其中，经取代时，取代基为卤素；其中，n选自3至5，且当n＝5时，R不同时为氰基、硝基、磺酸基、醛基、羧基、硅基或经取代或未经取代的C6‑12芳基；元素X和Y各自为C、N、S、O、P、Si中的任一种；a、b和c各自独立地选自0至5。

Description

电解液以及包含电解液的电化学装置和电子装置
技术领域
本申请涉及储能技术领域，尤其涉及一种电解液以及包括该电解液的电化学装置和电子装置。
背景技术
近年来，电化学装置，如锂离子电池，由于其高能量密度、高循环性等备受关注，然而，锂电池在60℃甚至更高温的存储过程中，因SEI(solid electrolyte interface)不断被破坏，造成电极与电解液的反应，尤其是为了追求更高的能量密度，正极充电截止电压被提高至4.45V甚至更高，正极活性增强，高温存储过程电极与电解液反应加剧，电芯安全性降低。因此，迫切需要开发一种新的电解液添加剂，其可以在电极表面形成稳定的保护膜，在电化学装置长期存储过程中可抑制电解液与电极的反应，改善电化学装置高温存储性能。
发明内容
本申请通过提供一种电解液以解决至少一种存在于相关领域中的问题。特别地，本申请提供的电解液能够显著改善电化学装置的高温存储性能。本申请还涉及包含这种电解液的电化学装置和电子装置。
本申请提供一种电解液，其包含具有下式的砜基化合物：
Figure GDA0003128922940000011
其中，环A为包含Y元素的5-7元环，R选自以下中的至少一种：氢、卤素、氰基、硝基、磺酸基、醛基、羧基、硅基、经取代或未经取代的C1-12烷氧基、经取代或未经取代的C1-12烷基、经取代或未经取代的C2-12烯基、经取代或未经取代的C2-12炔基或经取代或未经取代的C6-12芳基；其中，经取代时，取代基为卤素；
其中，n选自3至5的整数，且当n＝5时，R不同时为氰基、硝基、磺酸基、醛基、羧基、硅基或经取代或未经取代的C6-12芳基；
元素X和Y各自独立的选自C、N、S、O、P、Si中的任一种；
a、b和c各自独立地选自0至5的整数。
在一些实施例中，电解液中的砜基化合物包含式I至式X化合物中的至少一种：
Figure GDA0003128922940000021
Figure GDA0003128922940000031
其中，R1至R42选自以下基团中的至少一种：氢、卤素、经取代或未经取代的C1-12烷氧基、经取代或未经取代的C1-12烷基、经取代或未经取代的C2-12烯基或经取代或未经取代的C2-12炔基；其中，取代时，取代基是卤素；并且a、b和c各自独立地选自0至3的整数。
在一些实施例中，电解液中的砜基化合物选自以下化合物中的至少一种：
Figure GDA0003128922940000032
Figure GDA0003128922940000041
其中，基于所述电解液的总重量，所述砜基化合物的含量为0.01％至10％。
在一些实施例中，电解液还包含第一添加剂或第二添加剂中的至少一种，其中：第一添加剂选自多腈化合物、酸酐、含磷化合物或锂盐添加剂中的至少一种：；第二添加剂选自氟代碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯、1,4-丁烷磺酸内酯、甲烷二磺酸亚甲酯、硫酸乙烯酯或1,3-硫酸丙烯酯的至少一种。
在一些实施例中，电解液中的多腈化合物包括二腈和三腈中的至少一种，所述二腈包含丁二腈、戊二腈、己二腈、1,5-二氰基戊烷、1,6-二氰基己烷、四甲基丁二腈、2-甲基戊二腈、2,4-二甲基戊二腈、2,2,4,4-四甲基戊二腈、1,4-二氰基戊烷、1,4-二氰基戊烷、1,2-二氰基苯、1,3-二氰基苯、1,4-二氰基苯、乙二醇双(丙腈)醚、3,5-二氧杂-庚二腈、1,4-二(氰基乙氧基)丁烷、二乙二醇二(2-氰基乙基)醚、三乙二醇二(2-氰基乙基)醚、四乙二醇二(2-氰基乙基)醚、1,3-二(2-氰基乙氧基)丙烷、1,4-二(2-氰基乙氧基)丁烷、1,5-二(2-氰基乙氧基)戊烷、乙二醇二(4-氰基丁基)醚、1,4-二氰基-2-丁烯、1,4-二氰基-2-甲基-2-丁烯、1,4-二氰基-2-乙基-2-丁烯、1,4-二氰基-2,3-二甲基-2-丁烯、1,4-二氰基-2,3-二乙基-2-丁烯、1,6-二氰基-3-己烯或1,6-二氰基-2-甲基-3-己烯中的至少一种，所述三腈包含1,3,5-戊三甲腈、1,2,3-丙三甲腈、1,3,6-己三甲腈、1,2,6-己三甲腈、1,2,3-三(2-氰基乙氧基)丙烷、1,2,4-三(2-氰基乙氧基)丁烷、1,1,1-三(氰基乙氧基亚甲基)乙烷、1,1,1-三(氰基乙氧基亚甲基)丙烷、3-甲基-1,3,5-三(氰基乙氧基)戊烷、1,2,7-三(氰基乙氧基)庚烷、1,2,6-三(氰基乙氧基)己烷或1,2,5-三(氰基乙氧基)戊烷中的至少一种。
在一些实施例中，电解液中的酸酐包括柠槺酸酐、丁二酸酐、马来酸酐、三氟甲基马来酸酐、二甲基马来酸酐或丙烷磺酸酐中的至少一种。
在一些实施例中，电解液中的含磷化合物包括磷腈或磷酸酯中的至少一种。
在一些实施例中，电解液中的锂盐添加剂包括4,5-二氰基-2-(三氟甲基)咪唑锂、二氟磷酸锂、四氟硼酸锂、草酸硼酸锂或双草酸硼酸锂中的至少一种。
在一些实施例中，第一添加剂包括多腈化合物，并且所述砜基化合物与所述多腈化合物的质量比Q满足以下条件：0.01<Q<10。
本申请还提供一种电化学装置，其包含根据本申请的电解液。
在一些实施例中，电化学装置包括正极材料，所述正极材料包含铝元素、锆元素或镁元素中的至少一种；其中，基于正极材料的重量，所述铝元素的含量a小于1％，锆元素的含量b小于1％，镁元素的含量c小于0.5％；当同时含有铝元素和镁元素，含量满足条件式：0.005<a/c<500。
在一些实施例中，电化学装置还包含负极，所述负极包含人造石墨、天然石墨、硅或SiOx中的至少一种，其中：0.6≦x≦2。
本申请还提供一种电子装置，其包含根据本申请的电化学装置。
本申请实施例的额外层面及优点将部分地在后续说明中描述、显示、或是经由本申请实施例的实施而阐释。
具体实施方式
本申请的实施例将会被详细的描示在下文中。本申请的实施例不应该被解释为对本申请的限制。
如本文中所使用，术语“约”用以描述及说明小的变化。当与事件或情形结合使用时，所述术语可指代其中事件或情形精确发生的例子以及其中事件或情形极近似地发生的例子。举例来说，当结合数值使用时，术语可指代小于或等于所述数值的±10％的变化范围，例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于±0.05％。举例来说，如果两个数值之间的差值小于或等于所述值的平均值的±10％(例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于±0.05％)，那么可认为所述两个数值“约”相同。
另外，有时在本文中以范围格式呈现量、比率和其它数值。应理解，此类范围格式是用于便利及简洁起见，且应灵活地理解，不仅包含明确地指定为范围限制的数值，而且包含涵盖于所述范围内的所有个别数值或子范围，如同明确地指定每一数值及子范围一般。
在具体实施方式及权利要求书中，由术语“中的一者”、“中的一个”、“中的一种”或其他相似术语所连接的项目的列表可意味着所列项目中的任一者。例如，如果列出项目A及B，那么短语“A及B中的一者”意味着仅A或仅B。在另一实例中，如果列出项目A、B及C，那么短语“A、B及C中的一者”意味着仅A；仅B；或仅C。项目A可包含单个元件或多个元件。项目B可包含单个元件或多个元件。项目C可包含单个元件或多个元件。
在具体实施方式及权利要求书中，由术语“中的至少一者”、“中的至少一个”、“中的至少一种”或其他相似术语所连接的项目的列表可意味着所列项目的任何组合。例如，如果列出项目A及B，那么短语“A及B中的至少一者”意味着仅A；仅B；或A及B。在另一实例中，如果列出项目A、B及C，那么短语“A、B及C中的至少一者”意味着仅A；或仅B；仅C；A及B(排除C)；A及C(排除B)；B及C(排除A)；或A、B及C的全部。项目A可包含单个元件或多个元件。项目B可包含单个元件或多个元件。项目C可包含单个元件或多个元件。
本申请中使用下列定义(除非另外明确地说明)：
为简单起见，“Cn-m”基团是指具有“n”至“m”个碳原子的基团，其中“n”和“m”是整数。例如，“C1-12”烷基是具有1至12个碳原子的烷基。
术语“烃基”涵盖烷基、烯基、炔基、环烷基、芳基。例如，烃基预期是具有1至20个碳原子的直链烃结构。“烃基”还预期是具有3至20个碳原子的支链或环状烃结构。当指定具有具体碳数的烃基时，预期涵盖具有该碳数的所有几何异构体。本文中烃基还可以为1至15个碳原子的烃基、1至10个碳原子的烃基、1至5个碳原子的烃基、5至20个碳原子的烃基、5至15个碳原子的烃基或5至10个碳原子的烃基。另外，烃基可以是任选地被取代的。例如，烃基可被包括氟、氯、溴和碘在内的卤素、烷基、芳基或杂芳基取代。
术语“烃氧基”指L-O-基团，其中L为烷基、烯基、炔基、环烷基、芳基。本文中烃氧基可为1至20个碳原子的烃氧基，还可以为1至15个碳原子的烃氧基、1至10个碳原子的烃氧基、1至5个碳原子的烃氧基、5至20个碳原子的烃氧基、5至15个碳原子的烃氧基或5至10个碳原子的烃氧基。
术语“烷基”预期是具有1至20个碳原子的直链饱和烃结构。“烷基”还预期是具有3至20个碳原子的支链或环状烃结构。例如，烷基可为1至20个碳原子的烷基、1至10个碳原子的烷基、1至5个碳原子的烷基、5至20个碳原子的烷基、5至15个碳原子的烷基或5至10个碳原子的烷基。当指定具有具体碳数的烷基时，预期涵盖具有该碳数的所有几何异构体；因此，例如，“丁基”意思是包括正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基和环丁基；“丙基”包括正丙基、异丙基和环丙基。烷基实例包括，但不限于甲基、乙基、正丙基、异丙基、环丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、环丁基、正戊基、异戊基、新戊基、环戊基、甲基环戊基、乙基环戊基、正己基、异己基、环己基、正庚基、辛基、环丙基、环丁基、降冰片基等。另外，烷基可以是任选地被取代的。
术语“烯基”是指可为直链或具支链且具有至少一个且通常1个、2个或3个碳碳双键的单价不饱和烃基团。除非另有定义，否则所述烯基通常含有2至20个碳原子，例如可以为2至20个碳原子的烯基、6至20个碳原子的烯基、2至10个碳原子的烯基或2至6个碳原子的烯基。代表性烯基包括(例如)乙烯基、正丙烯基、异丙烯基、正-丁-2-烯基、丁-3-烯基、正-己-3-烯基等。另外，烯基可以是任选地被取代的。
术语“炔基”是指可为直链或具支链且具有至少一个且通常具有1个、2个或3个碳碳三键的单价不饱和烃基团。除非另有定义，否则所述炔基通常含有2至20个碳原子，例如可以为2至20个碳原子的炔基、6至20个碳原子的炔基、2至10个碳原子的炔基或2至6个碳原子的炔基。代表性炔基包括(例如)乙炔基、丙-2-炔基(正-丙炔基)、正-丁-2-炔基、正-己-3-炔基等。另外，炔基可以是任选地被取代的。
术语“亚烷基”意指可为直链或具支链的二价饱和烷基。除非另有定义，否则所述亚烷基通常含有1到10个、1至6个、1至4个或2至4个碳原子，且包括(例如)C2-3亚烷基和C2-6亚烷基。代表性亚烷基包括(例如)亚甲基、乙烷-1,2-二基(“亚乙基”)、丙烷-1,2-二基、丙烷-1,3-二基、丁烷-1,4-二基、戊烷-1,5-二基等。
术语“亚烯基”意指通过从上述定义的烯基中除去一个氢原子而获得的双官能团。优选的亚烯基包括但不限于-CH＝CH-、-C(CH3)＝CH-、-CH＝CHCH2–等。
术语“环烷基”涵盖环状烷基。环烷基可为2至20个碳原子的环烷基、6至20个碳原子的环烷基、2至10个碳原子的环烷基、2至6个碳原子的环烷基。例如，环烷基可为环丙基、环丁基、环戊基、环己基等。另外，环烷基可以是任选地被取代的。
术语“芳基”意指具有单环(例如，苯基)或稠合环的单价芳香族烃。稠合环系统包括那些完全不饱和的环系统(例如，萘)以及那些部分不饱和的环系统(例如，1,2,3,4-四氢萘)。除非另有定义，否则所述芳基通常含有6个到26个、6至20个、6至15个或6至10个碳环原子且包括(例如)C6-10芳基。代表性芳基包括(例如)苯基、甲基苯基、丙基苯基、异丙基苯基、苯甲基和萘-1-基、萘-2-基等等。
术语“杂环”或“杂环基”意指取代或未取代的5至8元单或双环非芳族烃，其中1至3个碳原子被选自氮、氧或硫原子的杂原子替换。实例包括吡咯烷-2-基；吡咯烷-3-基；哌啶基；吗啉-4-基等，这些基团随后可被取代。“杂原子”是指选自N、O和S的原子。
如本文所用，术语“卤素”可为F、Cl、Br或I。
如本文所用，术语“氰基”涵盖含有机基团CN的有机物。
当上述取代基经取代时，取代基可选自由以下组成的群组：卤素、烷基、烯基、芳基和杂芳基。
一、电解液
砜基化合物
本申请提供一种电解液，其包含具有下式的砜基化合物：
Figure GDA0003128922940000081
其中，环A为包含Y元素的5-7元环，R选自以下中的至少一种：氢、卤素、氰基、硝基、磺酸基、醛基、羧基、硅基、经取代或未经取代的C1-12烷氧基、经取代或未经取代的C1-12烷基、经取代或未经取代的C2-12烯基、经取代或未经取代的C2-12炔基、或经取代或未经取代的C6-12芳基；其中，经取代时，取代基为卤素。
在上述砜基化合物中，n选自3至5的整数，例如，n可以为3、4或5，环A中的R基团在每次出现时可以相同或不同；且当n＝5时，R不同时为氰基、硝基、磺酸基、醛基、羧基、硅基或经取代或未经取代的C6-12芳基。
在一些实施例中，元素X和Y各自独立地选自C、N、S、O、P、Si中的任一种。X与Y可以相同，例如，X和Y可以同时为O、S、P或C。X和Y也可以不相同，例如，X为O、C或Si时，Y为与X不相同的其他元素。
在一些实施例中，a、b和c各自独立地选自0至5的整数，其各自可以为0、1、2、3、4或5。
在一些实施例中，环A可以为包含Y元素的饱和碳环，其包含4、5或6个碳原子和一个Y元素。
在一些实施例中，电解液中的砜基化合物包含式I至式X化合物中的至少一种：
Figure GDA0003128922940000091
Figure GDA0003128922940000101
其中，R1至R42选自以下基团中的至少一种：氢、卤素、经取代或未经取代的C1-12烷氧基、经取代或未经取代的C1-12烷基、经取代或未经取代的C2-12烯基或经取代或未经取代的C2-12炔基；其中，经取代时，取代基是卤素；并且a、b和c各自独立地选自0至3的整数。
在一些实施例中，电解液中的砜基化合物选自以下化合物中的至少一种：
Figure GDA0003128922940000102
Figure GDA0003128922940000111
在一些实施例中，基于电解液的总重量，砜基化合物的含量为0.01％至10％，例如，其含量可以为约0.01％、约0.1％、约0.3％、约0.5％、约1％、约2％、约3％、约4％、约5％、约6％、约7％、约8％、约9％、约10％，或者为上述任意两个数值之间的范围。
根据本申请的砜基化合物能够使电池的高温存储性能得到明显改善，原因归结于根据本申请的砜基化合物在化成的过程中，在正负极表面均能够产生保护膜，同时结构同环A的存在可降低添加剂的氧化电位，并于正极开环发生氧化反应，减少电池在高温存储过程中正负极与电解液的进一步反应，最终达到降低存储胀气的目的。
第一添加剂
在一些实施例中，根据本申请的电解液还可以包含第一添加剂，所述第一添加剂选自以下化合物中的至少一种：多腈化合物、酸酐、含磷化合物或锂盐添加剂。
在一些实施例中，第一添加剂为多腈化合物，其包括二腈或三腈中的至少一种。
在一些实施例中，二腈包含丁二腈、戊二腈、己二腈、1,5-二氰基戊烷、1,6-二氰基己烷、四甲基丁二腈、2-甲基戊二腈、2,4-二甲基戊二腈、2,2,4,4-四甲基戊二腈、1,4-二氰基戊烷、1,4-二氰基戊烷、1,2-二氰基苯、1,3-二氰基苯、1,4-二氰基苯、乙二醇双(丙腈)醚、3,5-二氧杂-庚二腈、1,4-二(氰基乙氧基)丁烷、二乙二醇二(2-氰基乙基)醚、三乙二醇二(2-氰基乙基)醚、四乙二醇二(2-氰基乙基)醚、1,3-二(2-氰基乙氧基)丙烷、1,4-二(2-氰基乙氧基)丁烷、1,5-二(2-氰基乙氧基)戊烷、乙二醇二(4-氰基丁基)醚、1,4-二氰基-2-丁烯、1,4-二氰基-2-甲基-2-丁烯、1,4-二氰基-2-乙基-2-丁烯、1,4-二氰基-2,3-二甲基-2-丁烯、1,4-二氰基-2,3-二乙基-2-丁烯、1,6-二氰基-3-己烯或1,6-二氰基-2-甲基-3-己烯中的至少一种。
在一些实施例中，三腈包含1,3,5-戊三甲腈、1,2,3-丙三甲腈、1,3,6-己三甲腈、1,2,6-己三甲腈、1,2,3-三(2-氰基乙氧基)丙烷、1,2,4-三(2-氰基乙氧基)丁烷、1,1,1-三(氰基乙氧基亚甲基)乙烷、1,1,1-三(氰基乙氧基亚甲基)丙烷、3-甲基-1,3,5-三(氰基乙氧基)戊烷、1,2,7-三(氰基乙氧基)庚烷、1,2,6-三(氰基乙氧基)己烷或1,2,5-三(氰基乙氧基)戊烷中的至少一种。
在一些实施例中，第一添加剂为酸酐，其包括柠槺酸酐、丁二酸酐、马来酸酐、三氟甲基马来酸酐、二甲基马来酸酐或丙烷磺酸酐中的至少一种。
在一些实施例中，第一添加剂为含磷化合物，其包括磷腈或磷酸酯中的至少一种。磷腈包括乙氧基五氟环三磷腈、甲氧基五氟环三磷腈、六氟环三磷腈、五氟环三磷腈。磷酸酯包括苯基磷酸酯、磷酸三甲酯、甲基磷酸二甲酯、甲基磷酸三甲酯、磷酸三乙酯。
在一些实施例中，第一添加剂为锂盐添加剂，其包括4,5-二氰基-2-(三氟甲基)咪唑锂、二氟磷酸锂、四氟硼酸锂、草酸硼酸锂或双草酸硼酸锂中的至少一种。
在一些实施例中，基于电解液的总重量，上述第一添加剂的含量各自可以为0.01％至5％，例如，其含量可以为约0.01％、约0.1％、约0.4％、约0.5％、约1％、约2％、约3％、约4％、约5％，或者为上述任意两个数值之间的范围。
在一些实施例中，第一添加剂包括多腈化合物，且电解液中砜基化合物与多腈化合物的质量比Q满足以下条件：0.01<Q<10，例如，Q可以为0.01、1、2、3、4、5、6、6.25、6.5、7、7.5、8、9或10。
在一些实施例中，电解液包括二腈、三腈、丁二酸酐、丙烷磺酸酐、磷腈、磷酸酯、二氟磷酸锂或草酸硼酸锂中的至少一种。
第二添加剂
在一些实施例中，电解液还包含第二添加剂，第二添加剂选自氟代碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯、1,4-丁烷磺酸内酯、甲烷二磺酸亚甲酯、硫酸乙烯酯或1,3-硫酸丙烯酯的至少一种。
在一些实施例中，基于电解液的总重量，上述第二添加剂的含量各自可以为0.01％至15％，例如，其含量可以为约0.01％、约0.1％、约0.4％、约0.5％、约1％、约2％、约3％、约4％、约5％、约7％、约9％、约11％、约13％、约15％，或者为上述任意两个数值之间的范围。
一般认为，锂离子电池负极表面形成的SEI膜层结构分为两层，分别为贴近锂负极的紧密层和靠近电解液的疏松层。紧密层具备电子绝缘能力和良好的离子导电能力，而疏松层则由于其结构疏松多孔，电子导电能力较差，是导致极化的主要原因。出人意料地，本申请中提供的砜基化合物在单独使用时在负极疏松层上形成含硫结构的SEI膜，同时，砜基化合物中的杂环经由开环可以在正极形成致密的保护膜。因此，本申请提供的砜基化合物能够同时在正负极成膜，由此显著地改善电化学装置高温存储性能。另外，由于砜基中的氧原子靠近杂环位置，氧原子的氧化电位降低，该砜基化合物可提前在正负极形成含硫的保护层，从而降低化成产气。
本申请提供的砜基化合物可以与上述第一添加剂组合使用，该组合能够在改善高温存储性能的同时使得电化学装置的其它电性能也得到改善。
在一些实施例中，电解液包括以下组合：砜基化合物和二氟磷酸锂，砜基化合物和草酸硼酸锂，砜基化合物和磷腈，砜基化合物和苯基磷酸酯，砜基化合物和丁二酸酐，砜基化合物和丙烷磺酸酐，砜基化合物、二腈和丁二酸酐/丙烷磺酸酐，砜基化合物和二腈/三腈化合物，砜基化合物、二氟磷酸锂和二腈/三腈化合物、砜基化合物、二氟磷酸锂和磷腈。
二、电化学装置
本申请还提供一种电化学装置，其包括根据本申请的电解液。
正极
根据本申请的电化学装置还包括正极，其包括集流体和设置在集流体上的正极活性材料层。在一些实施例中，正极材料包含铝元素、锆元素或镁元素中的至少一种。例如，正极活性材料可以包括Al和Zr、Al和Mg、Zr和Mg、或者Al、Zr和Mg的组合。
在一些实施例中，基于正极材料的总重量，铝元素的含量a小于1％，例如，Al的含量a可以小于0.9％、小于0.8％、小于0.7％、小于0.6％、小于0.5％、或者为上述数值任意两者之间或上述任意数值与零之间的范围。
在一些实施例中，基于正极材料的总重量，锆元素的含量b小于1％，例如，Zr的含量b可以小于0.9％、小于0.8％、小于0.7％、小于0.6％、小于0.5％、或者为上述数值任意两者之间或上述任意数值与零之间的范围。
在一些实施例中，基于正极材料的总重量，镁元素的含量c小于0.5％，例如，Mg的含量c可以小于0.5％、小于0.4％、小于0.3％、小于0.2％、小于0.1％、或者为上述数值任意两者之间或上述任意数值与零之间的范围。
在一些实施例中，正极材料包含铝和镁元素，并且其含量满足以下条件：0.005<a/c<500。例如，a/c的比值可以为0.004、0.01、0.1、1、10、15、20、30、50、80、100、150、200、230、260、300、400、499等。
在一些实施例中，正极活性材料包括可逆地嵌入和脱嵌锂离子的化合物。在一些实施例中，正极活性材料可以包括复合氧化物，所述复合氧化物含有锂以及从钴、锰或镍中选择的至少一种元素。在又一些实施例中，正极活性材料选自钴酸锂(LiCoO2)、锂镍锰钴三元材料、锰酸锂(LiMn2O4)、镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4)或磷酸铁锂(LiFePO4)中的至少一种。
在一些实施例中，正极活性材料层还包含粘合剂，并且可选地还包括导电材料。
粘合剂可提高正极活性材料颗粒彼此间的结合，并且还可提高正极活性材料与集流体的结合。在一些实施例中，粘合剂的非限制性示例包括聚乙烯醇、羟丙基纤维素、二乙酰基纤维素、聚氯乙烯、羧化的聚氯乙烯、聚氟乙烯、含亚乙基氧的聚合物、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚偏1,1-二氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丁苯橡胶、丙烯酸(酯)化的丁苯橡胶、环氧树脂、尼龙等。
正极活性材料层还可包括导电材料，从而赋予电极导电性。所述导电材料可以包括任何导电材料，只要它不引起不想要的化学变化。在一些实施例中，导电材料的非限制性示例包括基于碳的材料(例如，天然石墨、人造石墨、碳黑、乙炔黑、科琴黑、碳纤维等)、基于金属的材料(例如，金属粉、金属纤维等，包括例如铜、镍、铝、银等)、导电聚合物(例如，聚亚苯基衍生物)和它们的混合物。
在一些实施例中，用于根据本申请的二次电池的正极的集流体可以是铝(Al)，但不限于此。
负极
根据本申请的电化学装置还包括负极，其包括集流体和设置在集流体上的负极活性材料层。在一些实施例中，电化学装置的负极包含人造石墨、天然石墨、硅或SiOx中的至少一种，其中：0.6≦x≦2。
在一些实施例中，含硅材料(如硅，SiOx)表面的至少一部分上有保护层，保护层的厚度为1nm-500nm；保护层包括碳材料或无机颗粒中的至少一种；无机颗粒包含MgO、Al2O3、TiO2中的至少一种。
在一些实施例中，负极活性材料层可以包含粘合剂，并且可选地还包括导电材料。
粘合剂可提高负极活性材料颗粒彼此间的结合和负极活性材料与集流体的结合。在一些实施例中，粘合剂的非限制性示例包括聚乙烯醇、羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、二乙酰基纤维素、聚氯乙烯、羧化的聚氯乙烯、聚氟乙烯、含亚乙基氧的聚合物、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚偏1,1-二氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丁苯橡胶、丙烯酸(酯)化的丁苯橡胶、环氧树脂、尼龙等。
负极活性材料层还可包括导电材料，从而赋予电极导电性。所述导电材料可以包括任何导电材料，只要它不引起不想要的化学变化。在一些实施例中，导电材料的非限制性示例包括基于碳的材料(例如，天然石墨、人造石墨、碳黑、乙炔黑、科琴黑、碳纤维等)、基于金属的材料(例如，金属粉、金属纤维等，例如铜、镍、铝、银等)、导电聚合物(例如，聚亚苯基衍生物)和它们的混合物。
在一些实施例中，用于本申请所述的负极片的集流体可以选自铜箔、镍箔、不锈钢箔、钛箔、泡沫镍、泡沫铜、覆有导电金属的聚合物基底和它们的组合。
隔离膜
在一些实施例中，本申请的电化学装置在正极与负极之间设有隔离膜以防止短路。本申请的电化学装置中使用的隔离膜的材料和形状没有特别限制。在一些实施例中，隔离膜包括由对本申请的电解液稳定的材料形成的聚合物或无机物等。
例如，隔离膜可包括基材层和表面处理层。
在一些实施例中，基材层为具有多孔结构的无纺布、膜或复合膜，基材层的材料选自聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺中的至少一种。具体的，在一些实施例中，可选用聚丙烯多孔膜、聚乙烯多孔膜、聚丙烯无纺布、聚乙烯无纺布或聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯多孔复合膜。
在一些实施例中，基材层的至少一个表面上设置有表面处理层，表面处理层可以是聚合物层或无机物层，也可以是混合聚合物与无机物所形成的层。
在一些实施例中，无机物层包括无机颗粒和粘结剂。在一些实施例中，无机颗粒选自氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钛、二氧化铪、氧化锡、二氧化铈、氧化镍、氧化锌、氧化钙、氧化锆、氧化钇、碳化硅、勃姆石、氢氧化铝、氢氧化镁、氢氧化钙或硫酸钡中的至少一种。在一些实施例中，粘结剂选自聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯的共聚物、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、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的至少一种。
聚合物层中包含聚合物。在一些实施例中，聚合物的材料选自聚酰胺、聚丙烯腈、丙烯酸酯聚合物、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚偏氟乙烯或聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)中的至少一种。
三、电子装置
本申请还提供一种电子装置，其包括根据本申请的电化学装置。
本申请的电子装置的类型没有特别限定。在一些实施例中，本申请的电子学装置可以包括用于，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。
实施例
下面结合实施例，进一步阐述本申请。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。
1、制备方法
实施例以及对比例中的锂离子电池均按照下述方法进行制备。
(1)电解液配置
在干燥房中，将碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和碳酸二乙酯按1:1:1的质量比混合均匀，得到非水有机溶剂。向非水有机溶剂中加入1mol/L的六氟磷酸锂(LiPF6)，得到基础电解液。在该基础电解液中，根据下文表格中提供的用量和种类分别添加其他添加剂以得到各个实施例和对比例的电解液。
(2)正极制备
将正极活性材料、粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)、导电剂Super-P按质量比96:2:2溶于N-甲基吡咯烷酮(NMP)中混合均匀制成正极浆料。将正极浆料均匀地涂布在厚度为12μm的正极集流体铝箔上，120℃烘烤1h得到正极活性材料层，之后经过压实、分切、焊接极耳得到正极。
(3)负极制备
负极一.将负极活性材料石墨粉末、羧甲基纤维素钠(CMC)、丁苯橡胶按质量比96:2:2溶于水中，充分混合搅拌得到负极浆料，将负极浆料均匀地涂布在厚度为12μm的负极集流体铜箔上，在120℃烘烤1h之后经过压实得到负极活性材料层，之后经过压实、分切、焊接极耳得到负极。
负极二.将负极活性材料石墨粉末、氧化硅粉末(SiO)、羧甲基纤维素钠(CMC)、丁苯橡胶按质量比81:15:2:2溶于水中，充分混合搅拌得到负极浆料，将负极浆料均匀地涂布在厚度为12μm的负极集流体铜箔上，在120℃烘烤1h之后经过压实得到负极活性材料层，之后经过压实、分切、焊接极耳得到负极，氧化硅粉末表面至少一部分区域上具有Al2O3保护层，保护层的厚度为5-25nm。
(5)电池的制备
以12μm的聚丙烯薄膜作为隔离膜。将正极、隔离膜、负极按顺序叠好，使隔离膜处于正负极中间起到隔离的作用，然后卷绕成方形的裸电芯。将裸电芯装入铝箔包装袋，在80℃烘烤除水后，注入相应电解液，经过真空封装、静置、化成、整形等工序，即完成锂离子电池的制备。
2、测试方法
使用以下方法测试实施例和对比例中所制备锂离子电池的性能。
(1)高温存储测试
存储前，以恒定电流0.5C充电至3.65V，然后用厚度测试仪测试电池厚度，得到D1，继续0.5C充电至4.2V，恒压充电至电流为0.05C，然后将锂离子电池置于60℃高温箱中存储30天，待电池冷却后再次测量其厚度，得到D2：
电池厚度增长率＝(D2－D1)÷D1×100％
(2)45℃循环测试
将电池放置在45℃烘箱中，以恒定电流0.5C充电至4.2V，恒压充电至电流为0.05C，0.5C放电至2.8V，记录此次循环放电容量，记为首圈放电，之后按照该测试步骤循环400圈：
电池容量保持率＝第400圈放电容量÷首圈放电容量×100％
3、测试结果
实施例1至20和对比例1
实施例1至20和对比例1中使用的正极材料为NCM523，其中，Al的含量a为0.48％，Zr的含量b为0.53％，Mg的含量c为0.19％；负极为负极一。以下表1中提供实施例1至20和对比例1中各化合物的添加量以及测量得到的性能参数。
表1
Figure GDA0003128922940000181
Figure GDA0003128922940000191
如表1中所示，实施例1至20添加不同含量及不同类型的砜基化合物，对比例1未添该类化合物。由上表中的数据可以看出，当电解液中不添加根据本申请的砜基化合物时，电芯高温存储的厚度增长率高达67％，而添加砜基化合物后，随着其添加量的增加，电池的厚度增长得到明显改善，原因归结于根据本申请的砜基化合物在化成的过程中，在正负极表面均能够产生保护膜，同时环中杂原子(如O，N，Si，S)的存在可降低添加剂的氧化电位，并于正极开环发生氧化反应，减少电池在高温存储过程中正负极与电解液的进一步反应，最终达到降低存储胀气的目的。
实施例1至7中分别添加不同含量的化合物14。由实施例1至7的测试结果可以看出，当砜基化合物的添加量在0.01wt％至10wt％的范围内时，存储改善效果随着添加量的增加而更明显，这是因为添加量增加时，成膜效果更好。但是，如果添加量超过10wt％的范围，例如，实施例7中砜基化合物的添加量为12wt％，电池在化成过程中产气太多，导致不能进行正常化成流程，因而无法获得厚度增长率。因此，本申请中砜基化合物的优选范围为0.01wt％至10wt％。
由实施例13至20的测试结果可以看出，本申请的砜基化合物不仅可单独使用，也可以组合使用以进一步降低厚度增长率。
实施例21至41
实施例21至41中使用的正极材料为NCM523，其中，Al的掺杂量a为0.48％，Zr的掺杂量b为0.53％，Mg的掺杂量c为0.19％，负极为负极一。以下表2中提供实施例21至41中各化合物的添加量以及测量得到的性能参数。
表2
Figure GDA0003128922940000192
Figure GDA0003128922940000201
实施例21至33中，在添加化合物14的基础上额外添加第一添加剂，由测试结果可以看出，本申请的砜基化合物与第一添加剂组合使用可以进一步改善电化学装置的高温存储性能。由实施例34至36的测试结果可以看出，当砜基化合物与多腈化合物的质量比增加到大于5时，因化成时砜基化合物先于多腈化合物形成保护膜，导致多腈化合物的成膜保护作用减弱，可能导致对高温存储性能的改善的协同效果减弱。为了避免协同效果的进一步减弱，本申请中优选设定砜基化合物与多腈化合物的质量比为0.01至10。另外，申请人出人意料地发现，在仅使用少量砜基化合物的情况下(低于0.01wt％)，将其与1,3,6-己三甲腈组合使用，且设定砜基化合物与多腈化合物的质量比在0.01至0.05的范围内时，二者的组合也能有效地改善厚度增长率。
实施例42至64
实施例42至64中使用的正极材料为NCM811，负极为负极一。以下表3中提供实施例42至64中各化合物的添加量以及测量得到的性能参数。
表3
Figure GDA0003128922940000211
为进一步改善电池的高温存储和循环性能，在砜基化合物的基础上，可以另外添加其他添加剂，例如以下添加剂中的至少一种：氟代碳酸乙烯酯(FEC)、碳酸亚乙烯酯(VC)、1,4-丁烷磺酸内酯(BS)、甲烷二磺酸亚甲酯(MMDS)、硫酸乙烯酯(DTD)、1,3-硫酸丙烯酯(PS)或双硫酸乙烯酯(BDTD)。
从以上测试结果可以看出，通过与第二添加剂组合使用，本申请的电解液不仅能够改善高温存储性能，还能够显著改善电池的高温存储性能。
实施例65至68
实施例65至68中使用的正极材料为NCM523，其中，Al的含量a为0.48％，Zr的含量b为0.53％，Mg的含量c为0.19％；负极为负极一。以下表4中提供实施例65至68中各化合物的添加量以及测量得到的性能参数。
表4
Figure GDA0003128922940000221
实施例65-68中，使用第一添加剂、第二添加剂及砜基添加剂三者组合的方式，不仅可明显改善存储，同时对循环有显著的改善，三者的协同作用使电池性能得到明显提高。
实施例69至77
实施例69至77中使用的正极材料为NCM523，其中Al、Zr和Mg元素的掺杂量如表5所示；负极为负极二。以下表5中提供实施例69至77中各化合物的添加量以及测量得到的性能参数。
表5
Figure GDA0003128922940000222
Figure GDA0003128922940000231
由以上测试结果可以看出，当Al的掺杂量a<1％，Zr的掺杂量b<1％，Mg的掺杂量c<0.5％时，并且a和c的比值满足0.005<a/c<500时，电池兼具良好的存储性能和循环性能。
整个说明书中对“一些实施例”、“部分实施例”、“一个实施例”、“另一举例”、“举例”、“具体举例”或“部分举例”的引用，其所代表的意思是在本申请中的至少一个实施例或举例包含了该实施例或举例中所描述的特定特征、结构、材料或特性。因此，在整个说明书中的各处所出现的描述，例如：“在一些实施例中”、“在实施例中”、“在一个实施例中”、“在另一个举例中”，“在一个举例中”、“在特定举例中”或“举例“，其不必然是引用本申请中的相同的实施例或示例。此外，本文中的特定特征、结构、材料或特性可以以任何合适的方式在一个或多个实施例或举例中结合。
尽管已经演示和描述了说明性实施例，本领域技术人员应该理解上述实施例不能被解释为对本申请的限制，并且可以在不脱离本申请的精神、原理及范围的情况下对实施例进行改变，替代和修改。

Claims (10)

1.一种电解液，其包含具有下式的砜基化合物：
Figure FDA0003297441550000011
其中，环A为包含Y元素的5-7元环，R选自以下中的至少一种：氢、卤素、氰基、硝基、磺酸基、醛基、羧基、硅基、经取代或未经取代的C1-12烷氧基、经取代或未经取代的C1-12烷基、经取代或未经取代的C2-12烯基、经取代或未经取代的C2-12炔基或经取代或未经取代的C6-12芳基；其中，经取代时，取代基为卤素；
其中，n选自3至5的整数，且当n＝5时，R不同时为氰基、硝基、磺酸基、醛基、羧基、硅基或经取代或未经取代的C6-12芳基；
元素X选自C、N、S、O、P、Si中的任一种，元素Y选自N、S、O、P、Si中的任一种；
a、b和c各自独立地选自0至5的整数。
2.根据权利要求1所述的电解液，其中所述砜基化合物包含式I至式X化合物中的至少一种：
Figure FDA0003297441550000012
Figure FDA0003297441550000021
其中，R1至R42选自以下基团中的至少一种：氢、卤素、经取代或未经取代的C1-12烷氧基、经取代或未经取代的C1-12烷基、经取代或未经取代的C2-12烯基或经取代或未经取代的C2-12炔基；其中，经取代时，取代基是卤素；并且a、b和c各自独立地选自0至3的整数。
3.根据权利要求1所述的电解液，其中所述砜基化合物包含以下化合物中的至少一种：
Figure FDA0003297441550000022
Figure FDA0003297441550000031
其中，基于所述电解液的总重量，所述砜基化合物的含量为0.01％至10％。
4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的电解液，其还包含第一添加剂或第二添加剂中的至少一种，其中：
所述第一添加剂选自多腈化合物、酸酐、含磷化合物或锂盐添加剂的至少一种；
所述第二添加剂选自氟代碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯、1,4-丁烷磺酸内酯、甲烷二磺酸亚甲酯、硫酸乙烯酯或1,3-硫酸丙烯酯的至少一种。
5.根据权利要求4所述的电解液，其中：
所述多腈化合物包括二腈或三腈中的至少一种，所述二腈包含丁二腈、戊二腈、己二腈、1,5-二氰基戊烷、1,6-二氰基己烷、四甲基丁二腈、2-甲基戊二腈、2,4-二甲基戊二腈、2,2,4,4-四甲基戊二腈、1,4-二氰基戊烷、1,4-二氰基戊烷、1,2-二氰基苯、1,3-二氰基苯、1,4-二氰基苯、乙二醇双(丙腈)醚、3,5-二氧杂-庚二腈、1,4-二(氰基乙氧基)丁烷、二乙二醇二(2-氰基乙基)醚、三乙二醇二(2-氰基乙基)醚、四乙二醇二(2-氰基乙基)醚、1,3-二(2-氰基乙氧基)丙烷、1,4-二(2-氰基乙氧基)丁烷、1,5-二(2-氰基乙氧基)戊烷、乙二醇二(4-氰基丁基)醚、1,4-二氰基-2-丁烯、1,4-二氰基-2-甲基-2-丁烯、1,4-二氰基-2-乙基-2-丁烯、1,4-二氰基-2,3-二甲基-2-丁烯、1,4-二氰基-2,3-二乙基-2-丁烯、1,6-二氰基-3-己烯或1,6-二氰基-2-甲基-3-己烯中的至少一种，所述三腈包含1,3,5-戊三甲腈、1,2,3-丙三甲腈、1,3,6-己三甲腈、1,2,6-己三甲腈、1,2,3-三(2-氰基乙氧基)丙烷、1,2,4-三(2-氰基乙氧基)丁烷、1,1,1-三(氰基乙氧基亚甲基)乙烷、1,1,1-三(氰基乙氧基亚甲基)丙烷、3-甲基-1,3,5-三(氰基乙氧基)戊烷、1,2,7-三(氰基乙氧基)庚烷、1,2,6-三(氰基乙氧基)己烷或1,2,5-三(氰基乙氧基)戊烷中的至少一种；
所述酸酐包括柠槺酸酐、丁二酸酐、马来酸酐、三氟甲基马来酸酐、二甲基马来酸酐或丙烷磺酸酐中的至少一种；
所述含磷化合物包括磷腈或磷酸酯中的至少一种；以及
所述锂盐添加剂包括4,5-二氰基-2-(三氟甲基)咪唑锂、二氟磷酸锂、四氟硼酸锂、草酸硼酸锂或双草酸硼酸锂中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的电解液，其中所述第一添加剂包括多腈化合物，并且所述砜基化合物与所述多腈化合物的质量比Q满足以下条件：0.01<Q<10。
7.一种电化学装置，其包含权利要求1-6中任一权利要求所述的电解液。
8.根据权利要求7所述的电化学装置，其包括正极材料，所述正极材料包含铝元素、锆元素或镁元素中的至少一种；其中，基于正极材料的重量，所述铝元素的含量a小于1％，锆元素的含量b小于1％，镁元素的含量c小于0.5％；当同时含有铝元素和镁元素，含量满足条件式：0.005<a/c<500。
9.根据权利要求7所述的电化学装置，其还包含负极，所述负极包含人造石墨、天然石墨、硅或SiOx中的至少一种，其中：0.6≦x≦2。
10.一种电子装置，其包含权利要求7-9中任一权利要求所述的电化学装置。
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