CN113241478A - 电解液、电化学装置以及用电设备 - Google Patents

电解液、电化学装置以及用电设备 Download PDF

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CN113241478A CN202110502902.5A CN202110502902A CN113241478A CN 113241478 A CN113241478 A CN 113241478A CN 202110502902 A CN202110502902 A CN 202110502902A CN 113241478 A CN113241478 A CN 113241478A
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Abstract

本申请提供一种电解液、电化学装置以及用电设备。所述电解液包括式(I)化合物；在式(I)中，X11选自氧、硫、经取代或未经取代的含氧亚烷基或经取代或未经取代的含硫亚烷基；X12‑选自含氟阴离子；R11、R12、R13、R14各自独立地选自经取代或未经取代的烷基或杂烷基、经取代或未经取代的烯基或杂烯基、经取代或未经取代的炔基或杂炔基、经取代或未经取代的芳基或杂芳基、经取代或未经取代的脂环烃基、氨基、硝基、经取代或未经取代的酰氧基或杂酰氧基、经取代或未经取代的烷氧基或杂烷氧基、氰基、异氰基。将式(I)化合物添加于电解液中，能够显著改善使用该电解液的电化学装置、用电设备的高温循环性能。

Description

电解液、电化学装置以及用电设备
技术领域
本申请涉及一种电解液、电化学装置以及用电设备。
背景技术
伴随近年来电气制品的轻量化、小型化，锂离子电池已成为现代电子产品不可或缺的部件。具有高能量密度的锂离子二次电池的开发逐步推进，设计的使用上限电压也随之提高，对电解液本身的耐氧化能力及成膜稳定性都提出了更高的需求。
因此，开发能够改善高电压下电池循环的电解液，成为提高电池性能的重要方向。
发明内容
在一些实施例中，本申请提供了一种电解液，所述电解液包括式(I)表示的化合物；
Figure BDA0003056102870000011
在式(I)中，X11选自氧、硫、经取代或未经取代的含氧亚烷基或经取代或未经取代的含硫亚烷基；X12 -选自含氟阴离子；R11、R12、R13、R14各自独立地选自经取代或未经取代的烷基或杂烷基、经取代或未经取代的烯基或杂烯基、经取代或未经取代的炔基或杂炔基、经取代或未经取代的芳基或杂芳基、经取代或未经取代的脂环烃基、氨基、硝基、经取代或未经取代的酰氧基或杂酰氧基、经取代或未经取代的烷氧基或杂烷氧基、氰基、异氰基；
R15选自式I-A、I-B或I-C的一价基团；
Figure BDA0003056102870000021
在式(I-A)、式(I-B)、式(I-C)中，R16各自独立地选自经取代或未经取代的酮基或杂酮基、经取代或未经取代的烷基或杂烷基、经取代或未经取代的烯基或杂烯基、经取代或未经取代的炔基或杂炔基、经取代或未经取代的芳基或杂芳基、经取代或未经取代的脂环烃基、氨基、硝基、经取代或未经取代的酰氧基或杂酰氧基、经取代或未经取代的烷氧基或杂烷氧基、氰基、异氰基、经取代或未经取代的杂环基；n为选自0至5的整数；其中，R16可相互连接形成环结构；
其中，当经取代时，取代基包括卤素或氰基中的至少一种，当含杂原子时，杂原子包括O、N、P、S、Si或B中的至少一种。
在一些实施例中，X11与R15通过式(I-A)中吡啶环中的碳原子、吡啶环中的氮原子、R16中的碳原子、R16中的氮原子、R16中的氧原子或R16中的硫原子连接。
在一些实施例中，式(I)中杂环基选自呋喃基、吡喃基、哌啶基、哌嗪基、吡咯基、吡唑基、吡嗪基、哒嗪基、咪唑基、三唑基、噻吩基、噻唑基或噁唑基。
在一些实施例中，在式(I)中，
Figure BDA0003056102870000022
选自
Figure BDA0003056102870000023
中的一种。
在一些实施例中，在式(I)中，X12 -选自BF4 -、PF6 -、SO3CF3 -、N(SO2CF3)2 -、CO2CF3 -、N(SO2C2F5)2 -、N(SO2C4F9)2 -、C3N2(CN)2(CF3)-、C3N2(CN)2(C2F5)-中的一种。
在一些实施例中，式(I)化合物选自式(I-1)至式(I-5)化合物中的至少一种：
Figure BDA0003056102870000031
在一些实施例中，基于电解液的质量，式(I)化合物的质量百分含量为0.02％至5wt％。
在一些实施例中，电解液还包括第一添加剂化合物；所述第一添加剂包括式II-A或II-B表示的化合物中的至少一种：
Figure BDA0003056102870000032
R21和R22各自独立地选白氢、卤素、经氟取代或未经氟取代的C1至C5的烷基、C2至C5的烯基中的任意一种；R23、R24各自独立地选自氢、卤素和经氟取代的C1至C5烷基、C2至C5的烯基中的任意一种，并且R43和R44中的至少一个选自卤素、经氟取代的C1至C5的烷基或C2至C5的烯基。
在一些实施例中，第一添加剂包括式II-1至式II-7表示的化合物中的至少一种：
Figure BDA0003056102870000041
在一些实施例中，基于电解液的质量，、环状碳酸酯化合物第一添加剂的质量百分含量为0.5％至18％。
在一些实施例中，电解液还包括第二添加剂，所述第二添加剂包括具有两个腈基的化合物和具有三个以上腈基的化合物中的至少一种。
在一些实施例中，具有两个腈基的化合物包括式(III)化合物或式(IV)化合物中的至少一种：
Figure BDA0003056102870000042
其中，
R31选自经取代或未经取代的C1-C12亚烷基或-(O-Ra)A-Rc-O-Rb-，Ra和Rb各自独立地选自经取代或未经取代的C1-C3亚烷基，Rc选自共价单键或经取代或未经取代的C1-C3亚烷基，A为0至2的整数，并且当经取代时，取代基包括卤素；
R41和R42各自独立地选自共价单键或经取代或未经取代的C1-C12亚烷基，并且当经取代时，取代基包括卤素。
在一些实施例中，具有三个以上腈基的化合物包括式(V)化合物或式(VI)化合物中的至少一种：
Figure BDA0003056102870000051
其中，
R51、R52和R53各自独立地选自共价单键、经取代或未经取代的C1-C12亚烷基或经取代或未经取代的C1-C12亚烷氧基，并且当经取代时，取代基包括卤素；
R61选自经取代或未经取代的C1-C12亚烷基、经取代或未经取代的C2-C12亚烯基、经取代或未经取代的C6-C26亚芳基、经取代或未经取代的C2-C12亚杂环基，并且当经取代时，取代基包括卤素。
在一些实施例中，所述多腈化合物包括以下化合物中的至少一种：丙二腈、丁二腈、戊二腈、己二腈、庚二腈、辛二腈、癸二腈、3，3′-氧二丙腈、己-2-烯二腈、反丁烯二腈、2-戊烯二腈、甲基戊二腈、4-氰基庚二腈、(Z)-丁-2-烯二腈、2，2，3，3-四氟丁二腈、乙二醇双(丙腈)醚、1，3，5-戊三甲腈、1，3，6-己三甲腈、1，2，6-己三甲腈、1，2，3-三(2-氰氧基)丙烷、1，1，3，3-丙四甲腈、
Figure BDA0003056102870000052
在一些实施例中，基于电解液的质量，具有两个腈基的化合物的质量百分含量为x％；基于电解液的质量，具有三个以上腈基的化合物的质量百分含量为y％；满足：0.1≤x+y≤12，x-y≥0。
在一些实施例中，本申请还提供了一种电化学装置，所述电化学装置包括正极片、负极片、隔离膜以及上述电解液。
在一些实施例中，本申请还提供了一种用电设备，所述电子装置包括上述电化学装置。
本申请的技术方案至少具有以下有益效果：
将式I表示的化合物添加于电解液中，能够显著改善使用该电解液的电化学装置在高电压下的的高温循环性能。
具体实施方式
将理解的是，所公开的实施例仅仅是本申请的示例，本申请可以以各种形式实施，因此，本文公开的具体细节不应被解释为限制，而是仅作为权利要求的基础且作为表示性的基础用于教导本领域普通技术人员以各种方式实施本申请。
在本申请的说明中，术语“杂烷基”指代被含杂原子基团取代的烷基、术语“杂烯基”指代被含杂原子基团取代的烯基、术语“杂炔基”指代被含杂原子基团取代的炔基、术语“杂芳基”指代被含杂原子基团取代的芳基、术语“杂酰氧基”指代被含杂原子基团取代的酰氧基、术语“杂烷氧基”指代被含杂原子基团取代的烷氧基、术语“杂酮基”指代被含杂原子基团取代的酮基。
在本申请的说明中，杂原子包括O、N、P、S、Si或B中的至少一种。
在本申请的说明中，除非另有明确的规定和限定，术语“式(I)”、“式(II)”、“式(III)”、“式(IV)”、“式(V)”、“式(VI)”、“第一添加剂”、“第二添加剂”等仅用于说明的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性以及相互存在关系。
[电解液]
在一些实施例中，电解液包含式(I)化合物；
Figure BDA0003056102870000061
在式(I)中，X11选自氧、硫、经取代或未经取代的含氧亚烷基或经取代或未经取代的含硫亚烷基；X12 -选自含氟阴离子；R11、R12、R13、R14各自独立地选自经取代或未经取代的烷基或杂烷基、经取代或未经取代的烯基或杂烯基、经取代或未经取代的炔基或杂炔基、经取代或未经取代的芳基或杂芳基、经取代或未经取代的脂环烃基、氨基、硝基、经取代或未经取代的酰氧基或杂酰氧基、经取代或未经取代的烷氧基或杂烷氧基、氰基、异氰基；
R15选自式I-A、I-B、I-C的一价基团；
Figure BDA0003056102870000071
在式(I-A)、式(I-B)、式(I-C)中，R16各自独立地选自经取代或未经取代的酮基或杂酮基、经取代或未经取代的烷基或杂烷基、经取代或未经取代的烯基或杂烯基、经取代或未经取代的炔基或杂炔基、经取代或未经取代的芳基或杂芳基、经取代或未经取代的脂环烃基、氨基、硝基、经取代或未经取代的酰氧基或杂酰氧基、经取代或未经取代的烷氧基或杂烷氧基、氰基、异氰基、经取代或未经取代的杂环基；n为选自0至5的整数；其中，R16可相互连接形成环结构；
其中，当经取代时，取代基包括卤素或氰基中的至少一种，当含杂原子时，杂原子包括O、N、P、S、Si或B中的至少一种。
在一些实施例中，X11与R15通过式(I-A)中吡啶环中的碳原子、吡啶环中的氮原子、R16中的碳原子、R16中的氮原子、R16中的氧原子或R16中的硫原子连接。
在一些实施例中，X11选自氧、硫、经取代或未经取代的C1-C10含氧亚烷基或经取代或未经取代的C1-C10含硫亚烷基；X12 -选自含氟阴离子；R11、R12、R13、R14各自独立地选自经取代或未经取代的C1-C10烷基或杂烷基、经取代或未经取代的C2-C10烯基或杂烯基、经取代或未经取代的C2-C10炔基或杂炔基、经取代或未经取代的C6-C10芳基或杂芳基、经取代或未经取代的C3-C10脂环烃基、氨基、硝基、经取代或未经取代的C1-C10酰氧基或杂酰氧基、经取代或未经取代的C1-C10烷氧基或杂烷氧基、氰基、异氰基；
R16各自独立地选自经取代或未经取代的C1-C10酮基或杂酮基、经取代或未经取代的C1-C10烷基或杂烷基、经取代或未经取代的C2-C10烯基或杂烯基、经取代或未经取代的C2-C10炔基或杂炔基、经取代或未经取代的C6-C10芳基或杂芳基、经取代或未经取代的C3-C10脂环烃基、氨基、硝基、经取代或未经取代的C1-C10酰氧基或杂酰氧基、经取代或未经取代的C1-C10烷氧基或杂烷氧基、氰基、异氰基、经取代或未经取代的C2-C10杂环基；
在一些实施例中，式(I)中，杂环基选自呋喃基、吡喃基、哌啶基、哌嗪基、吡咯基、吡唑基、吡嗪基、哒嗪基、咪唑基、三唑基、噻吩基、噻唑基或噁唑基。本申请中在电解液中加入式(I)表示的化合物，能够显著改善电化学装置在高电压下的高温循环性能。可能的原因是式(I)所示的化合物中吡啶母核和脲基杂原子带正电，在电场作用下正离子聚集在负极，化成阶段连续成膜，增强SEI膜致密稳定性，同时含氟负离子与锂盐存在协同作用，改善高电压下正负极稳定性。和其他正负极保护添加剂连用时，会在电解液中剩余部分分解产物，持续修复SEI/CEI，提升电化学装置在高电压下的高温循环能力。
在一些实施例中，在式(I)中，
Figure BDA0003056102870000081
选自
Figure BDA0003056102870000082
Figure BDA0003056102870000083
中的一种。
在一些实施例中，在式(I)中，X12 -选自BF4 -、PF6 -、SO3CF3 -、N(SO2CF3)2 -、CO2CF3 -、N(SO2C2F5)2 -、N(SO2C4F9)2 -、C3N2(CN)2(CF3)-、C3N2(CN)2(C2F5)-中的一种。
在一些实施例中，所述式(I)化合物选自式(I-1)-式(I-5)化合物中的至少一种：式I-1；式I-2；式I-3；式I-4；式I-5
Figure BDA0003056102870000084
Figure BDA0003056102870000091
在一些实施例中，基于所述电解液的质量，所述式(I)化合物的质量百分含量为0.02％至5％。在一些实施例中，基于所述电解液的质量，所述式(I)化合物的质量百分含量为0.5％至3％。
当式(I)表示的化合物的质量百分含量位于上述范围内时，能够进一步改善电化学装置的高温循环性能。如果式(I)表示的化合物的质量百分含量过大，则电解液粘度会变大，而且电化学装置的高温存储以及高温循环性能受到影响。
[第一添加剂]
在一些实施例中，电解液还包含第一添加剂，所述第一添加剂为环状碳酸酯化合物；所述环状碳酸酯化合物包括式II-A或II-B表示的化合物中的至少一种：
Figure BDA0003056102870000092
R21和R22各自独立地选自氢、卤素、经氟取代或未经氟取代的C1至C5的烷基、C2至C5的烯基中的任意一种；R23、R24各自独立地选自氢、卤素和经氟取代的C1至C5烷基、C2至C5的烯基中的任意一种，并且R23和R24中的至少一个选自卤素、经氟取代的C1至C5的烷基或C2至C5的烯基。
在电解液中加入第一添加剂，第一添加剂有助于在负极以及正极形成稳定的界面保护膜，有效抑制负极以及正极发生的副反应，从而可以很好地提高电化学装置的高温循环寿命性能。并且当式(I)化合物与第一添加剂共同添加在电解液时，能够提升界面稳定性，抑制电解液消耗，提升高温循环性能。
在一些实施例中，所述环状碳酸酯化合物包括式II-1至式II-7表示的化合物中的至少一种：
Figure BDA0003056102870000101
在一些实施例中，基于电解液的重量，所述第一添加剂的质量百分含量为0.5％至18％。
当第一添加剂的质量百分含量位于上述范围内时，能够进一步改善电化学装置的高温循环性能。
[第二添加剂]
在一些实施例中，所述电解液还包括第二添加剂，所述第二添加剂为多腈化合物，所述多腈化合物包括具有两个腈基的化合物和具有三个以上腈基的化合物中的至少一种。
当电解液中同时加入式(I)化合物和第二添加剂时，能够进一步改善电化学装置的高温循环性能。可能的原因是腈基中的氮原子含有孤对电子，与正极活性材料中的过渡金属具有较强的络合作用，应用于电解液中后，可以在电池化成过程中吸附在正极活性材料表面生成一层疏松多孔的络合物层并有效钝化正极活性材料表面。该络合物层能隔绝正极活性材料表面与电解液的直接接触以及降低正极活性材料表面活性，还能降低正极活性材料表面发生大量副反应以及抑制过渡金属(尤其是钴)溶解到电解液中，从而能够改善电化学装置的高温循环性能。
在一些实施例中，所述具有两个腈基的化合物包括式(III)化合物或式(IV)化合物中的至少一种：
Figure BDA0003056102870000111
其中，R31选自经取代或未经取代的C1-C12亚烷基或-(O-Ra)A-Rc-O-Rb，Ra和Rb各自独立地选自经取代或未经取代的C1-C3亚烷基，Rc选自共价单键或经取代或未经取代的C1-C3亚烷基，A为0至2的整数，并且当经取代时，取代基包括卤素；R41和R42各自独立地选自共价单键或经取代或未经取代的C1-C12亚烷基，并且当经取代时，取代基包括卤素。
在一些实施例中，所述具有三个以上腈基的化合物包括式(V)化合物或式(VI)化合物中的至少一种：
Figure BDA0003056102870000112
其中，R51、R52和R53各自独立地选自共价单键、经取代或未经取代的C1-C12亚烷基或经取代或未经取代的C1-C12亚烷氧基，并且当经取代时，取代基包括卤素；R61选自经取代或未经取代的C1-C12亚烷基、经取代或未经取代的C2-C12亚烯基、经取代或未经取代的C6-C26亚芳基、经取代或未经取代的C2-C12亚杂环基，并且当经取代时，取代基包括卤素。
在一些实施例中，所述多腈化合物包括以下化合物中的至少一种：丙二腈、丁二腈、戊二腈、己二腈、庚二腈、辛二腈、癸二腈、3，3′-氧二丙腈、己-2-烯二腈、反丁烯二腈、2-戊烯二腈、甲基戊二腈、4-氰基庚二腈、(Z)-丁-2-烯二腈、2，2，3，3-四氟丁二腈、乙二醇双(丙腈)醚、1，3，5-戊三甲腈、1，3，6-己三甲腈、1，2，6-己三甲腈、1，2，3-三(2-氰氧基)丙烷、1，1，3，3-丙四甲腈、
Figure BDA0003056102870000121
在一些实施例中，基于所述电解液的质量，所述多腈化合物的质量百分含量为0.1％至15％。
在一些实施例中，基于所述电解液的质量，所述具有两个腈基的化合物的质量百分含量为x％；基于所述电解液的质量，所述具有三个以上腈基的化合物的质量百分含量为y％；满足：0.1≤x+y≤12，x-y≥0。
基于所述电解液的质量，当第二添加剂中具有两个腈基的化合物的质量百分含量与具有三个以上腈基化合物的质量百分含量满足上述关系时，能够进一步改善电化学装置的高温循环性能。可能的原因是当腈类使用量小于0.1wt％时，不能明显改善电化学装置的高温循环性能；当腈类使用量大于12％时，电解液的粘度过高，降低电池的常温及低温性能。当具有两个腈基的化合物的含量x与具有三个以上腈基的化合物的含量y满足x-y≥0时，可进一步提升锂离子电池的高温循环性能，这是因为含腈官能团的有机分子的大小有一个最优值，分子过小，形成的隔离空间有限，不能有效地将电解液中的易氧化组分与阴极表面隔开，分子过大，电解液中的易氧化组分可以通过含腈官能团的有机分子的间隙与阴极表面发生接触，不能起到很好的隔离效果，具有两个腈基的化合物与具有三个以上腈基的化合物结合使用，并且控制具有两个腈基的化合物的比例大于具有三个以上腈基化合物的比例，可以起到最佳的改善效果。
另外，当电解液中同时加入式(I)化合物以及第一添加剂与第二添加剂时，电化学装置的高温循环性能得到进一步的提升。
在一些实施例中，电解液还可以包括其他非水有机溶剂和锂盐。非水有机溶剂可以包含碳酸酯、羧酸酯、醚类或其他非质子溶剂中的至少一种。碳酸酯类溶剂的示例包括碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯、碳酸二丙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、二(2，2，2-三氟乙基)碳酸酯等。羧酸酯类溶剂的示例包括乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丙酯、乙酸正丁酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丙酸丁酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、丁酸丙酯、丁酸丁酯、γ-丁内酯、乙酸2，2-二氟乙酯、戊内酯、丁内酯、2-氟乙酸乙酯、2，2-二氟乙酸乙酯、三氟乙酸乙酯、2，2，3，3，3-五氟丙酸乙酯、2，2，3，3，4，4，4，4-七氟丁酸甲酯、4，4，4-三氟-3-(三氟甲基)丁酸甲酯、2，2，3，3，4，4，5，5，5，5-九氟戊酸乙酯、2，2，3，3，4，4，5，5，6，6，7，7，8，8，9，9，9-十七氟壬酸甲酯、2，2，3，3，4，4，5，5，6，6，7，7，8，8，9，9，9-十七氟壬酸乙酯等。醚类溶剂的示例包括乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、二丁醚、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、双(2，2，2-三氟乙基)醚等。
在一些实施例中，本申请的锂盐包括有机锂盐或无机锂盐中的至少一种。在一些实施例中，本申请的锂盐中含有氟元素、硼元素、磷元素中的至少一种。在一些实施例中，锂盐包括六氟磷酸锂LiPF6、双三氟甲烷磺酰亚胺锂LiN(CF3SO2)2(简写为LiTFSI)、双(氟磺酰)亚胺锂Li(N(SO2F)2)(简写为LiFSI)、双草酸硼酸锂LiB(C2O4)2(简写为LiBOB)或六氟铯酸锂(LiCsF6)、高氯酸锂LiClO4、三氟甲磺酸锂LiCF3SO3中的至少一种的至少一种。
在一些实施例中，锂盐的浓度为0.5mol/L至1.5mol/L。锂盐浓度过低，电解液的离子电导率低，会影响锂离子电池的倍率和循环性能；锂盐浓度过高，电解液粘度过大，同样影响锂离子电池的倍率性能。可选的，锂盐的浓度为0.8mol/L至1.2mol/L。
[电化学装置]
本申请的电化学装置例如为一次电池或二次电池。二次电池例如为锂二次电池，锂二次电池包含但不限于括锂金属二次电池、锂离子二次电池、锂聚合物二次电池或锂离子聚合物二次电池。
在一些实施例中，电化学装置包含正极片、负极片、隔离膜以及本申请前述的电解液。
在一些实施例中，所述电池具有4.4～4.8V的额定充电电压。
[正极片]
正极片是本领域技术公知的可被用于电化学装置的正极片。在一些实施例中，正极片包含正极集流体以及正极活性物质层。正极活性物质层设置于正极集流体的表面上。正极活性物质层包含正极活性物质。
在一些实施例中，正极片的结构为本领域技术公知的可被用于电化学装置的正极片的结构。
在一些实施例中，正极集流体为金属，金属例如但不限于铝箔。
正极活性物质可选用本领域技术公知的各种可被用作电化学装置的正极活性物质的能够可逆地嵌入、脱嵌活性离子的传统公知的物质。
在一些实施例中，正极活性物质层还包含粘结剂和导电剂。粘结剂用于改善正极活性物质颗粒彼此间以及正极活性物质颗粒与集流体的粘结性能。导电剂用于为电极提供导电性，其可以包括任何导电的材料，只要它不引起化学变化即可。在一些实施例中，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、羧甲基纤维素钠、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，导电剂可以包括导电炭黑、乙炔黑、科琴黑、片层石墨、石墨烯、碳纳米管或碳纤维中的至少一种。在一些实施例中，正极活性物质层中的正极活性物质、导电剂和粘结剂的质量比可以为(70～98)∶(1～15)∶(1～15)。应该理解，以上所述仅是示例，正极活性物质层可以采用任何其他合适的材料、厚度和质量比。
在一些实施例中，正极片的制备方法是本领域技术公知的可被用于电化学装置的正极片的制备方法。在一些实施例中，在正极浆料的制备中，通常加入正极活性物质和粘结剂，并根据需要加入导电材料和增稠剂后溶解或分散于溶剂中制成正极浆料。溶剂在干燥过程中挥发去除。溶剂是本领域公知的可被用作正极活性物质层的溶剂，溶剂例如但不限于N-甲基吡咯烷酮(NMP)。
[负极片]
负极片是本领域技术公知的可被用于电化学装置的负极片。在一些实施例中，负极片包含负极集流体以及负极活性物质层。负极活性物质层设置于负极集流体的表面上。负极活性物质层包含负极活性物质。
在一些实施例中，负极片的结构为本领域技术公知的可被用于电化学装置的负极片的结构。
在一些实施例中，负极集流体为金属，例如但不限于铜箔、镍箔、不锈钢箔、钛箔、泡沫镍、泡沫铜、包覆有导电金属的聚合物基板或它们的组合。
负极活性物质可选用本领域技术公知的各种可被用作电化学装置的负极活性物质的能够可逆地嵌入、脱嵌活性离子的传统公知的物质或能够可逆地掺杂、脱掺杂活性离子的传统公知的物质。
在一些实施例中，负极活性物质包含锂金属、锂金属合金、碳材料或硅基材料中的至少一种。碳材料可选用本领域技术公知的各种可被用作电化学装置的碳基负极活性物质的碳材料。在一些实施例中，碳材料包含结晶碳、非晶碳中的至少一种。在一些实施例中，结晶碳为天然石墨或人造石墨。在一些实施例中，硅基材料包括硅、硅氧化合物、硅碳化合物或硅合金中的至少一种。
在一些实施例中，负极活性物质层中还可以包括导电剂和/或粘结剂。导电剂可以包括炭黑、乙炔黑、科琴黑、片层石墨、石墨烯、碳纳米管、碳纤维或碳纳米线中的至少一种。在一些实施例中，粘结剂可以包括羧甲基纤维素(CMC)、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、聚丙烯酸酯、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、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。应该理解，以上公开的材料仅是示例性，负极活性物质层可以采用任何其他合适的材料。在一些实施例中，负极活性物质层中的负极活性物质、导电剂和粘结剂的质量比可以为(80～99)∶(0.5～10)∶(0.5～10)，应该理解，这仅是示例性的，而不用于限制本申请。
[隔离膜]
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。在一些实施例中，隔离膜的厚度在约3μm至500μm的范围内。
在一些实施例中，隔离膜表面还可以包括多孔层，多孔层设置在隔离膜的至少一个表面上，多孔层包括无机颗粒或粘结剂中的至少一种，无机颗粒选自氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化镁(MgO)、氧化钛(TiO2)、二氧化铪(HfO2)、氧化锡(SnO2)、二氧化铈(CeO2)、氧化镍(NiO)、氧化锌(ZnO)、氧化钙(CaO)、氧化锆(ZrO2)、氧化钇(Y2O3)、碳化硅(SiC)、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，隔离膜的孔具有在约0.01μm至1μm的范围的直径。多孔层的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、羧甲基纤维素钠、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。隔离膜表面的多孔层可以提升隔离膜的耐热性能、抗氧化性能和电解质浸润性能，增强隔离膜与极片之间的粘接性。
[用电设备]
本申请的用电设备是任何电子装置，例如但不限于电动遥控车、电动机器人、电动螺丝刀、电钻、电动剪刀、蓝牙音响、扩音器、电动喷雾器、收音机、遥控器、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、锂离子电容器。注意的是，本申请的用电设备除了适用于上述例举的电子装置外，还适用于储能电站、海运运载工具、空运运载工具。空运运载装置包含在大气层内的空运运载装置和大气层外的空运运载装置。
在一些实施例中，电子装置包含本申请前述的电化学装置。
[测试]
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。
在下述实施例、对比例中，所使用到的试剂、材料以及仪器如没有特殊的说明，均可商购获得或合成获得。电解液中具体所用到的试剂如下：
N-乙基吡啶四氟硼酸盐；3-氰基-2，5，6-三氟吡啶；式(I)化合物：
Figure BDA0003056102870000161
Figure BDA0003056102870000171
第一添加剂：氟代碳酸乙烯酯(FEC)
碳酸亚乙烯酯(VC)
第二添加剂：丁二腈、己二腈、乙二醇双(丙腈)醚、1，3，6-己三甲腈、1，2，3-三(2-氰氧基)丙烷
其中，本申请中的式(I-1)至(I-5)表示的化合物可商购获得。
实施例1-54和对比例1-8的锂离子电池均按照下述方法制备
(1)电解液的制备
在干燥的氩气气氛手套箱中，将碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、丙酸丙酯(PP)按照2∶2∶6质量比混合，接着加入式(I)化合物、第一添加剂及第二添加剂，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，LiPF6的浓度为1mol/L。电解液中所用到的添加剂的具体种类以及含量如表1至表3所示。(在表1至表3中，添加剂的含量为基于电解液的质量计算得到的质量百分数)
(2)正极片的制备
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，得到正极片。
(3)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聚乙烯多孔基材的两个表面上，经过干燥处理以获得所需隔离膜。
(4)负极片的制备
将负极活性材料人造石墨、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∶2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。
(5)锂离子电池的制备
将正极片、隔离膜、负极片按顺序叠好，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，获得软包锂离子电池。
实施例1-54和对比例1-8中，所用到的添加剂的种类及含量如表1、表2、表3所示，其中，各添加剂的含量为基于电解液的质量计算得到的质量百分数。
接下来说明锂离子电池的性能测试过程以及测试结果。
锂离子电池高电压下的高温循环性能测试
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4.5V，然后以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500次，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：循环至某一圈时的放电容量除以第一次放电时的容量)
表1实施例1-19以及对比例1-5的参数
Figure BDA0003056102870000181
Figure BDA0003056102870000191
表2实施例4、20-33以及对比例6的参数
Figure BDA0003056102870000192
表3实施例34-54以及对比例7-8的参数
Figure BDA0003056102870000193
Figure BDA0003056102870000201
Figure BDA0003056102870000211
由表1至表3的相关数据分析可以得出，相比于N-乙基吡啶四氟硼酸盐、3-氰基-2，5，6-三氟吡啶，含取代吡啶基脲基的离子液体(即，式(I)化合物)可显著提升锂离子电池高电压下的高温循环性能。可能的原因是，吡啶母核和脲基杂原子带正电，在电场作用下正离子聚集在负极，化成阶段连续成膜增强SEI致密稳定性，同时含氟负离子与锂盐存在协同作用，改善高电压下正负极稳定性。和其他正负极保护添加剂连用时，会在电解液中剩余部分分解产物，持续修复SEI/CEI，提升锂离子电池高温循环能力。并且当加入式(I)化合物的质量百分含量为0.01％至5wt％时可进一步改善锂离子电池的高温循环性能。
在加入式(I)表示的化合物的电解液中进一步加入第一添加剂时，能够进一步改善锂离子电池的高温循环性能，并且当第一添加剂的质量百分含量为0.5％至18％时，锂离子电池的高温循环性能进一步得到提升，可能的原因是，第一添加剂可以在负极形成富含LiF的稳定SEI，且在循环过程中持续修复SEI膜，抑制溶剂的分解及电解液消耗。
在加入式(I)表示的化合物的电解液中进一步加入第二添加剂式，也能够进一步改善锂离子电池的高温循环性能，并且当第二添加剂中的具有两个腈基的化合物的质量百分含量x、具有三个腈基化合物的质量百分含量y满足：0.05≤x+y≤12，x-y≥0时，锂离子电池的高温循环性能进一步提升，可能的原因是，含腈官能团的有机分子的大小有一个最优值，分子过小，形成的隔离空间有限，不能有效地将电解液中的易氧化组分与阴极表面隔开，分子过大，电解液中的易氧化组分可以通过含腈官能团的有机分子的间隙与阴极表面发生接触，不能起到很好的隔离效果，具有两个腈基的化合物与具有三个以上腈基化合物结合使用，并且控制具有两个腈基的化合物的比例大于具有三个以上腈基化合物的比例，可以起到最佳的改善效果。
当加入式(I)化合物的电解液中同时存在第一添加剂与第二添加剂时，且第一添加剂与第二添加剂满足上述含量范围时，锂离子电池的高温循环性能进一步改善。
上面详细的说明描述多个示范性实施例，但本文不意欲限制到明确公开的组合。因此，除非另有说明，本文所公开的各种特征可以组合在一起而形成出于简明目的而未示出的多个另外组合。

Claims (16)

1.一种电解液，包含式(I)化合物；
Figure FDA0003056102860000011
在式(I)中，X11选自氧、硫、经取代或未经取代的含氧亚烷基或经取代或未经取代的含硫亚烷基；X12 -选自含氟阴离子；R11、R12、R13、R14各自独立地选自经取代或未经取代的烷基或杂烷基、经取代或未经取代的烯基或杂烯基、经取代或未经取代的炔基或杂炔基、经取代或未经取代的芳基或杂芳基、经取代或未经取代的脂环烃基、氨基、硝基、经取代或未经取代的酰氧基或杂酰氧基、经取代或未经取代的烷氧基或杂烷氧基、氰基、异氰基；
R15选自式I-A、I-B或I-C的一价基团；
Figure FDA0003056102860000012
在式(I-A)、式(I-B)、式(I-C)中，R16各自独立地选自经取代或未经取代的酮基或杂酮基、经取代或未经取代的烷基或杂烷基、经取代或未经取代的烯基或杂烯基、经取代或未经取代的炔基或杂炔基、经取代或未经取代的芳基或杂芳基、经取代或未经取代的脂环烃基、氨基、硝基、经取代或未经取代的酰氧基或杂酰氧基、经取代或未经取代的烷氧基或杂烷氧基、氰基、异氰基、经取代或未经取代的杂环基；n为选自0至5的整数；其中，R16可相互连接形成环结构；
其中，当经取代时，取代基包括卤素或氰基中的至少一种，当含杂原子时，杂原子包括O、N、P、S、Si或B中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的电解液，其中，所述杂环基选自呋喃基、吡喃基、哌啶基、哌嗪基、吡咯基、吡唑基、吡嗪基、哒嗪基、咪唑基、三唑基、噻吩基、噻唑基或噁唑基。
3.根据权利要求1所述的电解液，其中，在式(I)中，
Figure FDA0003056102860000021
选自
Figure FDA0003056102860000022
Figure FDA0003056102860000023
中的一种。
4.根据权利要求1所述的电解液，其中，在式(I)中，X12 -选自BF4 -、PF6 -、SO3CF3 -、N(SO2CF3)2 -、CO2CF3 -、N(SO2C2F5)2 -、N(SO2C4F9)2 -、C3N2(CN)2(CF3)-、C3N2(CN)2(C2F5)-中的一种。
5.根据权利要求1所述的电解液，其中，所述式(I)化合物选自式(I-1)至式(I-5)化合物中的至少一种：
Figure FDA0003056102860000024
Figure FDA0003056102860000031
6.根据权利要求1所述的电解液，其中，基于所述电解液的质量，所述式(I)化合物的质量百分含量为0.02％至5wt％。
7.根据权利要求1所述的电解液，其中，所述电解液还包括第一添加剂；所述第一添加剂包括式II-A或II-B表示的化合物中的至少一种：
Figure FDA0003056102860000032
R21和R22各自独立地选自氢、卤素、经氟取代或未经氟取代的C1至C5的烷基、C2至C5的烯基中的任意一种；
R23、R24各自独立地选自氢、卤素和经氟取代的C1至C5烷基、C2至C5的烯基中的任意一种，并且R43和R44中的至少一个选自卤素、经氟取代的C1至C5的烷基或C2至C5的烯基。
8.根据权利要求7所述的电解液，其中，所述第一添加剂包括式II-1至式II-7表示的化合物中的至少一种：
Figure FDA0003056102860000041
9.根据权利要求7所述的电解液，其中，基于所述电解液的质量，所述第一添加剂的质量百分含量为0.5％至18％。
10.根据权利要求1所述的电解液，其中，
所述电解液还包括第二添加剂，所述第二添加剂包括具有两个腈基的化合物和具有三个以上腈基的化合物中的至少一种。
11.根据权利要求10所述的电解液，其中，
所述具有两个腈基的化合物包括式(III)化合物或式(Ⅳ)化合物中的至少一种：
N≡C-R31-c≡N 式(III)、
Figure FDA0003056102860000042
其中，
R31选自经取代或未经取代的C1-C12亚烷基或-(O-Ra)A-Rc-O-Rb-，Ra和Rb各自独立地选自经取代或未经取代的C1-C3亚烷基，Rc选自共价单键或经取代或未经取代的C1-C3亚烷基，A为0至2的整数，并且当经取代时，取代基包括卤素；
R41和R42各自独立地选自共价单键或经取代或未经取代的C1-C12亚烷基，并且当经取代时，取代基包括卤素。
12.根据权利要求10所述的电解液，其中，所述具有三个以上腈基的化合物包括式(V)化合物或式(VI)化合物中的至少一种：
Figure FDA0003056102860000051
其中，
R51、R52和R53各自独立地选自共价单键、经取代或未经取代的C1-C12亚烷基或经取代或未经取代的C1-C12亚烷氧基，并且当经取代时，取代基包括卤素；
R61选自经取代或未经取代的C1-C12亚烷基、经取代或未经取代的C2-C12亚烯基、经取代或未经取代的C6-C26亚芳基、经取代或未经取代的C2-C12亚杂环基，并且当经取代时，取代基包括卤素。
13.根据权利要求10所述的电解液，其中，
所述第二添加剂包括以下化合物中的至少一种：丙二腈、丁二腈、戊二腈、己二腈、庚二腈、辛二腈、癸二腈、3，3′-氧二丙腈、己-2-烯二腈、反丁烯二腈、2-戊烯二腈、甲基戊二腈、4-氰基庚二腈、(Z)-丁-2-烯二腈、2，2，3，3-四氟丁二腈、乙二醇双(丙腈)醚、1，3，5-戊三甲腈、1，3，6-己三甲腈、1，2，6-己三甲腈、1，2，3-三(2-氰氧基)丙烷、1，1，3，3-丙四甲腈、
Figure FDA0003056102860000052
Figure FDA0003056102860000061
14.根据权利要求10所述的电解液，其中，
基于所述电解液的质量，所述具有两个腈基的化合物的质量百分含量为x％；基于所述电解液的质量，所述具有三个以上腈基的化合物的质量百分含量为y％；满足：0.1≤x+y≤12，x-y≥0。
15.一种电化学装置，包括正极片、负极片、隔离膜以及根据权利要求1-14中任一项所述的电解液。
16.一种用电设备，包括权利要求15中所述的电化学装置。
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