CN114843512B - 一种正极片及锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
为克服现有锂离子电池存在高温循环性能不足和阻抗增长的问题，本发明提供了一种正极片，包括正极集流体和形成于正极集流体上的正极材料层，所述正极片相对金属锂的电位范围大于等于4.25V，所述正极材料层包括掺杂或包覆有金属元素的正极活性材料和结构式I所示的化合物：所述正极片满足以下条件：且50≤m≤10000，50≤n≤10000，2.8≤k≤3.8。同时，本发明还公开了上述正极片的锂离子电池。本发明提供的正极片能够充分发挥结构式I所示的化合物在与正极活性材料的掺杂元素和正极压实密度之间的协同效应，使正极活性材料具有较高的结构稳定性，提高电池高温性能。
Description
技术领域
本发明属于储能电子件技术领域，具体涉及一种正极片及锂离子电池。
背景技术
锂离子电池由于其自放电率低，循环寿命长，工作电压高，污染小等无可替代的优势，目前已作为电源广泛应用于生活中。无论是在移动通讯，笔记本电脑，还是在新能源汽车等领域，均具有广阔的前景。与此同时，用户也对锂离子电池提出了高能量密度，快速充电等要求。
在锂离子电池体系中，为提高电池的能量密度，产业界不断提高电池的工作电压，当锂电池电压≥4.25V时，电解液的分解加剧，副产物增多，因此在高温下循环或存储后，电池会出现产气，容量衰减，直流阻抗不断增加的问题，造成电池功率性能的下降。现有改善电池循环性能的方式主要是在非水电解液中添加电解液添加剂，现有电解液添加剂包括有环状硫酸酯、环状磺酸内酯、硅烷磷酸酯、硅烷硼酸酯和氟代环状碳酸酯等，可一定程度上改善高电压电池高温循环，存储后的气胀问题和容量衰减问题，但直流阻抗增长过快问题仍待解决。
发明内容
针对现有锂离子电池存在高温循环性能不足和阻抗增长的问题，本发明提供了一种正极片及锂离子电池。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种正极片，包括正极集流体和形成于正极集流体上的正极材料层，所述正极片相对金属锂的电位范围大于等于4.25V，所述正极材料层包括掺杂或包覆有金属元素的正极活性材料和结构式I所示的化合物：
结构式I
其中，R1、R2、R3各自独立地选自1-5个碳原子的烷基、1-5个碳原子的氟代烷基、1-5个碳原子的醚基、1-5个碳原子的氟代醚基、2-5个碳原子的不饱和烃基，且R1、R2、R3中的至少一个为2-5个碳原子的不饱和烃基；
所述正极片满足以下条件：
且50≤m≤10000，50≤n≤10000，2.8≤k≤3.8；
其中，m为正极材料层中结构式I所示化合物的含量，单位为ppm；
n为正极材料层中掺杂和包覆的金属元素的总含量，单位为ppm；
k为正极材料层的压实密度，单位为g/cm3；
所述正极片在溶剂中超声震荡后所得的溶液进行液相色谱-质谱联用仪(LC-MS)分析，在保留时间为6.5min～7.5min的区域出现特征峰。
可选的，所述正极片满足以下条件：
可选的，所述正极活性材料选自式(1)和/或式(2)所示的化合物：
Li1+xNiaCobM1 cM2 1-a-b-cO2-yAy 式(1)
Li1+zMneL2-eO4-dBd 式(2)
式(1)中，-0.1≤x≤0.2，0<a<1，0<b<0.3，0<c<0.3，0<a+b+c<1，0≤y<0.2，M1包括Mn及Al中的一种或两种，M2为掺杂和/或包覆的金属元素，M2包括W、Mg、Ti、Ca、Zr、Zn、Si、Fe、Ce中的一种或多种，A为掺杂和/或包覆的非金属元素，A包括S、N、F、Cl、Br及I中的一种或多种；
式(2)中，-0.1≤z≤0.2，0<e<2，0≤d<1，L为掺杂和/或包覆的金属元素，L包括Ni、W、Mg、Ti、Ca、Zr、Zn、Si、Fe、Ce中的一种或多种，B为掺杂和/或包覆的非金属元素，B包括S、N、F、Cl、Br及I中的一种或多种。
可选的，所述正极材料层中结构式I所示化合物的含量m为50ppm～5000ppm。
可选的，所述正极材料层中掺杂和包覆的金属元素的总含量n为100ppm～3000ppm。
可选的，所述正极材料层的压实密度k为3.0～3.6g/cm3。
可选的，所述正极集流体单面的正极材料层的厚度为80～200um，所述正极材料层的单面面密度为15～30mg/cm2。
可选的，1-5个碳原子的烷基选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、仲戊基或新戊基；1-5个碳原子的氟代烷基选自该1-5个碳原子的烷基中的一个或多个氢元素被氟元素取代所得的基团。
2-5个碳原子的不饱和烃基选自乙烯基、丙烯基、烯丙基、丁烯基、戊烯基、甲基乙烯基、甲基烯丙基、乙炔基、丙炔基、炔丙基、丁炔基、戊炔基。
1-5个碳原子的醚基选自甲醚、乙醚、甲乙醚、丙醚、甲丙醚、乙丙醚。
1-5个碳原子的氟代醚基选自氟代甲醚、氟代乙醚、氟代甲乙醚、氟代丙醚、氟代甲丙醚、氟代乙丙醚。
可选的，所述结构式I所示的化合物选自磷酸三炔丙酯、二炔丙基甲基磷酸酯、二炔丙基氟代甲基磷酸酯、二炔丙基甲氧基甲基磷酸酯、二炔丙基乙基磷酸酯、二炔丙基丙基磷酸酯、三氟甲基二炔丙基磷酸酯、二炔丙基2,2,2-三氟乙基磷酸酯、二炔丙基3,3,3-三氟丙基磷酸酯、六氟异丙基二炔丙基磷酸酯、磷酸三烯丙酯、二烯丙基甲基磷酸酯、二烯丙基乙基磷酸酯、二烯丙基丙基磷酸酯、三氟甲基二烯丙基磷酸酯、二炔丙基甲醚磷酸酯、二炔丙基氟代甲醚磷酸酯、2,2,2-三氟乙基二烯丙基磷酸酯、二烯丙基3,3,3-三氟丙基磷酸酯或二烯丙基六氟异丙基磷酸酯中的至少一种。
另一方面，本发明提供了一种锂离子电池，包括负极片、非水电解液以及如上所述的正极片。
根据本发明提供的正极片，在正极材料层中加入结构式I所示的化合物，同时合理设计正极材料层中结构式I所示化合物的含量m、正极材料层中掺杂和包覆的金属元素的总含量n，以及正极材料层的压实密度k之间的关系，当正极材料层满足条件时，能够充分发挥结构式I所示的化合物在与正极活性材料的掺杂元素和正极压实密度之间的协同效应，使正极活性材料具有较高的结构稳定性。从而在电池中正极材料层表面与非水电解液的副反应明显减少，降低高温循环/存储过程正极阻抗的增长，尤其是，电池的高温性能提升幅度较大。
附图说明
图1是本发明提供的正极片进行液相色谱-质谱联用仪分析的图谱。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明一实施例提供了一种正极片，包括正极集流体和形成于正极集流体上的正极材料层，其特征在于，所述正极片相对金属锂的电位范围大于等于4.25V，所述正极材料层包括掺杂或包覆有金属元素的正极活性材料和结构式I所示的化合物：
其中，R1、R2、R3各自独立地选自1-5个碳原子的烷基、1-5个碳原子的氟代烷基、1-5个碳原子的醚基、1-5个碳原子的氟代醚基、2-5个碳原子的不饱和烃基，且R1、R2、R3中的至少一个为2-5个碳原子的不饱和烃基；
所述正极片满足以下条件：
且50≤m≤10000，50≤n≤10000，2.8≤k≤3.8；
其中，m为正极材料层中结构式I所示化合物的含量，单位为ppm；
n为正极材料层中掺杂和包覆的金属元素的总含量，单位为ppm；
k为正极材料层的压实密度，单位为g/cm3；
所述正极片在溶剂中超声震荡后所得的溶液进行液相色谱-质谱联用仪(LC-MS)分析，在保留时间为6.5min～7.5min的区域出现特征峰。
所述正极片进行液相色谱-质谱联用仪色谱分析的方法为：在手套箱中将电池拆解取出正极片，再将裁切好的正极片浸入合适的溶剂(例如DMC、乙腈)中，通过超声震荡适宜的时间，以将正极片的正极材料层中的物质溶解到溶剂中，然后，此溶液通过液相色谱-质谱联用仪(LC-MS)检测，在保留时间为6.5min～7.5min的区域具有特征峰，如图1所示，其中液相色谱-质谱联用仪的型号为Waters ACQUITY UPLC/Xevo G2-XS Qtof MS，色谱条件为：采用Waters T3型色谱柱，柱温35-40℃，流动相为40％水与60％乙腈的混合物，流动相流速为0.2-0.3mL/min。
在一些实施例中，正极片在溶剂中超声震荡的时长为2小时及以上。
在本发明中，1-5个碳原子的烷基可选自例如甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、仲戊基或新戊基；1-5个碳原子的氟代烷基选自该1-5个碳原子的烷基中的一个或多个氢元素被氟元素取代所得的基团。
2-5个碳原子的不饱和烃基可选自例如乙烯基、丙烯基、烯丙基、丁烯基、戊烯基、甲基乙烯基、甲基烯丙基、乙炔基、丙炔基、炔丙基、丁炔基、戊炔基。
1-5个碳原子的醚基可选自例如甲醚、乙醚、甲乙醚、丙醚、甲丙醚、乙丙醚。
1-5个碳原子的氟代醚基可选自例如氟代甲醚、氟代乙醚、氟代甲乙醚、氟代丙醚、氟代甲丙醚、氟代乙丙醚。
在正极材料层中加入结构式I所示的化合物，同时合理设计正极材料层中结构式I所示化合物的质量百分含量m、正极材料掺杂和/或包覆的金属元素总量占正极活性层的含量n，以及正极材料层的压实密度k之间的关系，当正极材料层满足条件时，能够充分发挥结构式I所示的化合物与正极活性材料的掺杂元素和正极压实密度之间的协同效应，使正极活性材料具有较高的结构稳定性，从而在电池中正极材料层表面与非水电解液的副反应明显减少，降低高温循环/存储过程正极阻抗的增长，尤其是，电池的高温性能提升幅度较大。
在优选的实施例中，所述正极片满足以下条件：
当正极材料层中正极材料层中结构式I所示化合物的含量m、正极材料层中掺杂和包覆的金属元素的总含量n，以及正极材料层的压实密度k满足上述条件时，有利于进一步降低电池的阻抗增长，提高电池的高温循环性能。
在一些实施例中，所述正极活性材料选自式(1)和/或式(2)所示的化合物：
Li1+xNiaCobM1 cM2 1-a-b-cO2-yAy 式(1)
Li1+zMneL2-eO4-dBd 式(2)
式(1)中，-0.1≤x≤0.2，0<a<1，0<b<0.3，0<c<0.3，0<a+b+c<1，0≤y<0.2，M1包括Mn及Al中的一种或两种，M2为掺杂和/或包覆的金属元素，M2包括W、Mg、Ti、Ca、Zr、Zn、Si、Fe、Ce中的一种或多种，A为掺杂和/或包覆的非金属元素，A包括S、N、F、Cl、Br及I中的一种或多种；
式(2)中，-0.1≤z≤0.2，0<e<2，0≤d<1，L为掺杂和/或包覆的金属元素，L包括Ni、W、Mg、Ti、Ca、Zr、Zn、Si、Fe、Ce中的一种或多种，B为掺杂和/或包覆的非金属元素，B包括S、N、F、Cl、Br及I中的一种或多种。
在具体的实施例中，所述正极活性材料包括正极活性材料本体、以及掺杂和/或包覆的金属元素，其中所述正极活性材料本体包括LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.7Co0.1Mn0.2O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、LiMn2O4中的至少一种，掺杂和/或包覆的金属元素包括W、Mg、Ti、Ca、Zr、Zn、Si、Fe、Ce中的一种或多种。
在具体的实施例中，所述正极活性材料本体为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2，所述正极片相对金属锂的电位范围大于等于4.35V。
在具体的实施例中，所述正极活性材料本体为LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2，所述正极片相对金属锂的电位范围大于等于4.35V。
在具体的实施例中，所述正极活性材料本体为LiNi0.7Co0.1Mn0.2O2，所述正极片相对金属锂的电位范围大于等于4.30V。
在具体的实施例中，所述正极活性材料本体为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2，所述正极片相对金属锂的电位范围大于等于4.25V。在具体的实施例中，所述正极活性材料本体为LiMn2O4，所述正极片相对金属锂的电位范围大于等于4.35V。
在具体的实施例中，所述正极材料层中结构式I所示化合物的含量m可以为50ppm、60ppm、80ppm、90ppm、100ppm、150ppm、200ppm、300ppm、400ppm、500ppm、700ppm、900ppm、1000ppm、1500ppm、2000ppm、3000ppm、4000ppm、5000ppm、6000ppm、7000ppm、8000ppm、9000ppm或10000ppm。
在优选的实施例中，所述正极材料层中结构式I所示化合物的含量m为50ppm～5000ppm。
所述结构式I所示的化合物参与正极活性材料表面钝化膜的形成，利于避免正极材料层与非水电解液的直接接触，减少非水电解液在正极材料层上的分解反应，同时提高正极活性材料的稳定性，提高电池在高温的稳定性。在正极材料层中，结构式I所示的化合物含量过小时，则其对正极材料的钝化作用有效，从而对电池高温性能的改善效果不明显；反之结构式I所示的化合物含量过多时，则会在正极活性材料表面成膜越厚，会增大电池的内阻。
在具体的实施例中，所述正极材料层中掺杂和包覆的金属元素的总含量n可以为50ppm、60ppm、80ppm、90ppm、100ppm、150ppm、200ppm、300ppm、400ppm、500ppm、700ppm、900ppm、1000ppm、1500ppm、2000ppm、3000ppm、4000ppm、5000ppm、6000ppm、7000ppm、8000ppm、9000ppm或10000ppm。
在优选的实施例中，所述正极材料层中掺杂和包覆的金属元素的总含量n为100ppm～3000ppm。
通过在正极材料层中掺杂或包覆金属元素，有利于提高正极活性材料的稳定性；具体的，可采用镍钴锰三元材料、镍钴铝三元材料或锰酸锂作为正极活性材料本体，对正极活性材料本体进行掺杂或包覆处理，以得到正极活性材料；当进行掺杂处理时，所述金属元素嵌入于所述正极活性材料本体的晶格中，替代部分钴、镍、锰或铝的位置，形成稳定的掺杂状态，抑制金属离子的溶出；当进行包覆处理时，所述金属元素通过氧化物或金属盐的形式包覆于所述正极活性材料的外表面，避免正极活性材料与非水电解液的直接接触；正极材料中掺杂或包覆的金属元素含量越高，正极材料的结构稳定性越好，高温存储性能越好，但掺杂或包覆的金属元素含量过多时会造成材料阻抗变大。
在具体的实施例中，所述正极材料层的压实密度k为2.8g/cm3、2.9g/cm3、3.0g/cm3、3.1g/cm3、3.2g/cm3、3.3g/cm3、3.4g/cm3、3.5g/cm3、3.6g/cm3、3.7g/cm3或3.8g/cm3。
在优选的实施例中，所述正极材料层的压实密度k为3.0～3.6g/cm3。
所述正极材料层的压实密度与其孔隙率相关，一定范围内，压实密度越小，其孔道结构越发达，越有利于活性离子的液相传导，高温性能越好。但正极材料层压实密度过小，会导致极片掉粉，压实密度过大则会导致电解液浸润不佳，高温性能变差。
在一些实施例中，所述正极集流体单面的正极材料层的厚度为80～200μm。
在优选的实施例中，所述正极集流体单面的正极材料层的厚度为100～150μm。
正极集流体单面的正极材料层的厚度也是锂离子电池设计及制作中的关键技术参数。在相同极片大小下，正极集流体单面的正极材料层的厚度越大，虽然电池的能量密度增大，但内阻也会增大；而正极集流体单面的正极材料层的厚度降低，则电池的能量密度降低，不利于商用化应用。
在一些实施例中，所述正极材料层的单面面密度为15～30mg/cm2。
在一些实施例中，所述正极活性材料的颗粒直径D50为1～30μm。
在一些实施例中，所述结构式I所示的化合物选自磷酸三炔丙酯、二炔丙基甲基磷酸酯、二炔丙基氟代甲基磷酸酯、二炔丙基甲氧基甲基磷酸酯、二炔丙基乙基磷酸酯、二炔丙基丙基磷酸酯、三氟甲基二炔丙基磷酸酯、二炔丙基2,2,2-三氟乙基磷酸酯、二炔丙基3,3,3-三氟丙基磷酸酯、六氟异丙基二炔丙基磷酸酯、磷酸三烯丙酯、二烯丙基甲基磷酸酯、二烯丙基乙基磷酸酯、二烯丙基丙基磷酸酯、三氟甲基二烯丙基磷酸酯、二炔丙基甲醚磷酸酯、二炔丙基氟代甲醚磷酸酯、2,2,2-三氟乙基二烯丙基磷酸酯、二烯丙基3,3,3-三氟丙基磷酸酯或二烯丙基六氟异丙基磷酸酯中的至少一种。
在优选的实施例中，所述式I所示的化合物选自以下化合物中的一种或多种：
在一些实施例中，所述正极材料层还包括有正极粘结剂和正极导电剂，所述正极活性材料、所述结构式I所示的化合物、所述正极粘结剂和所述正极导电剂共混得到所述正极材料层。
以所述正极材料层的总质量为100％计，所述正极粘结剂的质量百分含量为1-2％，所述正极导电剂的质量百分含量为0.5-2％。
所述正极粘结剂包括聚偏氟乙烯、偏氟乙烯的共聚物、聚四氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯的共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯的共聚物、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚的共聚物、乙烯-四氟乙烯的共聚物、偏氟乙烯-四氟乙烯的共聚物、偏氟乙烯-三氟乙烯的共聚物、偏氟乙烯-三氯乙烯的共聚物、偏氟乙烯-氟代乙烯的共聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯的共聚物、热塑性聚酰亚胺、聚乙烯及聚丙烯等热塑性树脂；丙烯酸类树脂；羟甲基纤维素钠；聚乙烯醇缩丁醛；乙烯-醋酸乙烯酯共聚物；聚乙烯醇；以及苯乙烯丁二烯橡胶中的一种或多种。
所述正极导电剂包括导电炭黑、导电碳球、导电石墨、导电碳纤维、碳纳米管、石墨烯或还原氧化石墨烯中的一种或多种。
在一些实施例中，所述结构式I所示的化合物形成于所述正极材料层的表面，或所述结构式I所示的化合物掺混于所述正极材料层的内部。
当所述结构式I所示的化合物形成于所述正极材料层的表面时，其制备方式可以参照如下方式：
通过表面涂覆的方式在所述正极材料层的表面形成含有结构式I所示的化合物的涂层，具体的，可先将正极活性材料、正极导电剂和正极粘结剂分散于有机溶剂中，制备得到正极浆料，将正极浆料涂布、干燥形成正极材料层后，再将结构式I所示的化合物分散于有机溶剂中，将得到的结构式I所示的化合物溶液喷涂于正极材料层的表面，干燥去除溶剂后得到包括结构式I所示化合物的正极材料层。
当所述结构式I所示的化合物掺混于所述正极材料层的内部时，其制备方式可以参照如下方式：
1、制备所述正极材料层的正极浆料中含有结构式I所示的化合物，具体的，可将结构式I所示的化合物、正极活性材料、正极导电剂和正极粘结剂分散于有机溶剂中，制备得到正极浆料，再将正极浆料涂布、干燥形成正极材料层；
2、制备正极材料层后将正极材料层浸润于含有结构式I所示的化合物的溶液中，使结构式I所示的化合物渗透至所述正极材料层的内部，干燥去除溶剂后得到包含结构式I所示化合物的正极材料层。
在一些实施例中，所述正极集流体选自可传导电子的金属材料，优选的，所述正极集流体包括Al、Ni、锡、铜、不锈钢的一种或多种，在更优选的实施例中，所述正极集流体选自铝箔。
本发明的另一实施例提供了一种锂离子电池，包括负极片、非水电解液以及如上所述的正极片。
在一些实施例中，所述非水电解液包括非水有机溶剂，所述非水有机溶剂包括醚类溶剂、腈类溶剂、碳酸酯类溶剂和羧酸酯类溶剂中的一种或多种。
在一些实施例中，醚类溶剂包括环状醚或链状醚，优选为碳原子数3～10的链状醚及碳原子数3～6的环状醚，环状醚具体可以但不限于是1,3-二氧戊烷(DOL)、1,4-二氧恶烷(DX)、冠醚、四氢呋喃(THF)、2-甲基四氢呋喃(2-CH3-THF)，2-三氟甲基四氢呋喃(2-CF3-THF)中的一种或多种；所述链状醚具体可以但不限于是二甲氧基甲烷、二乙氧基甲烷、乙氧基甲氧基甲烷、乙二醇二正丙基醚、乙二醇二正丁基醚、二乙二醇二甲基醚。由于链状醚与锂离子的溶剂化能力高、可提高离子解离性，因此特别优选粘性低、可赋予高离子电导率的二甲氧基甲烷、二乙氧基甲烷、乙氧基甲氧基甲烷。醚类化合物可以单独使用一种，也可以以任意的组合及比率组合使用两种以上。醚类化合物的添加量没有特殊限制，在不显著破坏本发明高压实锂离子电池效果的范围内是任意的，在非水溶剂体积比为100％中通常体积比为1％以上、优选体积比为2％以上、更优选体积比为3％以上，另外，通常体积比为30％以下、优选体积比为25％以下、更优选体积比为20％以下。在将两种以上醚类化合物组合使用的情况下，使醚类化合物的总量满足上述范围即可。醚类化合物的添加量在上述的优选范围内时，易于确保由链状醚的锂离子离解度的提高和粘度降低所带来的离子电导率的改善效果。另外，负极活性材料为碳素材料的情况下，可抑制因链状醚与锂离子共同发生共嵌入的现象，因此能够使输入输出特性、充放电速率特性达到适当的范围。
在一些实施例中，腈类溶剂具体可以但不限于是乙腈、戊二腈、丙二腈中的一种或多种。
在一些实施例中，碳酸酯类溶剂包括环状碳酸酯或链状碳酸酯，环状碳酸酯具体可以但不限于是碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、γ-丁内酯(GBL)、碳酸亚丁酯(BC)中的一种或多种；链状碳酸酯具体可以但不限于是碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二丙酯(DPC)中的一种或多种。环状碳酸酯的含量没有特殊限制，在不显著破坏本发明锂离子电池效果的范围内是任意的，但在单独使用一种的情况下其含量的下限相对于非水电解液的溶剂总量来说，通常体积比为3％以上、优选体积比为5％以上。通过设定该范围，可避免由于非水电解液的介电常数降低而导致电导率降低，易于使非水电解质电池的大电流放电特性、相对于负极的稳定性、循环特性达到良好的范围。另外，上限通常体积比为90％以下、优选体积比为85％以下、更优选体积比为80％以下。通过设定该范围，可提高非水电解液的氧化/还原耐性，从而有助于提高高温保存时的稳定性。链状碳酸酯的含量没有特殊限定，相对于非水电解液的溶剂总量，通常为体积比为15％以上、优选体积比为20％以上、更优选体积比为25％以上。另外，通常体积比为90％以下、优选体积比为85％以下、更优选体积比为80％以下。通过使链状碳酸酯的含量在上述范围，容易使非水电解液的粘度达到适当范围，抑制离子电导率的降低，进而有助于使非水电解质电池的输出特性达到良好的范围。在组合使用两种以上链状碳酸酯的情况下，使链状碳酸酯的总量满足上述范围即可。
在一些实施例中，还可优选使用具有氟原子的链状碳酸酯类(以下简称为“氟化链状碳酸酯”)。氟化链状碳酸酯所具有的氟原子的个数只要为1以上则没有特殊限制，但通常为6以下、优选4以下。氟化链状碳酸酯具有多个氟原子的情况下，这些氟原子相互可以键合于同一个碳上，也可以键合于不同的碳上。作为氟化链状碳酸酯，可列举，氟化碳酸二甲酯衍生物、氟化碳酸甲乙酯衍生物、氟化碳酸二乙酯衍生物等。
羧酸酯类溶剂包括环状羧酸酯和/或链状碳酸酯。作为环状羧酸酯的例子，可以列举如：γ-丁内酯、γ-戊内酯、δ-戊内酯中的一种或多种。作为链状碳酸酯的例子，可以列举如：乙酸甲酯(MA)、乙酸乙酯(EA)、乙酸丙酯(EP)、乙酸丁酯、丙酸丙酯(PP)、丙酸丁酯中的一种或多种。
在一些实施例中，砜类溶剂包括环状砜和链状砜，优选地，在为环状砜的情况下，通常为碳原子数3～6、优选碳原子数3～5，在为链状砜的情况下，通常为碳原子数2～6、优选碳原子数2～5的化合物。砜类溶剂的添加量没有特殊限制，在不显著破坏本发明锂离子电池效果的范围内是任意的，相对于非水电解液的溶剂总量，通常体积比为0.3％以上、优选体积比为0.5％以上、更优选体积比为1％以上，另外，通常体积比为40％以下、优选体积比为35％以下、更优选体积比为30％以下。在组合使用两种以上砜类溶剂的情况下，使砜类溶剂的总量满足上述范围即可。砜类溶剂的添加量在上述范围内时，倾向于获得高温保存稳定性优异的电解液。
在优选的实施例中，所述非水有机溶剂为环状碳酸酯和链状碳酸酯的混合物。
在一些实施例中，所述非水电解液还包括锂盐，所述锂盐包括LiPF6、LiBOB、LiDFOB、LiPO2F2、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiC(SO2CF3)3、LiN(SO2F)2、LiClO4、LiAlCl4、LiCF3SO3、Li2B10Cl10、低级脂肪族羧酸锂盐中的一种或多种。
在优选实施例中，所述锂盐包括LiPF6和辅助锂盐，所述辅助锂盐包括LiBOB、LiDFOB、LiPO2F2、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiC(SO2CF3)3、LiN(SO2F)2、LiClO4、LiAlCl4、LiCF3SO3、Li2B10Cl10、低级脂肪族羧酸锂盐中的一种或多种。
在满足上述条件下，在非水电解液中加入LiPF6作为主锂盐，以及上述辅助锂盐的配合，能够进一步提高电池的抗热冲击性能，推测是由于正极中含有的结构式I所示的化合物少量溶解于非水电解液中，与上述锂盐组合配合具有提高非水电解液稳定性的作用，避免非水电解液的分解产气。
在一些实施例中，所述非水电解液中，所述LiPF6的质量百分含量为5％～20％，所述辅助锂盐的质量百分含量为0.05％～5％。
在一些实施例中，所述非水电解液还包括添加剂，所述添加剂包括环状硫酸酯类化合物、磺酸内酯类化合物、环状碳酸酯类化合物、不饱和磷酸酯类化合物和腈类化合物中的至少一种；
优选的，所述环状硫酸酯类化合物选自硫酸乙烯酯、硫酸丙烯酯或甲基硫酸乙烯酯中的至少一种；
所述磺酸内酯类化合物选自1,3-丙烷磺酸内酯、1,4-丁烷磺酸内酯或1,3-丙烯磺酸内酯中的至少一种；
所述环状碳酸酯类化合物选自碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、氟代碳酸乙烯酯或结构式2所示化合物中的至少一种，
所述结构式2中，R21、R22、R23、R24、R25、R26各自独立地选自氢原子、卤素原子、C1-C5基团中的一种；
所述不饱和磷酸酯类化合物选自结构式3所示化合物中的至少一种：
所述结构式3中，R31、R32、R32各自独立的选自C1-C5的饱和烃基、不饱和烃基、卤代烃基、-Si(CmH2m+1)3，m为1～3的自然数，且R31、R32、R33中至少有一个为不饱和烃基；
在优选的实施例中，所述不饱和磷酸酯类化合物可为磷酸三炔丙酯、二炔丙基甲基磷酸酯、二炔丙基乙基磷酸酯、二炔丙基丙基磷酸酯、二炔丙基三氟甲基磷酸酯、二炔丙基-2,2,2-三氟乙基磷酸酯、二炔丙基-3,3,3-三氟丙基磷酸酯、二炔丙基六氟异丙基磷酸酯、磷酸三烯丙酯、二烯丙基甲基磷酸酯、二烯丙基乙基磷酸酯、二烯丙基丙基磷酸酯、二烯丙基三氟甲基磷酸酯、二烯丙基-2,2,2-三氟乙基磷酸酯、二烯丙基-3,3,3-三氟丙基磷酸酯、二烯丙基六氟异丙基磷酸酯中的至少一种。
所述腈类化合物包括丁二腈、戊二腈、乙二醇双(丙腈)醚、己烷三腈、己二腈、庚二腈、辛二腈、壬二腈、癸二腈中的一种或多种。
在另一些实施例中，所述添加剂还可包括其它能改善电池性能的添加剂：例如，提升电池安全性能的添加剂，具体如氟代磷酸酯、环磷腈等阻燃添加剂，或叔戊基苯、叔丁基苯等防过充添加剂。
需要说明的是，除非特殊说明，一般情况下，所述添加剂中任意一种可选物质在非水电解液中的添加量为10％以下，优选的，添加量为0.1-5％，更优选的，添加量为0.1％～2％。具体的，所述添加剂中任意一种可选物质的添加量可以为0.05％、0.08％、0.1％、0.5％、0.8％、1％、1.2％、1.5％、1.8％、2％、2.2％、2.5％、2.8％、3％、3.2％、3.5％、3.8％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、7.8％、8％、8.5％、9％、9.5％、10％。
在一些实施例中，当添加剂选自氟代碳酸乙烯酯时，以所述非水电解液的总质量为100％计，所述氟代碳酸乙烯酯的添加量为0.05％～30％。
在一些实施例中，所述负极片包括负极材料层，所述负极材料层包括负极活性材料，所述负极活性材料选自硅基负极、碳基负极、锂基负极和锡基负极中的至少一种。
其中，所述硅基负极包括硅材料、硅的氧化物、硅碳复合材料以及硅合金材料中的一种或多种；所述碳基负极包括石墨、硬碳、软碳、石墨烯、中间相碳微球中的一种或多种；所述锂基负极金属锂或锂合金中的一种或多种。所述锂合金具体可以是锂硅合金、锂钠合金、锂钾合金、锂铝合金、锂锡合金和锂铟合金中的至少一种。所述锡基负极包括锡、锡碳、锡氧、锡金属化合物中的一种或多种。
在一些实施例中，所述负极材料层还包括有负极粘结剂和负极导电剂，所述负极活性材料、所述负极粘结剂和所述负极导电剂共混得到所述负极材料层。
所述负极粘接剂和负极导电剂的可选择范围分别与所述正极粘结剂和正极导电剂相同，在此不再赘述。
在一些实施例中，所述负极片还包括负极集流体，所述负极材料层覆盖于所述负极集流体的表面。
所述负极集流体选自可传导电子的金属材料，优选的，所述负极集流体包括Al、Ni、锡、铜、不锈钢的一种或多种，在更优选的实施例中，所述负极集流体选自铜箔。
在一些实施例中，所述锂离子电池中还包括有隔膜，所述隔膜位于所述正极片和所述负极片之间。
所述隔膜可为现有常规隔膜，可以是聚合物隔膜、无纺布等，包括但不限于单层PP(聚丙烯)、单层PE(聚乙烯)、双层PP/PE、双层PP/PP和三层PP/PE/PP等隔膜。
以下通过实施例对本发明进行进一步的说明。
以下实施例和对比例涉及的化合物如下表1所示。
表1
表2实施例和对比例各参数设计
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实施例1
本实施例用于说明本发明公开的锂离子电池及其制备方法，包括以下操作步骤：
1)正极片的制备
第1步：在NMP溶剂中，加入作为粘结剂的PVDF及表1所示的结构式I所示化合物，充分搅拌均匀，获得添加有结构式I所示化合物的PVDF胶液。
第2步：在PVDF胶液中，加入作为导电剂(super P+CNT)，充分搅拌均匀。
第3步：继续加入表2所示的表面掺杂或包覆的正极活性材料，充分搅拌均匀，最终获得所需要的正极浆料。
第4步：将制备的正极浆料均匀地涂布在正极集流体(例如铝箔)上，通过控制涂布参数、干燥、辊压参数、模切或分条获得不同压实密度的正极片。
正极材料层中结构式I所示化合物的质量百分含量m，正极材料掺杂和/或包覆的金属元素总量占正极活性层的含量n，正极活性物质层压实密度k见表2。
2)负极片的制备
第1步：按石墨(上海杉杉，FSN-1):导电碳(super P):羧甲基纤维素钠(CMC):丁苯橡胶(SBR)＝96.3:1.0:1.2:1.5(质量比)负极片配比称取各物质。
第2步：首先将CMC按照1.5％的固含量加入到纯水中，充分搅拌均匀(例如搅拌时间120min)，制备出透明的CMC胶液。
第3步：在CMC胶液中，加入导电碳(super P)，充分搅拌均匀(例如搅拌时间90min)，制备导电胶。
第4步：继续加入石墨，充分搅拌均匀，最终获得所需要的负极浆料。
第5步：将制备的负极浆料均匀地涂布在铜箔上，经干燥、辊压、模切或分条获得负极片。
3)非水电解液的制备
将碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)和碳酸甲乙酯(EMC)按质量比为EC:DEC:EMC＝1:1:1进行混合，然后加入六氟磷酸锂(LiPF6)至摩尔浓度为1mol/L，再加入1％LiPO2F2。
4)锂离子电芯制备
将上述制备好的正极片与上述负极片组装成叠片式的软包电芯。
5)电芯的注液和化成
在露点控制在-40℃以下的手套箱中，将上述制备的电解液注入电芯中，经真空封装，静止24h。然后按以下步骤进行首次充电的常规化成：0.05C恒流充电180min,0.2C恒流充电至3.95V，二次真空封口，然后进一步以0.2C的电流恒流充电至电池的截止电压4.35V，此时负极石墨处于完全嵌锂态，对锂的电位在0.05V左右，此时正极片对金属锂的电位为4.40V，常温搁置24h后，以0.2C的电流恒流放电至3.0V。
实施例2～56
实施例2～56用于说明本发明公开的锂离子电池及其制备方法，包括实施例1中大部分操作步骤，其不同之处在于：
采用表2所示的正极片组分和电解液添加组分。
对比例1～23
对比例1～23用于对比说明本发明公开的锂离子电池及其制备方法，包括实施例1中大部分操作步骤，其不同之处在于：
采用表2所示的正极片组分和电解液添加组分。
每个实施例和对比例制备多个相同的锂离子电池，便于电池性能测试。
性能测试
对上述制备得到的锂离子电池进行如下性能测试：
1、正极片相对金属锂的电位测试：将电池充电至截止电压，在手套箱中将电池拆解，将电池正极片与负极片分开，将正极片裁剪成直径15mm的圆片，与直径14mm的锂片组装成纽扣电池，然后测试纽扣电池的开路电压，此时开路电压即为正极片相对金属锂的电位。
2、高温循环性能测试：在45℃下，将化成后的电池用1C恒流恒压充至截止电压，再恒压充电至电流下降至0.05C，然后以1C的电流恒流放电至3.0V，如此循环1500圈，记录第1次的放电容量，放电DCIR，第1500次循环的放电容量和放电DCIR。
按下式计算高温循环的容量保持率和DCIR增长率：
电池循环容量保持率＝第1500次循环的放电容量/第1次循环的放电容量×100％；
电池循环DCIR增长率(％)＝(循环1500次放电DCIR-循环第1次的放电DCIR)/循环第一次的放电DCIR×100％。
3、高温60℃存储90天后电池的容量保持率：1C恒流恒压充至截止电压，再恒压充电至电流下降至0.05C，然后以1C的电流恒流放电至3.0V，测量电池初始放电容量及放电DCIR。然后充至满电在60℃环境中分别储存90天后，以1C放电至3V，测量电池的容量及放电DCIR。计算公式如下：
电池存储容量保持率(％)＝存储90天后电池放电容量/存储前电池放电容量×100％；
电池存储DCIR增长率(％)＝(存储90天后放电DCIR-存储前放电DCIR)/存储前放电DCIR×100％。
(1)实施例1～43和对比例1～3、对比例12～23得到的测试结果填入表3。
表3
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由实施例1～43和对比例1～3、对比例12～17的测试结果可知，当正极材料层中结构式I所示化合物的含量m、正极材料层中掺杂和包覆的金属元素的总含量n，以及正极材料层的压实密度k满足条件的限定时，锂离子电池具有较高的高温循环和高温存储容量保持率和较低的阻抗增长率。推测是由于结构式I所示的化合物与正极活性材料的掺杂元素和正极压实密度之间的协同效应，使正极活性材料具有较高的结构稳定性。从而使电池中正极材料层表面与非水电解液之间的副反应明显减少，降低高温循环/存储过程正极阻抗的增长，尤其是，提高了非水电解液中锂盐和溶剂的高温稳定性，能够大幅度提高电池的高温容量保持性能。
由实施例1～19、实施例23～29和实施例36～41的测试结果可知，在正极材料层中，结构式I所示的化合物含量过小，则其对正极材料的钝化作用有限，从而对电池高温性能的改善效果不明显；反之结构式I所示的化合物含量过多，则会在正极活性材料表面成膜越厚，会增大电池的内阻。正极材料中掺杂包覆金属元素含量越高，正极材料的结构稳定性越好，高温存储性能越好，但包覆过多会造成材料阻抗变大。
由对比例18～23的测试结果可知，即使正极材料层中结构式I所示化合物的含量m、正极材料层中掺杂和包覆的金属元素的总含量n，以及正极材料层的压实密度k之间的关系满足条件但m值、n值和k值不满足其范围限定时，锂离子电池仍然不具有较好的电化学性能。
(2)实施例44～48得到的测试结果填入表4。
表4
由实施例44～48的测试结果可知，对于不同的结构式I所示的化合物，正极材料层中结构式I所示化合物的含量m、正极材料层中掺杂和包覆的金属元素的总含量n，以及正极材料层的压实密度k满足预设关系时，其对于锂离子电池起到的提升作用相似，均对于锂离子电池的高温循环性能和高温存储性能具有一定的改善作用，说明本发明提供的关系式适用于不同的结构式I所示的化合物。
(3)实施例49～56和对比例4～11得到的测试结果填入表5。
表5
由实施例49～56和对比例4～11的测试结果可知，当采用不同的正极活性材料时，当正极材料层中结构式I所示化合物的含量m、正极材料层中掺杂和包覆的金属元素的总含量n，以及正极材料层的压实密度k满足预设关系 时，电池同样具有较好的高温循环性能和初始容量，说明本发明提供的关系式对于采用不同的正极活性材料的锂离子电池高温性能均具有普适性的提高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种正极片，其特征在于，包括正极集流体和形成于正极集流体上的正极材料层，其特征在于，所述正极片相对金属锂的电位范围大于等于4.25V，所述正极材料层包括掺杂或包覆有金属元素的正极活性材料和结构式I所示的化合物：
其中，R1、R2、R3各自独立地选自1-5个碳原子的烷基、1-5个碳原子的氟代烷基、1-5个碳原子的醚基、1-5个碳原子的氟代醚基、2-5个碳原子的不饱和烃基，且R1、R2、R3中的至少一个为2-5个碳原子的不饱和烃基；
所述正极片满足以下条件：
且50≤m≤10000，50≤n≤10000，2.8≤k≤3.8；
其中，m为正极材料层中结构式I所示化合物的含量，单位为ppm；
n为正极材料层中掺杂和包覆的金属元素的总含量，单位为ppm；
k为正极材料层的压实密度，单位为g/cm3；
所述正极片在溶剂中超声震荡后所得的溶液进行液相色谱-质谱联用仪(LC-MS)分析，在保留时间为6.5min～7.5min的区域出现特征峰；
所述正极活性材料选自式(1)和/或式(2)所示的化合物：
Li1+xNiaCobM1 cM2 1-a-b-cO2-yAy式(1)
Li1+zMneL2-eO4-dBd式(2)
式(1)中，-0.1≤x≤0.2，0<a<1，0<b<0.3，0<c<0.3，0<a+b+c<1，0≤y<0.2，M1包括Mn及Al中的一种或两种，M2为掺杂和/或包覆的金属元素，M2包括W、Mg、Ti、Ca、Zr、Zn、Si、Fe、Ce中的一种或多种，A为掺杂和/或包覆的非金属元素，A包括S、N、F、Cl、Br及I中的一种或多种；
式(2)中，-0.1≤z≤0.2，0<e<2，0≤d<1，L为掺杂和/或包覆的金属元素，L包括Ni、W、Mg、Ti、Ca、Zr、Zn、Si、Fe、Ce中的一种或多种，B为掺杂和/或包覆的非金属元素，B包括S、N、F、Cl、Br及I中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的正极片，其特征在于，所述正极片满足以下条件：
3.根据权利要求1所述的正极片，其特征在于，所述正极材料层中结构式I所示化合物的含量m为50ppm～5000ppm。
4.根据权利要求1所述的正极片，其特征在于，所述正极材料层中掺杂和包覆的金属元素的总含量n为100ppm～3000ppm。
5.根据权利要求1所述的正极片，其特征在于，所述正极材料层的压实密度k为3.0～3.6g/cm3。
6.根据权利要求1所述的正极片，其特征在于，所述正极集流体单面的正极材料层的厚度为80～200μm，所述正极材料层的单面面密度为15～30mg/cm2。
7.根据权利要求1所述的正极片，其特征在于，1-5个碳原子的烷基选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、仲戊基或新戊基；1-5个碳原子的氟代烷基选自该1-5个碳原子的烷基中的一个或多个氢元素被氟元素取代所得的基团；
2-5个碳原子的不饱和烃基选自乙烯基、丙烯基、烯丙基、丁烯基、戊烯基、甲基乙烯基、甲基烯丙基、乙炔基、丙炔基、炔丙基、丁炔基、戊炔基；
1-5个碳原子的醚基选自甲醚、乙醚、甲乙醚、丙醚、甲丙醚、乙丙醚；
1-5个碳原子的氟代醚基选自氟代甲醚、氟代乙醚、氟代甲乙醚、氟代丙醚、氟代甲丙醚、氟代乙丙醚。
8.根据权利要求1所述的正极片，其特征在于，所述结构式I所示的化合物选自磷酸三炔丙酯、二炔丙基甲基磷酸酯、二炔丙基氟代甲基磷酸酯、二炔丙基甲氧基甲基磷酸酯、二炔丙基乙基磷酸酯、二炔丙基丙基磷酸酯、三氟甲基二炔丙基磷酸酯、二炔丙基2,2,2-三氟乙基磷酸酯、二炔丙基3,3,3-三氟丙基磷酸酯、六氟异丙基二炔丙基磷酸酯、磷酸三烯丙酯、二烯丙基甲基磷酸酯、二烯丙基乙基磷酸酯、二烯丙基丙基磷酸酯、三氟甲基二烯丙基磷酸酯、二炔丙基甲醚磷酸酯、二炔丙基氟代甲醚磷酸酯、2,2,2-三氟乙基二烯丙基磷酸酯、二烯丙基3,3,3-三氟丙基磷酸酯或二烯丙基六氟异丙基磷酸酯中的至少一种。
9.一种锂离子电池，其特征在于，包括负极片、非水电解液以及如权利要求1～8任意一项所述的正极片。
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