CN115911547A - 锂离子电池、电池模组、电池包及用电装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种锂离子电池、电池模组、电池包及用电装置。本申请所提供的锂离子电池，在其电解液中包括式(I)所示添加剂中的一种或几种，且式(I)所示添加剂在电解液中的质量百分含量W0与锂离子电池负极活性物质层中的负极活性材料的比表面积X1的比值满足W0/X1为0.1～10。式(I)所示添加剂在锂离子电池的负极表面最先还原成膜，当式(I)所示添加剂的质量百分含量与负极活性材料的比表面积的比值在合理范围内，可使式(I)所示添加剂在锂离子电池负极表面形成的界面膜不但稳定且具有低阻抗、高离子传输能力，对锂离子电池的负极起到保护作用，从而提高电池的功率性能、循环性能和使用寿命。

Description

锂离子电池、电池模组、电池包及用电装置
技术领域
本申请涉及电池领域，具体地讲，涉及一种锂离子电池、电池模组、电池包及用电装置。
背景技术
锂离子电池是一种二次电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。
电解液是锂离子电池中离子传输的载体，在锂电池正、负极之间起到传导离子的作用，是锂离子电池获得高电压、高比能等性能的保证。电解液一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、必要的添加剂等原料，在一定条件下、按一定比例配制而成的。
目前，锂离子电池已广泛应用于汽车、手机等高科技产品中，但是随着锂离子电池应用的领域不断扩大，电池的功率性能和循环寿命仍有待进一步改善。
发明内容
鉴于背景技术中存在的问题，本申请提供一种锂离子电池、电池模组、电池包及用电装置。
第一方面，本申请提供一种锂离子电池，包括正极极片、负极极片、间隔于正极极片和负极极片之间的隔离膜、电解液，所述电解液包括有机溶剂，溶解在所述有机溶剂中的电解质锂盐，还包括式(I)所示添加剂中的一种或几种，
Figure BDA0003289545320000021
其中，R选自K、Li、Na、Rb或Cs，R1选自C1-C10烷基；且所述式(I)所示添加剂在所述电解液中的质量百分含量记为W0％。所述负极极片包括负极集流体和设置在所述负极集流体至少一个表面的负极活性物质层，所述负极活性物质层中的负极活性材料的比表面积记为X1，单位为m2/g；满足：W0/X1为0.1～10；可选的，W0/X1为0.2～4。
根据本申请发明人的研究与证实，将包含式(I)所示添加剂的电解液应用于锂离子电池中，式(I)所示添加剂在锂离子电池的负极表面最先还原成膜，形成一种具有低阻抗、高离子传输能力的界面膜，该种界面膜对负极起到保护作用，有利于提高电池的功率性能、循环性能和使用寿命。发明人认为：在锂离子电池内部，各种反应都是发生在电极表面的，因而正、负极活性材料的理化性质影响锂离子电池内部正负极表面的反应特性。通过限定式(I)所示添加剂的在电解液中的质量百分含量W0与负极活性材料的比表面积X1的比值在合理范围内，可使式(I)所示添加剂在锂离子电池的负极表面形成均匀稳定的保护膜，保证锂离子电池的循环性能和功率性能的提升。
可选的，本申请提供的锂离子电池中，所述正极极片包括正极集流体和设置在所述正极集流体至少一个表面的正极活性物质层，所述正极活性物质层中的正极活性材料的比表面积记为X2，单位m2/g，满足：X2/W0为0.4～5；可选的，X2/W0为0.6～3。
通过限定正极活性材料的比表面积X2与式(I)所示添加剂的质量百分含量W0比值在合理范围内，可使式(I)所示添加剂在锂离子电池正极表面的反应和消耗在合理范围内，从而保证锂离子电池综合性能的提高。
可选的，式(I)所示添加剂的在电解液中的质量百分含量W0％为0.1％～2％；进一步可选的，W0％为0.3％～1％。
当式(I)所示添加剂在电解液中的添加量过小时，不足以在锂离子电池的负极表面形成稳定的界面膜；而当式(I)所示添加剂在电解液中的添加量过大时，可加重锂离子电池的产气；不仅如此，式(I)所示添加剂还会提高电解液的粘度，从而影响电解液的电导率。对此，本申请进一步还提供了式(I)所示添加剂在电解液中的质量百分含量范围，使得式(I)所示添加剂基本在锂离子电池的负极先行被消耗，足以形成均匀稳定的界面膜，对负极形成保护，充分发挥其改善锂离子电池的低温循环和功率性能的作用；同时弱化其对电解液电导率的不利影响。
可选的，在本申请提供的锂离子电池中，式(I)结构中的R为K，R1为甲基。
可选的，在本申请提供的锂离子电池中，所述电解质锂盐在所述电解液中的质量百分含量记为W1％，且满足：W1≥5W0。可选的，在本申请提供的锂离子电池中，所述电解质锂盐在所述电解液中的质量百分含量W1％为10％～15％。
式(I)所示添加剂的加入增加了电解液的粘度，因而不利于电解液的电导率，并可进一步影响锂离子电池的动力学特性；而电解液中的电解质锂盐可以提高电解液的电导率，并可以降低浓差极化。因此，式(I)所示添加剂的合理添加量也受到锂盐浓度用量的影响。本申请提供的电解液中，当式(I)所示添加剂的质量百分含量小于或等于1/5的电解质锂盐的质量百分含量时，亦即：W1≥5W0时，或W1％为10％～15％时，电解质锂盐可有效缓解式(I)所示添加剂的加入对电解液粘度的恶化，使电解液的粘度和电导率在较优范围内。
可选的，在本申请提供的锂离子电池中，所述电解液中还包括正极牺牲型添加剂，所述正极牺牲型添加剂的氧化电位低于4.5V；可选的，所述正极牺牲型添加剂的氧化电位低于4.3V。
如前所述，式(I)所示添加剂可在锂离子电池的负极表面优先成膜，从而提高电池的功率性能、循环性能和使用寿命，但是式(I)所示添加剂对锂离子电池的产气不具有改善作用，且由于其自身耐氧化性差，还会在一定程度上加重存储产气。对此，本申请的发明人提出，在本申请提供的电解液中同时添加正极牺牲型添加剂，正极牺牲型添加剂可以优先在正极表面成膜，从而改善锂离子电池的产气。
进一步的，本申请在电解液中所添加的正极牺牲型添加剂，其氧化电位可为低于4.5V，优选为低于4.3V。本申请的发明人发现，式(Ⅰ)所示添加剂的氧化电位较低，被氧化时会产生大量气体，不利于锂离子电池的存储性能，且该种情况当电池充电至4.2V以上后较为明显，尤其是在电池充电至4.4V以上更加显著。因此，当电解液中添加的正极牺牲型添加剂的氧化电位低于4.5V、优选低于4.3V时，可确保正极牺牲型添加剂优先于式(Ⅰ)所示添加剂和溶剂成膜，从而较佳地抑制产气情况的发生，提升锂离子电池的存储性能。
可选的，在本申请提供的锂离子电池中，所述正极牺牲型添加剂选自式(II)～式(IV)之一所示的化合物：
Figure BDA0003289545320000041
其中，R2选自被C1-C9烷基取代的碳原子或亚烷基。
可选的，在本申请提供的锂离子电池中，所述正极牺牲型添加剂在所述电解液中的质量百分含量记为W2％，满足：0.5％≤W2≤4％；可选地，W2≤3W0；进一步可选地，W2≤2W0。
当正极牺牲型添加剂在电解液中的质量百分含量W2％满足0.5％≤W2≤4％时，正极牺牲型添加剂可以较好地改善锂离子电池的产气问题，并改善锂离子的产气。然而，正极牺牲型添加剂同时会对锂离子电池的功率和使用寿命存在不利影响。为了避免上述不利影响的发生，正极牺牲型添加剂在电解液中的质量百分含量最好不超过式(I)所示添加剂在电解液中的质量百分含量的3倍；进一步优选的，正极牺牲型添加剂在电解液中的质量百分含量最好不超过式(I)所示添加剂在电解液中的质量百分含量的2倍，从而维持锂离子电池较好的功率和使用寿命。
第二方面，本申请提供一种电池模组，其中，包括本申请第一方面的锂离子电池。
第三方面，本申请提供一种电池包，其中，包括本申请第一方面的锂离子电池或者本申请第二方面的电池模组。
第四方面，本申请提供一种用电装置，其包括本申请第一方面的锂离子电池或本申请第二方面的电池模组或本申请第三方面的电池包；其中，锂离子电池或电池模组或电池包用作用电装置的电源或能量存储单元。
附图说明
图1是示例的电解液的还原电位图；
图2是在示例的电解液中添加质量百分含量为0.5％的式(I-1)添加剂后的还原电位图；
图3是示例的电解液的线性扫描伏安曲线图；
图4是在示例的电解液中添加质量百分含量为0.5％的式(I-1)添加剂后的线性扫描伏安曲线图；
图5是根据本申请一具体实施方式的锂离子电池的立体图；
图6是图5所示锂离子电池的分解图；
图7是根据本申请一具体实施方式的电池模组的立体图；
图8是根据本申请一具体实施方式的电池包的立体图；
图9是图8所示电池包的分解图；
图10是本申请一具体实施方式的用电装置的示意图。
其中，附图标记说明如下：
1 电池包、
2 上箱体、
3 下箱体、
4 电池模组、
5 锂离子电池、
51 壳体、
52 电极组件、
53 顶盖组件。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本申请。应理解，这些具体实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。
电解液
本申请的第一方面提供一种锂离子电池，包括正极极片、负极极片、间隔于正极极片和负极极片之间的隔离膜、电解液，所述电解液包括有机溶剂、溶解在所述有机溶剂中的电解质锂盐以及式(I)所示添加剂中的一种或几种，
Figure BDA0003289545320000061
其中，R选自K、Li、Na、Rb或Cs，R1选自C1-C10烷基；所述式(I)所示添加剂在所述电解液中的质量百分含量记为W0％，所述负极极片包括负极集流体和设置在所述负极集流体至少一个表面的负极活性物质层，所述负极活性物质层中的负极活性材料的比表面积记为X1，单位为m2/g；满足：W0/X1为0.1～50；可选的，W0/X1为0.2～10。
发明人发现，将包含式(I)所示添加剂的电解液应用于锂离子电池中，式(I)所示添加剂在锂离子电池的负极表面最先还原成膜，形成一种具有低阻抗、高离子传输能力的界面膜，该种界面膜对负极起到保护作用，有利于提高电池的功率性能和循环性能。图1是作为示例的电解液的还原电位图(测试条件为0.5mV/s@25℃)，图2是在示例的电解液中添加质量百分含量为0.5％的式(I-1)添加剂后的还原电位图(测试条件为0.5mV/s@25℃)。其中，示例的电解液为：采用EC：EMC：DEC＝30：50：30的溶剂作为母液，配置成LiPF6的质量百分含量为12.5％的电解液。从图1和图2的对比可以看到，添加式(I-1)添加剂后，电解液的还原曲线在1.2V左右出现了一个明显的小峰，这个小峰即为该添加剂的还原峰；而未添加式(I-1)添加剂的电解液的还原曲线中未出现该种还原峰。同时，由于式(I-1)添加剂的成膜，使得在0.7V左右的溶剂的还原峰受到一定程度的抑制。这证明了该类添加剂不仅能优先于溶剂在负极表面先被还原，其还原产物还能抑制溶剂的还原，从而改善电池性能的功率性能和循环性能。
另外，图3是作为示例的电解液的线性扫描伏安曲线图(测试条件为0.5mV/s@25℃)，图4是在该碱性电解液中添加质量百分含量为0.5％的式(I-1)添加剂后的线性扫描伏安曲线图(测试条件为0.5mV/s@25℃)。其中，示例的电解液为：采用EC：EMC：DEC＝30：50：30的溶剂作为母液，配置成LiPF6的质量百分含量为12.5％的电解液。从图3和图4的对比可以看到，添加式(I-1)添加剂后，电解液的线性扫描伏安曲线在5V左右有一个明显的氧化峰，即为式(I-1)添加剂的氧化峰，由此可知，式(I-1)添加剂是比溶剂更容易在正极氧化的，且其形成的氧化膜不能抑制溶剂在正极的进一步氧化，因此，将式(I-1)添加剂应用在锂离子电池的电解液中，可能加重锂离子电池的存储产气。
对此，发明人认为：在锂离子电池内部，各种反应都是发生在电极表面的，因而正、负极活性材料的理化性质影响锂离子电池内部正负极表面的反应特性。通过限定式(I)所示添加剂的质量百分含量与负极活性材料的比表面积X1的比值在合理范围内，可使式(I)所示添加剂在锂离子电池的负极表面优先形成更为稳定的保护膜，更好地提升锂离子电池的功率性能和循环性能。
具体来说，在本发明的实施方式中，W0/X1为0.1～50；可选的，W0/X1为0.2～10。当W0/X1的比值过大时，电解液中式(I)所示添加剂的含量相对过多，且负极的比表面积相对较小，这会导致在负极表面形成的保护膜太厚，造成锂离子传输的困难，进而不利于电池的循环性能和功率性能的提升。当W0/X1的比值过小时，电解液中式(I)所示添加剂的含量相对过少，导致锂离子电池负极表面不足以形成均匀稳定的界面膜，对负极的保护不够充足，难以抑制溶剂在负极表面的还原，也无法有效提升锂离子电池的循环性能和功率性能。
在一些实施方式中，所述正极包括正极集流体和设置在所述正极集流体至少一个表面的正极活性物质层，所述正极活性物质层中的正极活性材料的比表面积记为X2，单位m2/g，且满足：X2/W0为0.1～34；可选的，X2/W0为0.5～17。
通过限定正极活性材料的比表面积X2与式(I)所示添加剂的质量百分含量的比值在合理范围内，可使式(I)所示添加剂在锂离子电池的正极表面的消耗在合理范围内。具体来说，当X2/W0过大时，正极活性材料相对较多，式(I)所示添加剂含量相对较少，此时正极的反应界面较大，对式(I)所示添加剂的消耗比较大，使得式(I)所示添加剂过多地在正极表面被消耗，不利于式(I)所示添加剂在负极的成膜反应的进行。当X2/W0过小时，正极活性材料相对较少，式(I)所示添加剂含量相对较多，由于式(I)所示添加剂自身是不耐氧化的，过量的式(I)所示添加剂会对电解液的粘度和电导率、以及锂离子电池的存储性能都有不利影响。
在一些实施方式中，式(I)所示添加剂在电解液中的质量百分含量W0％为0.1％～2％；进一步可选的，W0％为0.3％～1％。
当式(I)所示添加剂在电解液中的添加量过小时，不足以在锂离子电池的负极表面形成稳定的界面膜；而当式(I)所示添加剂在电解液中的添加量过大时，可一定程度加重锂离子电池的产气；不仅如此，式(I)所示添加剂还会提高电解液的粘度，从而影响电解液的电导率。对此，本申请进一步还提供了式(I)所示添加剂在电解液中的质量百分含量范围，使得式(I)所示添加剂基本在锂离子电池的负极先行被消耗，足以形成均匀稳定的界面膜，对负极形成保护，充分发挥其改善锂离子电池的循环性能和功率性能的作用；同时弱化其对电解液的电导率等的不利影响。
在一些实施方式中，式(I)所述添加剂可选自且不限于式(I-1)～(I-8)所示结构：
Figure BDA0003289545320000091
在一些实施方式中，式(I)结构中的R为K，R1为甲基，所述添加剂为式(I-1)所示的结构：
Figure BDA0003289545320000092
在一些实施方式中，所述电解质锂盐在所述电解液中的质量百分含量为W1，且满足：W1≥5W0。
式(I)所示添加剂的加入，对电解液的粘度有所提高，因而不利于电解液的电导率，并可进一步影响锂离子电池的动力学特性；而电解液中的电解质锂盐可以提高电解液的电导率，并可以降低浓差极化。因此，式(I)所示添加剂的合理添加量也受到锂盐浓度用量的影响。本申请的一些实施方式中，式(I)所示添加剂的质量百分含量小于或等于1/5的电解质锂盐的质量百分含量，即：W1≥5W0时，此时，电解质锂盐可有效缓解式(I)所示添加剂的加入对电解液粘度的恶化，使电解液的粘度和电导率在较优范围内。
在一些实施方式中，所述电解质锂盐在所述电解液中的质量百分含量W1％为10％～15％。当W1与W0满足W1≥5W0，且W1％为10％～15％时，锂离子电池具有较优的动力学特性。
在一些实施方式中，锂离子电池的电解液中还包括正极牺牲型添加剂，所述正极牺牲型添加剂的氧化电位低于4.5V；可选的，所述正极牺牲型添加剂的氧化电位低于4.3V。
式(I)所示添加剂可在锂离子电池的负极表面优先成膜，从而提高电池的功率性能、循环性能和使用寿命，但是式(I)所示添加剂对锂离子电池的产气不具有改善作用，且由于其自身不耐氧化，还会在一定程度上恶化存储产气。本申请的一些实施方式，在电解液中同时添加正极牺牲型添加剂，正极牺牲型添加剂可以优先在正极表面成膜，从而避免式(I)所示添加剂对锂离子电池的存储产气的不利影响。
在一些实施方式中，电解液中所添加的正极牺牲型添加剂的氧化电位低于4.5V，优选为低于4.3V。式(Ⅰ)所示添加剂的氧化电位较低，被氧化时会产生大量气体，不利于存储性能，且该种情况当电池充电至4.2V以上后较为明显，尤其是在电池充电至4.4V以上更加显著。因此，当电解液中添加的正极牺牲型添加剂的氧化电位低于4.5V、优选低于4.3V时，可确保正极牺牲型添加剂优先于式(Ⅰ)所示添加剂和溶剂成膜，从而较佳地抑制产气情况的发生，提升锂离子电池的存储性能。
在一些实施方式中，所述正极牺牲型添加剂选自式(II)～式(IV)之一所示的化合物：
Figure BDA0003289545320000101
其中，R2选自被C1-C9烷基取代的碳原子或亚烷基。
在一些实施方式中，所述正极牺牲型的分子式中，R2优选为亚甲基。
在一些实施方式中，所述正极牺牲型添加剂在所述电解液中的质量百分含量记为W2％，0.5％≤W2％≤4％；可选地，W2≤3W0；进一步可选地，W2≤2W0。
当正极牺牲型添加剂在电解液中的质量百分含量W2％满足0.5％≤W2％≤4％时，正极牺牲型添加剂可以较好地改善锂离子电池的产气问题。然而，正极牺牲型添加剂同时会对锂离子电池的功率和使用寿命存在不利影响。为了避免上述不利影响的发生，正极牺牲型添加剂在电解液中的质量百分含量最好不超过式(I)所示添加剂在电解液中的质量百分含量的3倍；进一步优选的，正极牺牲型添加剂在电解液中的质量百分含量最好不超过式(I)所示添加剂在电解液中的质量百分含量的2倍，从而维持锂离子电池较好的功率和使用寿命。
此外，在本申请的实施方式中，锂离子电池的负极活性材料可以是本领域各种适用于锂离子电池的负极活性材料的材料，例如，可以是包括但不限于石墨、软碳、硬碳、碳纤维、中间相碳微球、硅基材料、锡基材料、钛酸锂或其他能与锂形成合金的金属中的一种或多种的组合。其中，所述石墨可选自人造石墨、天然石墨以及改性石墨中的一种或多种的组合；所述硅基材料可选自单质硅、硅氧化合物、硅碳复合物、硅合金中的一种或多种的组合；所述锡基材料可选自单质锡、锡氧化合物、锡合金中的一种或多种的组合。
负极集流体通常是汇集电流的结构或零件，所述负极集流体可以是本领域各种适用于作为锂离子电池负极集流体的材料，例如，所述负极集流体可以是包括但不限于金属箔，更具体可以是包括但不限于铜箔。此外，负极极片也可为锂片。
正极活性材料的具体种类没有特别的限制，只要能满足嵌入、脱出锂离子即可。正极活性材料既可为层状结构材料，使锂离子在二维空间扩散，也可为尖晶石结构，使锂离子在三维空间扩散。优选地，正极活性材料可选自锂过渡金属氧化物、锂过渡金属氧化物添加其它过渡金属或非过渡金属或非金属得到的化合物中的一种或几种。具体地，正极活性材料可优选选自锂钴氧化物、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、橄榄石结构的含锂磷酸盐中的一种或几种。例如，正极活性材料可以为LiqNixMnyCoiMpO2，其中，x+y+i+p＝1，q的取值在0.8～1.2之间，M选自Al、Mo、Cr、Ti、Ru、Zr中的一种或几种。
正极集流体的种类也不受具体的限制，可根据实际需求进行选择。正极集流体通常可以为层体，正极集流体通常是可以汇集电流的结构或零件。正极集流体可以是本领域各种适用于作为电化学储能装置正极集流体的材料。例如，正极集流体可以是包括但不限于金属箔，更具体可以是包括但不限于镍箔、铝箔。
锂离子电池的隔离膜可以是本领域各种适用于锂离子电池隔离膜的材料，例如，可以是包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、芳纶、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚酰亚胺，聚酰胺、聚酯和天然纤维中的一种或多种的组合。
制备所述锂离子电池的方法对于本领域技术人员来说应该是已知的，例如，所述正极极片、隔离膜和负极极片各自都可以是层体，从而可以裁剪成目标尺寸后依次叠放，还可以卷绕至目标尺寸，以用于形成电芯，并可以进一步与电解液结合以形成锂离子电池。
图5示出了根据本申请一具体实施方式的锂离子电池的立体图，图6是图5所示锂离子电池的分解图。参看图5和图6，根据本申请的锂离子电池5(以下简称电池单体5)包括外包装51、电极组件52、顶盖组件53和电解液(未示出)。其中电极组件52收容于壳体51内，电极组件52的数量不受限制，可以为一个或多个。
需要说明的是，图5所示的电池单体5为罐型电池，但本申请并不限于此，电池单体5可以是袋型电池，即壳体51由金属塑膜替代且取消顶盖组件53。
电池模组
本申请的第二方面提供一种电池模组，其包括本申请第一方面所述的锂离子电池。在一些实施方式中，所述锂离子电池可以组装成电池模组，电池模组所含的锂离子电池的数量可以为多个，具体数量可根据电池模组的应用和容量来调节。图7是作为一个示例的电池模组4的立体图。参照图7，在电池模组4中，多个锂离子电池5可以是沿电池模组4的长度方向依次排列设置。当然，也可以按照其他任意的方式进行排布。进一步可以通过紧固件将该多个锂离子电池5进行固定。可选地，电池模组4还可以包括具有容纳空间的壳体，多个锂离子电池5容纳于该容纳空间。
电池包
本申请的第三方面提供一种电池包，其包括本申请第二方面所述的电池模组。在一些实施方式中，上述电池模组可以组装成电池包，电池包所含电池模组的数量可以根据电池包的应用和容量进行调节。图8是作为一个示例的电池包1的立体图，图9是图8所示电池包的分解图。参照图8和图9，在电池包1中可以包括电池箱和设置于电池箱中的多个电池模组4。电池箱包括上箱体2和下箱体3，上箱体2能够盖设于下箱体3，并形成用于容纳电池模组4的封闭空间。多个电池模组4可以按照任意的方式排布于电池箱中。
用电装置
本申请的第四方面提供一种用电装置，其包括本申请第一方面所述的锂离子电池或本申请第二方面所述的电池模组或本申请第三方面所述的电池包。所述锂离子电池、或所述电池模组、或所述电池包可用作所述用电装置的电源或所述用电装置的能量存储单元。所述用电装置可以但不限于是移动设备(例如手机、笔记本电脑等)、电动车辆(例如纯电动车、混合动力电动车、插电式混合动力电动车、电动自行车、电动踏板车、电动高尔夫球车、电动卡车等)、电气列车、船舶及卫星、储能系统等。
所述用电装置可以根据其使用需求来选择锂离子电池、电池模组或电池包。
图10示出了根据本申请一具体实施方式的用电装置的示意图。该用电装置可以为纯电动车、混合动力电动车、或插电式混合动力电动车等。为了满足该用电装置对锂离子电池的高功率和高能量密度的需求，可以采用电池包或电池模组。
作为另一个示例的用电装置可以是手机、平板电脑、笔记本电脑等。该用电装置通常要求轻薄化，可以采用本申请的锂离子电池作为电源。
下面结合具体实施例，进一步阐述本申请。应理解，下文的示例性实施例仅用于举例说明，并非对本申请进行限定。除非另有声明，实施例中使用的所有试剂都可商购或按照常规方法进行合成获得，并且可直接使用而无需进一步处理。实施例中未注明的实验条件采用常规条件、或采用材料供应商或设备供应商推荐的条件。
实施例1～25
按照下述方法以及表1具体参数制备本申请的实施例1～25。
(1)电解液的制备
在干燥房中准备有机溶剂，然后向该有机溶剂中加入电解质锂盐、式(I-1)所示添加剂、正极牺牲型添加剂，混合均匀后，即得到电解液。
(2)正极极片的制备
将正极活性材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523)、导电剂炭黑(SuperP)、粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)按质量比96.2:2.7:1.1在适量的溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)中混合均匀，得到正极浆料，将正极浆料涂布于正极集流体铝箔上，通过烘干、冷压、分条、裁切等工序，得到正极极片。
(3)负极极片的制备
将负极活性材料人造石墨、导电剂炭黑(SuperP)、粘结剂丁苯橡胶(SBR)和羧甲基纤维素钠(CMC-Na)按质量比96.4:0.7:1.8:1.1在适量的溶剂去离子水中混合均匀，得到负极浆料，将负极浆料涂布于负极集流体铜箔上，通过烘干、冷压、分条、裁切等工序，得到负极极片。
(4)隔离膜
采用12μm的PP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、负极极片之间起到隔离的作用，然后卷绕得到电极组件；将电极组件置于外包装中，将上述制备好的电解液注入到干燥后的电池中，经过真空封装、静置、化成、整形等工序，获得锂离子电池。
对比例1～2
对比例1和2与实施例3的区别仅在于，在电解液中添加的式(I)所示添加剂的质量百分含量与负极活性材料比表面积之比与实施例1存在区别。对比例1～2的制备步骤参考实施例1～25。
电解液及锂离子电池的性能测试
(1)锂离子电池的低温循环性能检测
在10℃下，将电池以0.3C恒流充电至4.25V，再以4.25V恒定电压充电至电流为0.05C，搁置5分钟，再以0.5C恒流放电至2.5V，所得容量记为初始容量C0。对上述同一个电池重复以上步骤，并同时开始计数，记录循环第300次后电池的放电容量C300，则循环300次后电池循环容量保持率＝C300/C0*100％。
(2)锂离子电池的高温循环性能检测
在60℃下，将电池以1C恒流充电至4.25V，再以4.25V恒定电压充电至电流为0.05C，搁置5分钟，再以1C恒流放电至2.5V，所得容量记为初始容量C0。对上述同一个电池重复以上步骤，并同时开始计数，记录循环第300次后电池的放电容量C300，则循环300次后电池循环容量保持率＝C300/C0*100％。
(3)锂离子二次电池60℃存储测试
在60℃下，将锂离子二次电池以0.5C恒流充电至4.35V，再恒压充电至电流为0.05C，此时测试锂离子二次电池的厚度并记为h0；之后将锂离子二次电池放入60℃的恒温箱，储存30天后取出，测试此时锂离子二次电池的厚度并记为h1。锂离子二次电池存储30天后的厚度膨胀率＝[(h1-h0)/h0]×100％。
(4)锂离子电池的功率检测
在25℃下，将上述锂离子电池以1C的充电倍率充电到4.25V，随后恒压充电到电流小于0.05C，然后1C放电倍率下放电30分钟，此时电池的SOC为50％，此时电压记为V1；随后以4C的放电倍率(4C下对应的电流为I)放电30秒，此时电压记为V2，计算锂离子电池的初始放电DCR(直流电阻，DirectiveCurrentResistance)，DCR＝(V1-V2)/I。
检测结果
实施例1～25、对比例1～2的电解液及锂离子电池的组成参数和检测结果如表1所示。
表1
Figure BDA0003289545320000171
实施例1～5、对比例1～2示出了式(I)添加剂的质量百分含量与负极活性材料的比表面积的比值对锂离子电池性能的影响。当W0/X1的比值过大，电解液中式(I)添加剂的含量相对过多，负极的比表面积相对较小，这会导致在负极表面形成的保护膜太厚，造成锂离子传输的困难，进而不利于电池的功率性能和循环性能的提升。当W0/X1的比值过小时，电解液中式(I)添加剂的含量太少，导致锂离子电池负极表面不足以形成均匀稳定的界面膜，对负极的保护不够充足，难以抑制溶剂在负极表面的还原，无法有效提升锂离子电池的功率性能和循环性能。
实施例3、6～9示出了锂离子电池正极活性材料的比表面积与式(I)所示添加剂的的质量百分含量的比值对锂离子电池性能的影响。当X2/W0过大时，正极活性材料相对较多，式(I)添加剂含量相对较少，此时正极的反应界面较大，对式(I)添加剂的消耗比较大，使得式(I)添加剂过多地在正极表面被消耗，不利于其在负极的成膜反应的进行。当X2/W0过小时，正极活性材料相对较少，式(I)添加剂含量相对较多，由于式(I)添加剂自身的耐氧化性较弱，过量的式(I)添加剂对电解液的粘度和电导率、对锂离子电池的存储性能和功率性能都有不利影响。
实施例3、10～13示出了式(I)添加剂在电解液中的质量百分含量对锂离子电池性能的影响。当式(I)所示添加剂在电解液中的添加量过小时，不足以在锂离子电池的负极表面形成稳定的界面膜；而当式(I)所示添加剂在电解液中的添加量过大时，可一定程度加重锂离子电池的产气；不仅如此，式(I)所示添加剂还会提高电解液的粘度，从而影响电解液的电导率。当式(I)所示添加剂式(I)所示添加剂在电解液中的质量百分含量W0％为0.1％～2％；可选的为W0％为0.3％～1％时，该添加剂基本在锂离子电池的负极先行被消耗，足以形成均匀稳定的界面膜，对负极形成保护，充分发挥其改善锂离子电池的循环性能和功率性能的作用；同时也不对电解液的电导率等产生明显的不利影响。
实施例3、14～17示出了电解质锂盐在电解液中的质量百分含量对锂离子电池性能的影响。式(I)添加剂的加入，对电解液的粘度有所提高，因而不利于电解液的电导率，并可进一步影响锂离子电池的动力学特性；而电解液中的电解质锂盐可以提高电解液的电导率，并可以降低浓差极化。实施例3、16～17中电解质锂盐在电解液中的质量百分含量在较合理范围内，因而锂离子电池的功率性能和循环性能也是较佳的。
实施例18～22示出了正极牺牲型添加剂在电解液中的质量百分含量锂离子电池性能的影响。式(I)添加剂可在锂离子电池的负极表面优先成膜，从而提高电池的功率性能、循环性能和使用寿命，但其会在一定程度上加重存储产气。正极牺牲型添加剂的添加恰恰可以弥补式(I)添加剂的上述不足，优先在正极表面成膜，从而改善锂离子电池的存储产气。实施例19～29中正极牺牲型添加剂的含量在较优范围内，在保证锂离子电池较优的循环性能、功率性能和存储性能。
实施例23～25示出了使用本申请所提供范围内的不同具体结构的式(I)添加剂和正极牺牲型添加剂的例子，这些例子表明，这些不同具体结构的式(I)添加剂和正极牺牲型添加剂均能实现本申请的技术效果。
根据上述说明书的揭示和教导，本领域技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本申请并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本申请的一些修改和变更也应当落入本申请的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本申请构成任何限制。

Claims (12)

1.一种锂离子电池，包括正极极片、负极极片、间隔于正极极片和负极极片之间的隔离膜、电解液，其特征在于，
所述电解液包括有机溶剂、溶解在所述有机溶剂中的电解质锂盐和式(I)所示添加剂中的一种或几种，
Figure FDA0003289545310000011
其中，R选自K、Li、Na、Rb或Cs，R1选自C1-C10烷基；
所述式(I)所示添加剂在所述电解液中的质量百分含量记为W0％；
所述负极极片包括负极集流体和设置在所述负极集流体至少一个表面的负极活性物质层，所述负极活性物质层中的负极活性材料的比表面积记为X1，单位为m2/g；满足：W0/X1为0.1～10；可选的，W0/X1为0.2～4。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极极片包括正极集流体和设置在所述正极集流体至少一个表面的正极活性物质层，所述正极活性物质层中的正极活性材料的比表面积记为X2，单位为m2/g，满足：
X2/W0为0.4～5；可选的，X2/W0为0.6～3。
3.根据权利要求1或2所述的锂离子电池，其特征在于，所述式(I)所示添加剂在所述电解液中的质量百分含量W0％为0.1％～2％；可选的，W0％为0.3％～1％。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述R为K，所述R1为甲基。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述电解质锂盐在所述电解液中的质量百分含量记为W1％，满足：W1≥5W0。
6.根据权利要求1至5任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述电解质锂盐在所述电解液中的质量百分含量W1％为10％～15％。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述电解液还包括正极牺牲型添加剂，所述正极牺牲型添加剂的氧化电位低于4.5V；可选的，所述正极牺牲型添加剂的氧化电位低于4.3V。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极牺牲型添加剂选自式(II)～式(IV)之一所示的化合物：
Figure FDA0003289545310000021
其中，R2选自被C1-C9烷基取代的碳原子或亚烷基。
9.根据权利要求7或8所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极牺牲型添加剂在所述电解液中的质量百分含量记为W2％，满足：0.5≤W2≤4；
可选地，W2≤3W0；
进一步可选地，W2≤2W0。
10.一种电池模组，其特征在于，包括根据权利要求1至9中任一项所述的锂离子电池。
11.一种电池包，其特征在于，包括根据权利要求1至9中任一项所述的锂离子电池或根据权利要求10所述的电池模组。
12.一种用电装置，其特征在于，包括根据权利要求1至9中任一项所述的锂离子电池、或根据权利要求10所述的电池模组、或根据权利要求11所述的电池包，所述锂离子电池或所述电池模组或所述电池包用作所述用电装置的电源或所述用电装置的能量存储单元。
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