CN116404256B

CN116404256B - 电解液、电池单体、电池和用电设备

Info

Publication number: CN116404256B
Application number: CN202310637300.XA
Authority: CN
Inventors: 梁加浩
Original assignee: Contemporary Amperex Technology Co Ltd
Current assignee: Contemporary Amperex Technology Co Ltd
Priority date: 2023-05-31
Filing date: 2023-05-31
Publication date: 2023-10-27
Anticipated expiration: 2043-05-31
Also published as: CN116404256A

Abstract

本申请提供一种电解液、电池单体、电池和用电设备，其中电解液，包括：多功能添加剂，所述多功能添加剂的化学通式为X^m+ _nY^n‑ _m，其中，X^m+表示多功能添加剂包含的阳离子，m表示所述阳离子的化合价，选自1、2、3或4，所述X^m+的含水络合状态的电荷强度的标度值ξ满足：0＜ξ≤4；Y^n‑表示多功能添加剂包含的阴离子，n表示所述阴离子的化合价，选自1、2、3或4，所述Y^n‑的共轭酸HY^(n‑1)‑的pKa值大于HF的pKa值。使用该电解液的电池中HF含量更低，电池正负极更加稳定，能有效改善电池的循环性能。

Description

电解液、电池单体、电池和用电设备

技术领域

本申请涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种电解液、电池单体、电池和用电设备。

背景技术

电池单体具有工作性能可靠，以及无污染、无记忆效应等优点，因而被广泛应用。例如，随着环境保护问题日益受到重视，新能源汽车日益普及，动力型电池单体的需求将呈现爆发式增长。

随着电池应用范围越来越广泛，对电池性能的要求越来越高。但是电池单体中的含氟化合物在循环过程中会产生HF，会导致正极活性材料破坏，金属离子溶出并在负极沉积，使电池的电性能降低。因此需要改善电池的循环性能。

发明内容

本申请提供了一种电解液、电池单体、电池和用电设备，能够有效改善电池的循环性能。

第一方面，本申请提供了一种电解液，包括：多功能添加剂，所述多功能添加剂的化学通式为X^m+ _nY^n- _m，其中，X^m+表示多功能添加剂包含的阳离子，m表示所述阳离子的化合价，选自1、2、3或4，所述X^m+的含水络合状态的电荷强度的标度值ξ满足：0＜ξ≤4；Y^n-表示多功能添加剂包含的阴离子，n表示所述阴离子的化合价，选自1、2、3或4，所述Y^n-的共轭酸HY⁽ⁿ ^-1)-的pKa值大于HF的pKa值。

根据本申请，提供的电解液中包括多功能添加剂，其可在电解液中电离得到X^m+和Y^n-，其中X^m+与电解液中的水分子具有较好的络合作用，即可以减少电解液中自由水含量，从而可以减少HF的产生，同时，Y^n-的共轭酸HY^(n-1)-的pKa值大于HF的pKa值，即Y^n-可与HF反应生成HY^(n-1)-，降低电解液中HF的浓度，由此上述多功能添加剂从两方面协同降低电解液中HF的含量，减少其对电池正负极的影响，有效改善电池的循环性能。

在一些实施方式中，所述X^m+的含水络合状态的电荷强度的标度值ξ为1.5~3.5。此时X^m+与电解液中的水分子有较好的络合作用，且可形成更稳定的负极固态电解质膜（SEI膜），电池的循环性能更好。

在一些实施方式中，所述X^m+包括含吡咯环的有机阳离子、含咪唑环的有机阳离子、含吡啶环的有机阳离子中的至少一种。此时上述有机阳离子在电解液中可稳定存在，不会在循环过程中发生副反应，由此提高电池的循环性能。

在一些实施方式中，所述X^m+包括含吡咯环的有机阳离子，所述含吡咯环的有机阳离子包括1-甲基-1-丁基吡咯烷阳离子、N-甲基-N-丙基吡咯阳离子、N-甲基-N-丁基吡咯阳离子中的至少一种。含吡咯环的有机阳离子由于取代的不对称性具有较低的熔点，在电解液中更易电离，可提高电解液的离子电导率，且能提高电解液中X^m+和Y^n-的浓度，电池的循环性能更好。

在一些实施方式中，所述X^m+包括含咪唑环的有机阳离子，所述含咪唑环的有机阳离子包括1,3-二羧甲基咪唑阳离子、1-乙基-2，3-二甲基咪唑阳离子、2，3-二羧酸咪唑阳离子、1-丁基-3-甲基咪唑阳离子中的至少一种。含咪唑环的有机阳离子可以有效降低电解液在隔离膜上的接触角，促进电解液对隔离膜的润湿，由此可使电池的循环性能更好。

在一些实施方式中，所述Y^n-包括有机酸根和/或无机酸根，所述有机酸根包括饱和羧酸根、不饱和羧酸根、酚酸根中的至少一种，所述无机酸根包括含碳无机酸根、含硫无机酸根、含氯无机酸根、含硅无机酸根、含磷无机酸根、含硼无机酸根中的至少一种。上述酸根离子均可有效减少电解液中HF的含量，改善电池的循环性能。

在一些实施方式中，所述Y^n-包括CH₃COO^-、CH₃CH₂COO^-、C₆H₅O^-、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-、HS^-、S^2-、ClO^-、HSiO₃ ^-、SiO₃ ^2-、PO₃ ^2-、PO₄ ^3-、HPO₄ ^2-、P₂O₇ ^4-、HP₂O₇ ^3-、H₂BO₃ ^-、CN^-中的至少一种。上述阴离子均可有效减少电解液中HF的含量，改善电池的循环性能。

在一些实施方式中，所述Y^n-包括含硅无机酸根、含磷无机酸根、含硼无机酸根中的至少一种。含硅无机酸根、含磷无机酸根、含硼无机酸根除可以降低电解液中HF的含量外，还能参与SEI膜的形成，提高SEI膜中无机组分的含量，SEI膜的稳定性更好，进一步提高电池的循环性能。

在一些实施方式中，所述Y^n-包括HSiO₃ ^-、SiO₃ ^2-、PO₃ ^2-、PO₄ ^3-、HPO₄ ^2-、P₂O₇ ^4-、HP₂O₇ ^3-、H₂BO₃ ^-中的至少一种。上述阴离子可有效降低电解液中HF的含量，且能形成稳定的SEI膜，有效提高电池的循环性能。

在一些实施方式中，所述多功能添加剂在所述电解液中的质量百分含量为0.05%~3%。此时电解液中HF含量较低，且能形成稳定的固态电解质膜，电池具有较好的循环性能。

第二方面，本申请提供了一种电池单体，包括第一方面任一实施方式所述的电解液。

第三方面，本申请提供了一种电池，包括第二方面任一实施方式所述的电池单体。

第四方面，本申请提供了一种用电装置，包括选自第二方面任一实施方式所述的电池单体或第三方面任一实施方式所述的电池中的至少一种。

本申请通过提供一种电解液，可以有效降低电解液中HF的含量，从而提高电池循环过程中正负极的稳定性，可使电池具有良好的循环性能。

附图说明

图1是本申请一实施方式的电池单体的示意图。

图2是图1所示的本申请一实施方式的电池单体的分解图。

图3是本申请一实施方式的电池模块的示意图。

图4是本申请一实施方式的电池的示意图。

图5是图4所示的本申请一实施方式的电池的分解图。

图6是本申请一实施方式的电池单体用作电源的用电装置的示意图。

附图标记说明：

1电池；2上箱体；3下箱体；4电池模块；5电池单体；51壳体；52电极组件；53顶盖组件。

具体实施方式

以下，适当地参照附图详细说明具体公开了本申请的电解液、电池单体、电池和用电设备的实施方式。但是会有省略不必要的详细说明的情况。例如，有省略对已众所周知的事项的详细说明、实际相同结构的重复说明的情况。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长，便于本领域技术人员的理解。此外，附图及以下说明是为了本领域技术人员充分理解本申请而提供的，并不旨在限定权利要求书所记载的主题。

本申请所公开的“范围”以下限和上限的形式来限定，给定范围是通过选定一个下限和一个上限进行限定的，选定的下限和上限限定了特别范围的边界。这种方式进行限定的范围可以是包括端值或不包括端值的，并且可以进行任意地组合，即任何下限可以与任何上限组合形成一个范围。例如，如果针对特定参数列出了60~120和80~110的范围，理解为60~110和80~120的范围也是预料到的。此外，如果列出的最小范围值1和2，和如果列出了最大范围值3，4和5，则下面的范围可全部预料到：1~3、1~4、1~5、2~3、2~4和2~5。在本申请中，除非有其他说明，数值范围“a~b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示，其中a和b都是实数。例如数值范围“0~5”表示本文中已经全部列出了“0~5”之间的全部实数，“0~5”只是这些数值组合的缩略表示。另外，当表述某个参数为≥2的整数，则相当于公开了该参数为例如整数2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12等。

如果没有特别的说明，本申请的所有实施方式以及可选实施方式可以相互组合形成新的技术方案。

如果没有特别的说明，本申请的所有技术特征以及可选技术特征可以相互组合形成新的技术方案。

如果没有特别的说明，本申请的所有步骤可以顺序进行，也可以随机进行，优选是顺序进行的。例如，所述方法包括步骤(a)和(b)，表示所述方法可包括顺序进行的步骤(a)和(b)，也可以包括顺序进行的步骤(b)和(a)。例如，所述提到所述方法还可包括步骤(c)，表示步骤(c)可以任意顺序加入到所述方法，例如，所述方法可以包括步骤(a)、(b)和(c)，也可包括步骤(a)、(c)和(b)，也可以包括步骤(c)、(a)和(b)等。

如果没有特别的说明，本申请所提到的“包括”和“包含”表示开放式，也可以是封闭式。例如，所述“包括”和“包含”可以表示还可以包括或包含没有列出的其他组分，也可以仅包括或包含列出的组分。

如果没有特别的说明，在本申请中，术语“或”是包括性的。举例来说，短语“A或B”表示“A，B，或A和B两者”。更具体地，以下任一条件均满足条件“A或B”：A为真（或存在）并且B为假（或不存在）；A为假（或不存在）而B为真（或存在）；或A和B都为真（或存在）。

如上文中背景技术中所述，随着电池应用范围越来越广泛，对电池性能的要求越来越高。在电池循环过程中，电池单体中添加的氟化物可能会产生氟化氢进入电解液中，这一过程包括但不限于如电解液中含氟电解质盐（六氟磷酸锂等）、电极极片中使用的含氟粘结剂（聚偏氟乙烯等）在电池循环过程中会生成氟化氢，而氟化氢会破坏正极活性材料的结构，导致正极活性材料的部分金属元素溶出，导致正极的结构被破坏，另外，溶出的金属元素会在负极析出沉积，因此还会进一步破坏负极，导致电池的循环性能出现降低。

针对这些问题，一般可通过减少电池单体中氟化物的添加或提高正极活性材料稳定性的方法以缓解上述问题，而由于电池单体中氟化物具有较多优点，以锂离子电池为例，电解液中常使用六氟磷酸锂作为电解质盐，这是由于其容易在有机溶剂中解离，且能够参与SEI膜的形成，使SEI膜中具有LiF、氟磷酸锂等组分，提高SEI膜的稳定性，因此短期内也无法使用不含氟的电解质盐代替；另外提高正极活性材料稳定性的方法相对复杂，且效果并不明显，并不能有效解决上述问题。

基于此，本申请提供了一种电解液，通过在电解液中添加多功能添加剂，该添加剂可有效降低电解液中HF的含量，由此减少HF对电池正负极的影响，可以有效改善电池的循环性能。

另外需要说明的是，本申请上下文中的电池单体、电池均包括但不限于锂电池、钠电池、镁电池等。

电解液

第一方面，本申请提供了一种电解液，包括：多功能添加剂，多功能添加剂的化学通式为X^m+ _nY^n- _m，其中，X^m+表示多功能添加剂包含的阳离子，m表示阳离子的化合价，选自1、2、3或4，所述X^m+的含水络合状态的电荷强度的标度值ξ满足：0＜ξ≤4；Y^n-表示多功能添加剂包含的阴离子，n表示阴离子的化合价，选自1、2、3或4，Y^n-的共轭酸HY^(n-1)-的pKa值大于HF的pKa值。

根据本申请，提供的电解液中包括多功能添加剂，其可在电解液中电离得到X^m+和Y^n-，其中X^m+表示多功能添加剂包含的阳离子，m表示阳离子的化合价，选自1、2、3或4，X^m+的含水络合状态的电荷强度的标度值ξ满足：0＜ξ≤4。需要说明的是，ξ是指在25℃、一个标准大气压下X^m+的含水络合状态的电荷强度的标度值，ξ具有本领域公知的含义，确定种类的X^m ⁺具有确定的ξ，可以通过查表或计算得到，ξ=(x)×m/r，其中(x)表示X^m+的电负性，电负性具有本领域公知的含义，可基于氟原子的电负性为4进行测定计算，m即表示X^m+的化合价，r nm表示X^m+的水合半径，X^m+的水合半径具有本领域公知的含义，即X^m+在水中所表现出的离子半径，可根据已知的方法进行测定。

ξ可以表示X^m+与水分子结合的能力，如X^m+的电负性越大、化合价越高即所带电荷量越大、水合半径越小，X^m+越容易与水分子结合形成稳定的含水络合阳离子，即可以有效降低电解液中自由水的含量，进而可以抑制电解液中含氟电解质盐的水解（例如，六氟磷酸锂水解：LiPF₆+H₂O→POF₃↑+HF+LiF↓），从而减少HF产生，从而保护电池的正负极，改善电池的循环性能。

同时本申请限定了ξ满足：0＜ξ≤4，ξ大于0即表示阳离子具有一定结合自由水分子的能力，从而抑制电解液中含氟电解质盐的水解，另外ξ应不超过4，这是由于电解液中痕量的自由水可以参与SEI膜的形成，提高SEI膜的稳定性，对电池的循环性能具有一定正向的影响，因此若ξ过高，可能反而会影响SEI膜的稳定性，对电池的循环性能有不利影响。本申请中X^m+可以是ξ满足：0＜ξ≤4的任意种类的阳离子。例如，X^m+的ξ可以是0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0，1.1，1.2，1.3，1.4，1.5，1.6，1.7，1.8，1.9，2.0，2.1，2.2，2.3，2.4，2.5，2.6，2.7，2.8，2.9，3.0，3.1，3.2，3.3，3.4，3.5，3.6，3.7，3.8，3.9，4，或上述任意数值所组成的范围内。

另一方面，Y^n-表示多功能添加剂包含的阴离子，n表示阴离子的化合价，选自1、2、3或4，Y^n-的共轭酸HY^(n-1)-的pKa值大于HF的pKa值。需要说明的是，在本申请的上下文中，除特殊说明外，pKa值表示酸在25℃下的离解常数，pKa值具有本领域公知的含义，可以代表酸离解氢离子能力，pKa值越大，对应酸的酸性越弱，pKa值可通过现有技术中已知的方法和仪器进行测试计算。Y^n-的共轭酸HY^(n-1)-的pKa值大于HF的pKa值，即根据强酸制弱酸的原理，电解液中Y^n-可与电解液中HF发生置换反应，即Y^n-+HF→HY^(n-1)-+F^-，从而可以减少电解液中HF的含量，从而保护电池的正负极，改善电池的循环性能。例如，HF的pKa值为3.18，Y^n-的共轭酸HY^(n-1)-的pKa值可以是3.3，3.4，3.5，3.6，3.8，4.0，4.5，5，5.5，6，6.5，7，7.5，8，8.5，9，或上述任意数值所组成的范围内，作为一个示例的，CH₃COO^-的共轭酸CH₃COOH的pKa值为4.74。需要说明的是，酸在25℃下的离解常数（即pKa值）理论上是固定的常数，而在测定过程中可能存在部分误差，因此本申请中对Y^n-的共轭酸HY^(n-1)-的pKa值具体数值不做限定，即在同种测试条件下，大于HF的pKa值即可，在本申请上下文中列举出的部分Y^n-的共轭酸HY^(n-1)-的pKa值只是示例性的。

另外需要说明的是，X^m+、Y^n-具有协同降低电解液中HF含量的效果，可以理解的是，随着Y^n-+HF→HY^(n-1)-+F^-反应的进行，电解液中HF的含量逐渐降低，会促进含氟电解质盐的水解，影响Y^n-发挥降低电解液中HF含量的作用，而在X^m+存在的条件下，通过减少电解质中自由水的含量，能够有效抑制水解的速率，由此两者协同，可以有效降低电解液中HF的含量，从而改善电池的循环性能。

需要说明的是，化学通式中X^m+ _nY^n- _m并不限于一种阳离子或一种阴离子，也可以包括多种满足上述要求的阳离子或阴离子，只需满足阴离子和阳离子的电荷平衡即可；即代表多功能添加剂也不限于是单一种类化合物，也可以是多种化合物的混合。作为一个示例的，多功能添加剂的化学通式可以为Na⁺K⁺(CH₃COO^-)₂，即表示多功能添加剂可以是摩尔比为1:1的醋酸钠和醋酸钾的混合物。

在一些实施方式中，X^m+的含水络合状态的电荷强度的标度值ξ为1.5~3.5。

在上述一些实施方式中，对X^m+的含水络合状态的电荷强度的标度值ξ进行了进一步限定，此时X^m+与电解液中的水分子有更好的络合作用，可更加有效降低电解液中自由水的含量，更好地抑制含氟电解质盐的水解，且不会影响SEI膜的形成，从而使电池的循环性能更好。

在一些实施方式中，X^m+包括含吡咯环的有机阳离子、含咪唑环的有机阳离子、含吡啶环的有机阳离子中的至少一种。

在上述一些实施例中，进一步限定了X^m+可以包括含吡咯环的有机阳离子、含咪唑环的有机阳离子、含吡啶环的有机阳离子中的至少一种，这些环状的有机阳离子能够在电池循环过程中稳定存在，相较于部分金属离子更加稳定，不易在电池循环过程中发生副反应，除发挥降低电解液中自由水的含量外，不会对电池循环产生其他不良影响，此时可以适当提高多功能添加剂在电解液中的添加量，从而进一步提高电池的循环性能。

在一些实施方式中，X^m+包括含吡咯环的有机阳离子，所述含吡咯环的有机阳离子包括1-甲基-1-丁基吡咯烷阳离子、N-甲基-N-丙基吡咯阳离子、N-甲基-N-丁基吡咯阳离子中的至少一种。

在上述一些实施例中，进一步限定了X^m+可以包括含吡咯环的有机阳离子，并列举了几种本领域常用的含吡咯环的有机阳离子，需要说明的是，含吡咯环的有机阳离子包括但不限于上述几种，本领域技术人员可以根据实际需要选择本领域已知的含吡咯环的有机阳离子。含吡咯环的有机阳离子由于取代的不对称性具有较低的熔点，在电解液中更易电离，可提高电解液的离子电导率；另外可以理解的是，多功能添加剂是通过在电解液中电离出X^m+和Y^n-，从而得到上文中有益效果，因此X^m+包括含吡咯环的有机阳离子时，能有效提高电解液中X^m+和Y^n-的浓度，进而可进一步降低电解液中HF的含量，使电池的循环性能更好。

在一些实施方式中，X^m+包括含咪唑环的有机阳离子，含咪唑环的有机阳离子包括1,3-二羧甲基咪唑阳离子、1-乙基-2，3-二甲基咪唑阳离子、2，3-二羧酸咪唑阳离子、1-丁基-3-甲基咪唑阳离子中的至少一种。

在上述一些实施例中，进一步限定了X^m+可以包括咪唑环的有机阳离子，并列举了几种本领域常用的咪唑环的有机阳离子，需要说明的是，咪唑环的有机阳离子包括但不限于上述几种，本领域技术人员可以根据实际需要选择本领域已知的咪唑环的有机阳离子。含咪唑环的有机阳离子除了可以有效络合电解液中自由水，抑制含氟电解质盐的水解外，还可以有效降低电解液在隔离膜上的接触角，从而促进电解液对隔离膜的润湿，可有效提高离子电导率，减少电池在充放电过程中的极化，进而使电池的循环性能更好。

在一些实施方式中，Y^n-包括有机酸根和/或无机酸根，有机酸根包括饱和羧酸根、不饱和羧酸根、酚酸根中的至少一种，无机酸根包括含碳无机酸根、含硫无机酸根、含氯无机酸根、含硅无机酸根、含磷无机酸根、含硼无机酸根中的至少一种。

在上述一些实施例中，具体列举了Y^n-可以包括的几种类型，可以是有机酸根和/无机酸根，可以理解的是，Y^n-通过强酸制弱酸的原理减少电解液中HF的含量，其反应程度与Y^n-的共轭酸HY^(n-1)-的pKa值与HF的pKa值的差值相关，差值越大，Y^n-+HF→HY^(n-1)-+F^-反应越充分，电解液中HF的含量越少，Y^n-的具体结构对电解液中HF的含量影响不大，无论Y^n-是有机酸根还是无机酸根，只要Y^n-的共轭酸HY^(n-1)-的pKa值大于HF的pKa值，均可有效减少电解液中HF的含量，改善电池的循环性能。

由此，优选的，Y^n-的共轭酸HY^(n-1)-的pKa值与HF的pKa值差值可以不小于1，因此电解液中HF的含量越少，电池正负极的稳定性越高，电池的循环性能更好。

在一些实施方式中，Y^n-包括CH₃COO^-、CH₃CH₂COO^-、C₆H₅O^-、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-、HS^-、S^2-、ClO^-、HSiO₃ ^-、SiO₃ ^2-、PO₃ ^2-、PO₄ ^3-、HPO₄ ^2-、P₂O₇ ^4-、HP₂O₇ ^3-、H₂BO₃ ^-、CN^-中的至少一种。

在上述一些实施例中，具体列举了一些本领域常见的有机酸根和无机酸根，上述阴离子均可有效减少电解液中HF的含量，改善电池的循环性能。需要说明的是，Y^n-并不限于上述几种酸根离子，本领域技术人员可以根据需要选择现有技术中已知的阴离子。

在一些实施方式中，Y^n-包括含硅无机酸根、含磷无机酸根、含硼无机酸根中的至少一种。

在上述一些实施例中，进一步限定了Y^n-可以包括含硅无机酸根、含磷无机酸根、含硼无机酸根中的至少一种，含硅无机酸根、含磷无机酸根、含硼无机酸根除可以降低电解液中HF的含量外，还能参与SEI膜的形成，提高SEI膜中无机组分的含量，使SEI膜的稳定性更好，稳定负极和电解液的界面，提高离子电导率，从而可以进一步提高电池的循环性能。

在一些实施方式中，Y^n-包括HSiO₃ ^-、SiO₃ ^2-、PO₃ ^2-、PO₄ ^3-、HPO₄ ^2-、P₂O₇ ^4-、HP₂O₇ ^3-、H₂BO₃ ^-中的至少一种。

在上述一些实施例中，具体列举了几种本领域常见的含硅无机酸根、含磷无机酸根、含硼无机酸根，上述阴离子可有效降低电解液中HF的含量，且能形成稳定的SEI膜，有效提高电池的循环性能。需要说明的是，含硅无机酸根、含磷无机酸根、含硼无机酸根并不限于上述几种，本领域技术人员可以根据需要选择现有技术中已知的含硅无机酸根、含磷无机酸根、含硼无机酸根。

在一些实施方式中，多功能添加剂在电解液中的质量百分含量为0.05%~3%。

在上述一些实施例中，对多功能添加剂在电解液中的质量百分含量进行了进一步限定，多功能添加剂在电解液中的质量百分含量可以为0.05%~3%，此时多功能添加剂在电解液中的电离程度较高，能有有效降低电解液中HF含量的同时，对电解液的离子电导率影响较小，且此时电解液中痕量的自由水能够SEI膜形成，提高SEI膜的稳定性，从而提高电池正负极的稳定性，提高电池的循环性能。例如，功能添加剂在电解液中的质量百分含量可以为0.05%，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，0.6%，0.7%，0.8%，0.9%，1.0%，1.1%，1.2%，1.3%，1.4%，1.5%，1.6%，1.7%，1.8%，1.9%，2.0%，2.1%，2.2%，2.3%，2.4%，2.5%，2.6%，2.7%，2.8%，2.9%，3.0%，或上述任意数值所组成的范围内。优选的，多功能添加剂在电解液中的质量百分含量可以为0.5%~2.5%。

在本申请中，对多功能添加剂的来源或制备方法不做进一步限定，可以直接通过商业途径购买，或使用已知的方法自制得到，例如可以通过酸碱中和或季铵化反应直接合成，也可通过置换除杂的方法进行制备。

在一些实施方式中，所述电解液包括电解质盐和溶剂。

在一些实施方式中，电解质盐可选自六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂、六氟砷酸锂、双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲磺酰亚胺锂、三氟甲磺酸锂、二氟磷酸锂、二氟草酸硼酸锂、二草酸硼酸锂、二氟二草酸磷酸锂及四氟草酸磷酸锂中的至少一种。

在一些实施方式中，溶剂可选自碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二丙酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯、碳酸亚丁酯、氟代碳酸亚乙酯、甲酸甲酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、1,4-丁内酯、环丁砜、二甲砜、甲乙砜及二乙砜中的至少一种。

在一些实施方式中，所述电解液还可选地包括添加剂。例如添加剂可以包括负极成膜添加剂、正极成膜添加剂，还可以包括能够改善电池某些性能的添加剂，例如改善电池过充性能的添加剂、改善电池高温或低温性能的添加剂等。

在一些实施方式中，可以通过以下方式制备电解液：将上述用于制备电解液的组分，例如电解质盐、多功能添加剂、添加剂和任意其他的组分分散于溶剂（例如体积比为1:1:1的碳酸亚乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯）中，形成电解液。

电池单体

第二方面，本申请提供了一种电池单体，包括第一方面任一实施方式的电解液。

根据本申请，该电池单体中包括第一方面任一实施例的电解液，该电池单体具有第一方面的有益效果。

通常情况下，电池单体包括正极极片、负极极片和隔离膜。在电池充放电过程中，活性离子在正极极片和负极极片之间往返嵌入和脱出。隔离膜设置在正极极片和负极极片之间，主要起到防止正负极短路的作用，同时可以使离子通过。

[正极极片]

正极极片包括正极集流体以及设置在正极集流体至少一个表面的正极膜层，所述正极膜层包括本申请第一方面的正极活性材料。

作为示例，正极集流体具有在其自身厚度方向相对的两个表面，正极膜层设置在正极集流体相对的两个表面的其中任意一者或两者上。

在一些实施方式中，所述正极集流体可采用金属箔片或复合集流体。例如，作为金属箔片，可采用铝箔。复合集流体可包括高分子材料基层和形成于高分子材料基层至少一个表面上的金属层。复合集流体可通过将金属材料（铝、铝合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银及银合金等）形成在高分子材料基材（如聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚苯乙烯（PS）、聚乙烯（PE）等的基材）上而形成。

在一些实施方式中，正极活性材料可采用本领域公知的用于电池的正极活性材料。作为示例，正极活性材料可包括以下材料中的至少一种：橄榄石结构的含锂磷酸盐、锂过渡金属氧化物及其各自的改性化合物。但本申请并不限定于这些材料，还可以使用其他可被用作电池正极活性材料的传统材料。这些正极活性材料可以仅单独使用一种，也可以将两种以上组合使用。其中，锂过渡金属氧化物的示例可包括但不限于锂钴氧化物（如LiCoO₂）、锂镍氧化物（如LiNiO₂）、锂锰氧化物（如LiMnO₂、LiMn₂O₄）、锂镍钴氧化物、锂锰钴氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴锰氧化物（如LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂（也可以简称为NCM₃₃₃）、LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂（也可以简称为NCM₅₂₃）、LiNi_0.5Co_0.25Mn_0.25O₂（也可以简称为NCM₂₁₁）、LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂（也可以简称为NCM₆₂₂）、LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂（也可以简称为NCM₈₁₁）、锂镍钴铝氧化物（如LiNi_0.85Co_0.15Al_0.05O₂）及其改性化合物等中的至少一种。橄榄石结构的含锂磷酸盐的示例可包括但不限于磷酸铁锂（如LiFePO₄（也可以简称为LFP））、磷酸铁锂与碳的复合材料、磷酸锰锂（如LiMnPO₄）、磷酸锰锂与碳的复合材料、磷酸锰铁锂、磷酸锰铁锂与碳的复合材料中的至少一种。

在一些实施方式中，正极膜层还可选地包括粘结剂。作为示例，所述粘结剂可以包括聚偏氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯（PTFE）、偏氟乙烯-四氟乙烯-丙烯三元共聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯三元共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物及含氟丙烯酸酯树脂中的至少一种。

在一些实施方式中，正极膜层还可选地包括导电剂。作为示例，所述导电剂可以包括超导碳、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯及碳纳米纤维中的至少一种。

在一些实施方式中，可以通过以下方式制备正极极片：将上述用于制备正极极片的组分，例如正极活性材料、导电剂、粘结剂和任意其他的组分分散于溶剂（例如N-甲基吡咯烷酮）中，形成正极浆料；将正极浆料涂覆在正极集流体上，经烘干、冷压等工序后，即可得到正极极片。

[负极极片]

负极极片包括负极集流体以及设置在负极集流体至少一个表面上的负极膜层，所述负极膜层包括负极活性材料。

作为示例，负极集流体具有在其自身厚度方向相对的两个表面，负极膜层设置在负极集流体相对的两个表面中的任意一者或两者上。

在一些实施方式中，所述负极集流体可采用金属箔片或复合集流体。例如，作为金属箔片，可以采用铜箔。复合集流体可包括高分子材料基层和形成于高分子材料基材至少一个表面上的金属层。复合集流体可通过将金属材料（铜、铜合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银及银合金等）形成在高分子材料基材（如聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚苯乙烯（PS）、聚乙烯（PE）等的基材）上而形成。

在一些实施方式中，负极活性材料可采用本领域公知的用于电池的负极活性材料。作为示例，负极活性材料可包括以下材料中的至少一种：人造石墨、天然石墨、软炭、硬炭、硅基材料、锡基材料和钛酸锂等。所述硅基材料可选自单质硅、硅氧化合物、硅碳复合物、硅氮复合物以及硅合金中的至少一种。所述锡基材料可选自单质锡、锡氧化合物以及锡合金中的至少一种。但本申请并不限定于这些材料，还可以使用其他可被用作电池负极活性材料的传统材料。这些负极活性材料可以仅单独使用一种，也可以将两种以上组合使用。

在一些实施方式中，负极膜层还可选地包括粘结剂。所述粘结剂可选自丁苯橡胶（SBR）、聚丙烯酸（PAA）、聚丙烯酸钠（PAAS）、聚丙烯酰胺（PAM）、聚乙烯醇（PVA）、海藻酸钠（SA）、聚甲基丙烯酸（PMAA）及羧甲基壳聚糖（CMCS）中的至少一种。

在一些实施方式中，负极膜层还可选地包括导电剂。导电剂可选自超导碳、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯及碳纳米纤维中的至少一种。

在一些实施方式中，负极膜层还可选地包括其他助剂，例如增稠剂（如羧甲基纤维素钠（CMC-Na））等。

在一些实施方式中，可以通过以下方式制备负极极片：将上述用于制备负极极片的组分，例如负极活性材料、导电剂、粘结剂和任意其他组分分散于溶剂（例如去离子水）中，形成负极浆料；将负极浆料涂覆在负极集流体上，经烘干、冷压等工序后，即可得到负极极片。

[隔离膜]

在一些实施方式中，电池单体中还包括隔离膜。本申请对隔离膜的种类没有特别的限制，可以选用任意公知的具有良好的化学稳定性和机械稳定性的多孔结构隔离膜。

在一些实施方式中，隔离膜的材质可选自玻璃纤维、无纺布、聚乙烯、聚丙烯及聚偏二氟乙烯中的至少一种。隔离膜可以是单层薄膜，也可以是多层复合薄膜，没有特别限制。在隔离膜为多层复合薄膜时，各层的材料可以相同或不同，没有特别限制。

在一些实施方式中，正极极片、负极极片和隔离膜可通过卷绕工艺或叠片工艺制成电极组件。

在一些实施方式中，电池单体可包括外包装。该外包装可用于封装上述电极组件及电解质。

在一些实施方式中，电池单体的外包装可以是硬壳，例如硬塑料壳、铝壳、钢壳等。电池单体的外包装也可以是软包，例如袋式软包。软包的材质可以是塑料，作为塑料，可列举出聚丙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯以及聚丁二酸丁二醇酯等。

本申请对电池单体的形状没有特别的限制，其可以是圆柱形、方形或其他任意的形状。例如，图1是作为一个示例的方形结构的电池单体5。

在一些实施方式中，参照图2，外包装可包括壳体51和盖板53。其中，壳体51可包括底板和连接于底板上的侧板，底板和侧板围合形成容纳腔。壳体51具有与容纳腔连通的开口，盖板53能够盖设于所述开口，以封闭所述容纳腔。正极极片、负极极片和隔离膜可经卷绕工艺或叠片工艺形成电极组件52。电极组件52封装于所述容纳腔内。电解液浸润于电极组件52中。电池单体5所含电极组件52的数量可以为一个或多个，本领域技术人员可根据具体实际需求进行选择。

电池

第三方面，本申请提供了一种电池，包括第二方面任一实施方式的电池单体。

根据本申请，电池单体可以组装成电池，本申请一实施方式还提供一种电池，包括：箱体以及上述电池单体；电池单体容纳于箱体内。

上述电池所包含的电池单体的数量可以为一个或多个，具体数量本领域技术人员可根据电池的应用和容量进行选择。

进一步地，在上述电池中，多个电池单体以组装形成电池模组的形式存在。图3是作为一个示例的电池模块4。参照图3，在电池模块4中，多个电池单体5可以是沿电池模块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电池单体5进行固定。

可选地，电池模块4还可以包括具有容纳空间的外壳，多个电池单体5容纳于该容纳空间。

图4和图5是作为一个示例的电池1。参照图4和图5，在电池1中可以包括电池箱和设置于电池箱中的多个电池模块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块4的封闭空间。多个电池模块4可以按照任意的方式排布于电池箱中。

上述电池可以为二次电池或锂电池。

用电设备

第四方面，本申请提供了一种用电装置，包括选自第二方面任一实施方式的电池单体或第三方面任一实施方式的电池中的至少一种。

本申请还提供一种用电装置，所述用电装置包括本申请提供的电池单体或电池。所述电池单体或电池可以用作所述用电装置的电源，也可以用作所述用电装置的能量存储单元。所述用电装置可以包括移动设备（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，但不限于此。

作为所述用电装置，可以根据其使用需求来选择上述电池单体或电池。

图6是作为一个示例的用电装置。该用电装置为纯电动车、混合动力电动车、或插电式混合动力电动车等。

作为另一个示例的装置可以是手机、平板电脑、笔记本电脑等。该装置通常要求轻薄化，可以采用电池单体作为电源。

实施例

以下，说明本申请的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

测试部分

1、循环性能

在25℃下，将上述二次电池以0.33C倍率充电到4.4V后恒压充电至电流低于0.05C，然后使用0.33C倍率放电至2.5V，以这种满充满放的形式进行循环测试，直至锂离子电池的放电容量衰减至初始容量的80％SOH，记录此时的循环圈数。

2、电解液HF含量测试

在25℃下，将上述二次电池以0.33C倍率充电到4.4V后恒压充电至电流低于0.05C，然后使用0.33C倍率放电至2.5V，循环50圈后，拆解二次电池收集电解液作为待测试样。

实验中所使用的器材提前清洗干净，烘干，并在常温下（25℃左右）保持干燥；天平预热，分析天平在使用前需要提前开机预热15min左右，以减小误差。用10mL移液管，取5~7mL纯水，注入聚乙烯小塑料瓶中，盖上盖，用分析天平称量。用移液管（需要润洗）取1.5mL左右待测试样并迅速注入上述聚乙烯塑料瓶中，盖好瓶盖，用分析天平称量，两次称量的质量差即为氢氟酸试样的质量。向上述小瓶中加入50mL纯水，并滴加2~3滴酚酞指示剂。用氢氧化钠标准液（1mol/L）滴定至溶液呈现粉红色为止。

氢氟酸含量的计算为：

X=（V×c×0.02001）×100/m，

其中：X——氢氟酸的质量百分数，%，

V——试样消耗氢氧化钠标准液的体积，mL，

c——氢氧化钠标准液的浓度，mol/L，

0.02001——与1.00ml氢氧化钠标准液（1.000mol/L）相当的，以g为单位的氢氟酸的质量，

m——氢氟酸试样的质量，g。

测试10个待测试样，结果取10个结果的上下限范围。

实施例1-1

（1）电解液的制备

在25℃，将碳酸亚乙酯（EC）、碳酸甲乙酯（EMC）、碳酸二乙酯（DEC）按体积比1:1:1混合得到混合溶剂，然后将多功能添加剂、LiPF₆溶解在上述混合溶剂中，得到电解液，其中，多功能添加剂中阳离子X^m+、ξ以及阴离子Y^n-的具体种类如表1，多功能添加剂在电解液中的质量百分含量为1%，LiPF₆的浓度为1mol/L。

（2）正极极片的制备

将聚偏氟乙烯（PVDF）、磷酸铁锂（LFP）、导电剂碳黑、N-甲基吡咯烷酮（NMP）按质量比为1.2:58.38:0.42:40，充分搅拌混合均匀后制备成正极浆料。将该正极浆料均匀涂覆在正极集流体铝箔上，之后经过烘干、冷压、分切，得到正极极片。

（3）负极极片的制备

将人造石墨、导电剂乙炔黑、粘结剂丁苯橡胶（SBR）、增稠剂羧甲基纤维素钠（CMC-Na）按照质量比为96.2:1.0:1.6:1.2，加入去离子水中，充分搅拌混合均匀后制备成负极浆料（固含量为63%）。将该负极浆料涂覆在负极集流体铜箔上，之后经过烘干、冷压、分切，得到负极极片。

（4）二次电池的制备

将上述正极极片、复合隔离膜、负极极片按顺序堆叠并卷绕、冷压成型（在此期间隔膜与极片粘结），得到电芯；将电芯放入外包装中，加入上述制备的电解液，经封装、静置、化成、老化等工序后，得到二次电池。

对二次电池的循环性能和电解液HF含量进行测试，结果如表1。

实施例1-2~实施例1-17

电解液、正极极片、负极极片以及二次电池的制备与实施例1-1类似，区别仅在于：多功能添加剂中阳离子X^m+、ξ以及阴离子Y^n-的具体种类不同，具体见表1。

对比例1-1

电解液、正极极片、负极极片以及二次电池的制备与实施例1-1类似，区别仅在于：不含多功能添加剂。

表1

注：表1中“\”表示不含该参数。

根据表1，各实施例得到的二次电池的循环圈数显著高于对比例1-1，且电解液中HF含量低于对比例1-1。说明多功能添加剂能够有效降低电解液中HF的含量，提高二次电池的循环稳定性。

对比实施例1-1至实施例1-10可知，相对而言，有机阳离子相较于金属阳离子降低电解液中HF的效果更好，得到的二次电池循环性能更好；另外阳离子为含吡咯环的有机阳离子和含咪唑类的有机阳离子时，二次电池循环性能更好。

对比实施例1-1、实施例1-11至实施例1-17可知，阴离子为饱和羧酸根、含硅无机酸根、含磷无机酸根、含硼无机酸根时，二次电池循环性能更好。其中阴离子为乙酸根时，电解液中HF含量最少，且循环圈数最好，分析其原因可能在于，其与1-甲基-1-丁基吡咯烷阳离子可形成低熔点的离子液体，在电解液中电离程度很高，从而降低电解液中HF的含量效果更加明显，且能有效提高离子电导率，提高二次电池的循环稳定性。

实施例2-1至实施例2-9

电解液、正极极片、负极极片以及二次电池的制备与实施例1-1类似，区别仅在于：多功能添加剂在电解液中的质量百分含量不同，具体见表2。

对二次电池的循环性能和电解液HF含量进行测试，结果如表2。

表2

根据表2，各实施例得到的二次电池的循环圈数显著高于对比例1-1，且电解液中HF含量低于对比例1-1。说明多功能添加剂能够有效降低电解液中HF的含量，提高二次电池的循环稳定性。

对比实施例2-1至实施例2-9和实施例1-1可知，随着多功能添加剂在电解液中的含量增加，降低电解液中HF的效果越好，但是在多功能添加剂在电解液中质量百分含量为0.05%~3%时，电池的循环性能更好。进一步，多功能添加剂在电解液中质量百分含量为0.5%~2.5%时，电池的循环性能最好。

需要说明的是，本申请不限定于上述实施方式。上述实施方式仅为示例，在本申请的技术方案范围内具有与技术思想实质相同的构成、发挥相同作用效果的实施方式均包含在本申请的技术范围内。此外，在不脱离本申请主旨的范围内，对实施方式施加本领域技术人员能够想到的各种变形、将实施方式中的一部分构成要素加以组合而构筑的其它方式也包含在本申请的范围内。

Claims

1.一种用于电池的电解液，其特征在于，包括：溶剂、电解质盐和多功能添加剂，所述多功能添加剂的化学通式为X^m+ _nY^n- _m，

其中，X^m+表示多功能添加剂包含的阳离子，m表示所述阳离子的化合价，选自1、2、3或4；在25℃、一个标准大气压下，所述X^m+的含水络合状态的电荷强度的标度值ξ满足：1.5~3.5；所述X^m+包括含吡咯环的有机阳离子、含咪唑环的有机阳离子、含吡啶环的有机阳离子中的至少一种；

Y^n-表示多功能添加剂包含的阴离子，n表示所述阴离子的化合价，选自1、2、3或4，所述Y^n-的共轭酸HY^(n-1)-的pKa值大于HF的pKa值，pKa值表示酸在25℃下的离解常数，所述Y^n-包括有机酸根和/或无机酸根，所述有机酸根包括饱和羧酸根、酚酸根中的至少一种，所述无机酸根包括含硫无机酸根、含硅无机酸根、含磷无机酸根、含硼无机酸根中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述X^m+包括含吡咯环的有机阳离子，所述含吡咯环的有机阳离子包括1-甲基-1-丁基吡咯烷阳离子、N-甲基-N-丙基吡咯阳离子、N-甲基-N-丁基吡咯阳离子中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述X^m+包括含咪唑环的有机阳离子，所述含咪唑环的有机阳离子包括1,3-二羧甲基咪唑阳离子、1-乙基-2，3-二甲基咪唑阳离子、2，3-二羧酸咪唑阳离子、1-丁基-3-甲基咪唑阳离子中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述Y^n-包括CH₃COO^-、CH₃CH₂COO^-、C₆H₅O^-、HS^-、S^2-、HSiO₃ ^-、SiO₃ ^2-、PO₃ ^2-、PO₄ ^3-、HPO₄ ^2-、P₂O₇ ^4-、HP₂O₇ ^3-、H₂BO₃ ^-中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述Y^n-包括含硅无机酸根、含磷无机酸根、含硼无机酸根中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述Y^n-包括HSiO₃ ^-、SiO₃ ^2-、PO₃ ^2-、PO₄ ^3-、HPO₄ ^2-、P₂O₇ ^4-、HP₂O₇ ^3-、H₂BO₃ ^-中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述多功能添加剂在所述电解液中的质量百分含量为0.05%~3%。

8.一种电池单体，其特征在于，包括权利要求1~7任一项所述的电解液。

9.一种电池，其特征在于，包括权利要求8所述的电池单体。

10.一种用电装置，其特征在于，包括选自权利要求8所述的电池单体或权利要求9所述的电池中的至少一种。