CN116666646A - 一种电化学装置和电子装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种电化学装置和电子装置，电化学装置包括卷绕式电极组件和电解液，卷绕式电极组件包括正极极片、负极极片和隔膜，隔膜设置在正极极片和负极极片之间，正极极片包括正极集流体和位于正极集流体表面的正极材料层，负极极片包括负极集流体和位于负极集流体表面的负极材料层；其中，正极集流体为铝箔，正极集流体的厚度为Ha μm，正极集流体的抗拉强度为Ta MPa，负极集流体为铜箔，负极集流体的厚度为Hc μm，负极集流体的抗拉强度为Tc MPa，电解液的电导率为S mS/cm，满足：1.6≤Ta×Ha/(Tc×Hc)+0.1S≤3。通过上述设置，可以提高电化学装置的安全性能。

Description

一种电化学装置和电子装置
技术领域
本申请涉及电化学领域，具体涉及一种电化学装置和电子装置。
背景技术
电化学装置（例如锂离子电池）具有比能量密度大、循环寿命长、标称电压高、自放电率低、体积小、重量轻等许多优点，在消费电子领域具有广泛的应用。
锂离子电池制备过程中，电极极片在热压工序受压后，可能会因局部断裂产生金属毛刺。另外，锂离子电池在外力作用下，例如在安全测试过程中受到挤压后结构发生破坏，也容易产生金属毛刺。上述金属毛刺容易影响锂离子电池的安全性能。
发明内容
本申请的目的在于提供一种电化学装置和电子装置，以改善电化学装置的安全性能。
需要说明的是，本申请的发明内容中，以锂离子电池作为电化学装置的例子来解释本申请，但是本申请的电化学装置并不仅限于锂离子电池。具体技术方案如下：
本申请的第一方面提供了一种电化学装置，其包括卷绕式电极组件和电解液，其中，卷绕式电极组件包括正极极片、负极极片和隔膜，隔膜设置在正极极片和负极极片之间，正极极片包括正极集流体和位于正极集流体表面的正极材料层，负极极片包括负极集流体和位于负极集流体表面的负极材料层；其中，正极集流体为铝箔，正极集流体的厚度为Ha μm，正极集流体的抗拉强度为Ta MPa，负极集流体为铜箔，负极集流体的厚度为Hc μm，负极集流体的抗拉强度为Tc MPa，电解液的电导率为S mS/cm，满足：1.6≤Ta×Ha/(Tc×Hc)+0.1S≤3。通过选择上述范围内的集流体，同时调控Ta×Ha/(Tc×Hc)+0.1S的值在上述范围内，能够降低正极极片出现毛刺的概率，同时能够钝化电化学装置在外力作用下所产生的金属毛刺，降低电化学装置因金属毛刺发生安全问题的风险，从而提高电化学装置的安全性能。
在本申请的一些实施方案中，正极集流体铝箔的纯度≥99%，9≤Ha≤20，150≤Ta≤300。通过调控铝箔的纯度、Ha和Ta的值在上述范围内，有利于提高电化学装置的安全性能。
在本申请的一些实施方案中，负极集流体铜箔的纯度≥98%，4≤Hc≤16，400≤Tc≤600。通过调控铜箔的纯度、Hc和Tc的值在上述范围内，有利于提高电化学装置的安全性能。
在本申请的一些实施方案中，电解液包含锂盐、非水有机溶剂和醚腈化合物，基于电解液的质量，醚腈化合物的质量百分含量C为0.01%至8%，优选为1%至3%。通过调控醚腈化合物的质量百分含量在上述范围内，有利于提高电化学装置的安全性能。
在本申请的一些实施方案中，醚腈化合物包括乙二醇双（丙腈）醚、丙三醇三（丙腈）醚、丙二醇双（丙腈）醚或聚乙烯乙烯醇-β-丙腈醚中的至少一种。通过选择上述范围内的醚腈化合物，有利于提高电化学装置的安全性能。
在本申请的一些实施方案中，醚腈化合物含量与集流体满足：0.07≤Ha/Ta+0.2C≤1.5。通过调控Ha/Ta+0.2C的值在上述范围内，有利于提高电化学装置的安全性能。
在本申请的一些实施方案中，5≤S≤14。通过调控S的值在上述范围内，有利于提高电化学装置的循环性能和存储性能。
在本申请的一些实施方案中，正极极片的厚度为240μm至380μm，和/或，负极极片的厚度为160μm至240μm。通过调控正极极片和/或负极极片的厚度在上述范围内，有利于提高电化学装置的能量密度。
在本申请的一些实施方案中，正极集流体包含Fe元素、Si元素和Cu元素，基于正极集流体的质量，Fe元素的质量百分含量WFe满足0.1%≤WFe≤0.5%，Si元素的质量百分含量WSi满足0.02%≤WSi≤0.35%，Cu元素的质量百分含量WCu满足0.01%≤WCu≤0.15%。通过调控正极集流体中Fe元素、Si元素和Cu元素质量百分含量在上述范围内，有利于提高电化学装置的安全性能。
本申请的第二方面提供了一种电子装置，其包括前述任一实施方案中的电化学装置。本申请提供的电化学装置具有良好的安全性能，从而本申请提供的电子装置具有良好的安全性能。
本申请的有益效果：
本申请提供了一种电化学装置和电子装置，电化学装置包括卷绕式电极组件和电解液，电极组件包括正极极片、负极极片和隔膜，隔膜设置在正极极片和负极极片之间，正极极片包括正极集流体和位于正极集流体表面的正极材料层，负极极片包括负极集流体和位于负极集流体表面的负极材料层；其中，正极集流体为铝箔，正极集流体的厚度为Ha μm，正极集流体的抗拉强度为Ta MPa，负极集流体为铜箔，负极集流体的厚度为Hc μm，负极集流体的抗拉强度为Tc MPa，电解液的电导率为S mS/cm，满足：1.6≤Ta×Ha/(Tc×Hc)+0.1S≤3。本申请通过调控电化学装置中正负集流体的抗拉强度和厚度，能够降低正极极片出现毛刺的概率；并且，通过调整电解液的组分及含量在本申请范围内，能够钝化电化学装置在外力作用下所产生的金属毛刺，降低电化学装置因金属毛刺发生安全问题的风险，从而提高电化学装置的安全性能。
当然，实施本申请的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
图1为本申请一些实施方式中的正极极片的结构示意图；
图2为本申请一些实施方式中的负极极片的结构示意图。
图中，正极极片11，正极材料层111，正极集流体112，负极极片22，负极材料层221，负极集流体222。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员基于本申请所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的发明内容中，以锂离子电池作为电化学装置的例子来解释本申请，但是本申请的电化学装置并不仅限于锂离子电池。
本申请的第一方面提供了一种电化学装置，其包括卷绕式电极组件和电解液，卷绕式电极组件包括正极极片、负极极片和隔膜，隔膜设置在正极极片和负极极片之间，正极极片包括正极集流体和位于正极集流体表面的正极材料层，负极极片包括负极集流体和位于负极集流体表面的负极材料层。上述“正极极片包括正极集流体和位于正极集流体表面的正极材料层”是指，在一些实施例中，正极极片包括正极集流体和位于正极集流体一个表面上的正极材料层。在另一些实施例中，正极极片包括正极集流体和位于正极集流体两个表面上的正极材料层。需要说明，这里的“表面”可以是正极集流体的全部区域，也可以是正极集流体的部分区域，本申请没有特别限制，只要能实现本申请目的即可。参考图1，正极极片11包括正极集流体112和位于正极集流体两个表面上的正极材料层111，正极集流体112为铝箔，正极集流体112的厚度为Ha μm，正极集流体112的抗拉强度为Ta MPa；参考图2，负极极片22包括负极集流体222和位于负极集流体两个表面上的负极材料层221，负极集流体222为铜箔，负极集流体222的厚度为Hc μm，负极集流体222的抗拉强度为Tc MPa。电解液的电导率为S mS/cm，满足：1.6≤Ta×Ha/(Tc×Hc)+0.1S≤3。
发明人研究发现，当Ta×Ha/(Tc×Hc)+0.1S的值过大时，制造成本增加，同时不利于电化学装置能量密度的提高；当Ta×Ha/(Tc×Hc)+0.1S的值过小时，会导致正极集流体的相对厚度和/或相对抗拉强度相应减少，且未匹配具有适宜电导率的电解液，一方面在涂布正极材料层时易发生打皱断带影响正极极片制造效率，另一方面在电化学装置制备过程中，在卷绕整形时由于整形压力易导致正极极片出现内圈断裂的现象，正极集流体易产生金属毛刺，同时，电化学装置在外力作用下正极集流体容易出现金属毛刺，影响电化学装置的安全性能。本申请通过调控正极集流体的厚度、正极集流体的抗拉强度、负极集流体的厚度、负极集流体的抗拉强度、电解液的电导率之间满足上述关系，能够降低正极极片在制备过程产生金属毛刺的可能性；同时能够钝化电化学装置在外力作用下所产生的金属毛刺，降低电化学装置因金属毛刺发生安全问题的风险，从而提高电化学装置的安全性能。不限于任何理论，这可能是由于随着正极集流体厚度的增加，正极集流体的挠曲度也随之增加，能够有效改善打皱断带的现象，并且随着正极集流体的相对厚度和相对抗拉强度的增加，配合具有适宜电导率的电解液使用，使得电化学装置在整形过程中内圈受压能力增强，降低了电化学装置在受到外力作用时产生金属毛刺的概率，当满足上述关系式时，在电化学装置中，电解液有效吸附于正极集流体表面，有利于降低外力作用下金属毛刺刺穿隔膜的风险，从而提高了电化学装置的安全性能。其中，挠曲度是指物体在受力时发生弯曲的程度。
在本申请的一些实施方案中，正极集流体铝箔的纯度≥99%，9≤Ha≤20，150≤Ta≤300。通过调控铝箔的纯度、Ha和Ta的值在上述范围内，在不降低电化学装置体积能量密度的同时，降低了正极极片在制备过程产生毛刺的可能性，从而提高了电化学装置的安全性能。本申请中，正极集流体铝箔的纯度是指铝的质量占正极集流体铝箔质量的百分比。
在本申请的一些实施方案中，负极集流体铜箔的纯度≥98%，4≤Hc≤16，400≤Tc≤600。通过调控铜箔的纯度、Hc和Tc的值在上述范围内，有利于降低负极极片制备过程中发生打皱断带的风险。本申请中，负极集流体铜箔的纯度是指铜的质量占负极集流体铜箔质量的百分比。
在本申请的一些实施方案中，电解液包含锂盐、非水有机溶剂和醚腈化合物，当电解液中含有醚腈化合物时，电解液中的醚腈化合物与正极集流体表面的范德华力作用，使其吸附在正极集流体的表面，有利于降低外力作用下产生金属毛刺刺穿隔膜的风险，从而提高了电化学装置的安全性能。基于电解液的质量，醚腈化合物的质量百分含量C为0.01%至8%，C优选为1%至3%。通过调控醚腈化合物的质量百分含量C在上述范围内，有利于钝化电化学装置在外力作用下产生的新的金属毛刺，同时减少了对电化学装置循环性能的影响，从而提高了电化学装置的安全性能。
在本申请的一些实施方案中，醚腈化合物包括乙二醇双（丙腈）醚、丙三醇三（丙腈）醚、丙二醇双（丙腈）醚或聚乙烯乙烯醇-β-丙腈醚中的至少一种。通过选择上述范围内的醚腈化合物，有利于钝化电化学装置在外力作用下产生的新的金属毛刺，从而提高了电化学装置的安全性能。
在本申请的一些实施方案中，醚腈化合物含量与集流体满足0.07≤Ha/Ta+0.2C≤1.5。通过调控Ha/Ta+0.2C的值在上述范围内，由于电解液中与正极集流体表面的范德华力作用，使得电解液中的醚腈化合物吸附在正极集流体表面，有利于降低外力作用下产生金属毛刺刺穿隔膜的风险，从而提高了电化学装置的安全性能。
在本申请的一些实施方案中，电解液的电导率为S mS/cm，满足5≤S≤14。通过调控S的值在上述范围内，有利于提高电化学装置的循环性能和存储性能。
在本申请的一些实施方案中，正极极片的厚度为240μm至380μm，和/或，负极极片的厚度为160μm至240μm。通过调控正极极片和/或负极极片的厚度在上述范围内，有利于提高电化学装置的能量密度。
在本申请的一些实施例中，负极极片的厚度小于正极极片的厚度。
在本申请的一些实施方案中，正极集流体包含Al元素、Fe元素、Si元素和Cu元素，基于正极集流体的质量，Fe元素的质量百分含量WFe满足0.1%≤WFe≤0.5%，Si元素的质量百分含量WSi满足0.02%≤WSi≤0.35%，Cu元素的质量百分含量WCu满足0.01%≤WCu≤0.15%。通过调控正极集流体中Fe元素、Si元素和Cu元素质量百分含量在上述范围内，有利于正极集流体的固溶强化，能够降低正极极片在制备过程产生毛刺的可能性，从而提高电化学装置的安全性能。
在本申请的一些实施方案中，本申请正极集流体中除了含有Al元素、Fe元素、Si元素和Cu元素外，还可以含有Mg元素、V元素、Zn元素或Ti元素中的至少一种。基于正极集流体的质量，Mg元素、V元素、Zn元素或Ti元素的质量百分含量均小于等于0.02%。
本申请对于正极集流体的制备方法没有特别限制，只要能实现本申请的目的即可，例如，正极集流体的制备方法可以包括但不限于以下步骤：
步骤1、分别称取一定质量的含Al材料、含Fe材料、含Si材料、含Cu材料进行混合；本申请通过加入在正极集流体制备过程中添加含Al材料、含Fe材料、含Si材料、含Cu材料引入Al元素、Fe元素、Si元素和Cu元素。例如，含Al材料可以为单质铝，含Fe材料可以为单质铁，含Si材料可以为单质硅，含Cu材料可以为单质铜。
步骤2、将步骤1所得混合原料加入熔炼炉进行熔炼，待原料熔炼完全后对铝合金液进行精炼。
步骤3、使用陶瓷过滤片将熔炼后的铝合金液在700℃至750℃下进行过滤，过滤后注入铸轧机中进行连续轧制，得到所需厚度为4mm至6mm的铸轧板。
步骤4、将铸轧板扎制成冷轧板。在扎制厚度为1.3mm至1.5mm时进行退火处理，退火温度350℃至400℃，保温时间2h至4h。
步骤5、将步骤4中得到的冷轧板多轮精轧，得到厚度为9μm至20μm的铝箔。
本申请可以根据所需正极集流体的抗拉强度，设计相应的原料配方。本申请对熔炼温度没有特别限制，只要能实现本申请目的即可。本申请对精炼温度没有特别限制，只要实现本申请目的即可。本申请对精轧的次数没有特别限制，根据实际需要的铝箔的厚度进行精轧即可。发明人研究发现，向原料中加入微量Fe元素、Si元素和Cu元素，有利于对正极集流体产生固溶强化作用。发明人还发现，提高WFe/WSi的值、WCu的值，有利于得到更高抗拉强度的正极集流体。基于此，本申请可以通过调控WFe/WSi的值、WCu的值从而调控正极集流体的抗拉强度。
本申请中，正极集流体的厚度与其抗拉强度之间存在正相关关系，基于此，可以通过调控正极集流体的厚度从而调控其抗拉强度。
本申请对调控正极集流体铝箔的纯度的方法没有特别限制，只要能实现本申请目的即可。例如，可以通过调控铝元素在混合原料中的百分含量调控正极集流体铝箔的纯度。
本申请中的正极极片包含正极集流体和正极材料层，正极材料层包括正极活性材料，本申请对正极活性材料的种类没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可。例如，正极活性材料可以包含镍钴锰酸锂（NCM811、NCM622、NCM523、NCM111）、镍钴铝酸锂、磷酸铁锂（LFP）、富锂锰基材料、钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LMO）、磷酸锰铁锂或钛酸锂等中的至少一种。在本申请中，正极活性材料还可以包含非金属元素，例如，非金属元素包括氟、磷、硼、氯、硅或硫中的至少一种，这些元素能进一步提高正极活性材料的稳定性。任选地，正极材料层还可以包括导电剂和粘结剂。本申请对正极材料层中的粘结剂的种类没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可，例如，粘结剂可以包括但不限于聚偏二氟乙烯（PVDF）、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至少一种。本申请对正极材料层中的导电剂的种类没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可，例如，导电剂可以包括但不限于导电炭黑（Super P）、碳纳米管（CNTs）、碳纤维、鳞片石墨、科琴黑、石墨烯、金属材料或导电聚合物中的至少一种。上述碳纳米管可以包括但不限于单壁碳纳米管和/或多壁碳纳米管。上述碳纤维可以包括但不限于气相生长碳纤维（VGCF）和/或纳米碳纤维。上述金属材料可以包括但不限于金属粉和/或金属纤维，具体地，金属可以包括但不限于铜、镍、铝或银中的至少一种。上述导电聚合物可以包括但不限于聚亚苯基衍生物、聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔或聚吡咯中的至少一种。本申请对正极材料层中正极活性材料、导电剂、粘结剂的质量比没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要选择，只要能够实现本申请目的即可。
本申请对于负极集流体的制备方法没有特别限制，只要能实现本申请的目的即可，例如，负极集流体的制备方法可以包括但不限于以下步骤：
步骤1、将高纯铜线在溶解罐中加热溶解生成硫酸铜电解液。
步骤2、将生成的硫酸铜电解液过滤后倒入高位槽中，向高位槽中加入添加剂，并送入生箔机中进行电解生箔。
步骤3、用防氧化液对步骤2中得到的箔片进行处理，得到厚度为4μm至16μm的铜箔。
本申请对铜线的纯度没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可。例如，铜线纯度大于等于98%。本申请对溶解罐的加热温度没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可。例如，加热温度可以为25℃至100℃。本申请对添加剂的种类没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可。例如，添加剂可以为晶粒细化剂，包括聚乙烯亚胺衍生物、醇硫基丙烷磺酸钠、聚乙二醇或乙撑硫脲的水溶液中的至少一种。本申请对防氧化液没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可。例如，防氧化液为包括葡萄糖、苯并三氮唑和硅烷偶联剂的水溶液（pH=2至3）。其中，葡萄糖浓度为2.4g/L至3.66g/L，苯并三氮唑的浓度为0.8g/L至1.2g/L，硅烷偶联剂的浓度为0.003L/L至0.008L/L。硅烷偶联剂可以选用本领域已知的硅烷偶联剂，只要能实现本申请的目的即可。本申请对调控负极集流体铜箔的纯度的方法没有特别限制，只要能实现本申请目的即可。例如，可以通过调整负极集流体制备过程中加入的铜线纯度来调整负极集流体铜箔的纯度。
本申请中的负极极片包含负极集流体和负极材料层，负极材料层包含负极活性材料，本申请对负极活性材料的种类没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可。例如，负极活性材料可以包含天然石墨、人造石墨、中间相微碳球（MCMB）、硬碳、软碳、硅、硅-碳复合物、SiOx（0<x<2）、Li-Sn合金、Li-Sn-O合金、Sn、SnO、SnO2、尖晶石结构的钛酸锂Li4Ti5O12、Li-Al合金或金属锂中的至少一种。任选地，负极活性材料层还可以包括导电剂、稳定剂、粘结剂中的至少一种。本申请对负极材料层中的导电剂、稳定剂和粘结剂的种类没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可。本申请对负极材料层中负极活性材料、导电剂、稳定剂和粘结剂的质量比没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可。
本申请对隔膜没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可，例如可以包括但不限于聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚四氟乙烯为主的聚烯烃（PO）类隔膜、聚酯膜（例如聚对苯二甲酸二乙酯（PET）膜）、纤维素膜、聚酰亚胺膜（PI）、聚酰胺膜（PA）、氨纶、芳纶膜、织造膜、非织造膜（无纺布）、微孔膜、复合膜、隔膜纸、碾压膜或纺丝膜中的至少一种，优选为PP。本申请的隔膜可以具有多孔结构，孔径的尺寸没有特别限制，只要能实现本申请的目的即可，例如，孔径的尺寸可以为0.01μm至1μm。在本申请中，隔膜的厚度没有特别限制，只要能实现本申请的目的即可，例如厚度可以为5μm至500μm。
例如，隔膜可以包括基材层和表面处理层。基材层可以为具有多孔结构的无纺布、膜或复合膜，基材层的材料可以包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺中的至少一种。任选地，可以使用聚丙烯多孔膜、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。任选地，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。
无机物层可以包括但不限于无机颗粒和无机物层粘结剂，本申请对无机颗粒没有特别限制，只要能实现本申请的目的即可，例如，可以包括但不限于氧化铝、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。本申请对无机物层粘结剂没有特别限制，例如，可以包括但不限于聚偏氟乙烯、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至少一种。聚合物层中包含聚合物，聚合物的材料可以包括但不限于聚酰胺、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。
在本申请中，锂盐可以包括LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiB(C6H5)4、LiCH3SO3、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2、LiC(SO2CF3)3、Li2SiF6、双草酸硼酸锂（LiBOB）或二氟硼酸锂中的至少一种。本申请对锂盐在电解液中的浓度没有特别限制，只要能实现本申请的目的即可。例如，锂盐在电解液中的质量百分含量为8%至15%。本申请对非水溶剂没有特别限制，只要能实现本申请的目的即可。例如可以包括但不限于碳酸酯化合物、羧酸酯化合物、醚化合物或其它有机溶剂中的至少一种。上述碳酸酯化合物可以包括但不限于链状碳酸酯化合物、环状碳酸酯化合物或氟代碳酸酯化合物中的至少一种。上述链状碳酸酯化合物可以包括但不限于碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸二丙酯（DPC）、碳酸甲丙酯（MPC）、碳酸乙丙酯（EPC）或碳酸甲乙酯（MEC）中的至少一种。上述环状碳酸酯可以包括但不限于碳酸乙烯酯（EC）、碳酸亚丙酯（PC）、碳酸亚丁酯（BC）或碳酸乙烯基亚乙酯（VEC）中的至少一种。氟代碳酸酯化合物可以包括但不限于氟代碳酸乙烯酯（FEC）、碳酸-1,2-二氟亚乙酯、碳酸-1,1-二氟亚乙酯、碳酸-1,1,2-三氟亚乙酯、碳酸-1,1,2,2-四氟亚乙酯、碳酸-1-氟-2-甲基亚乙酯、碳酸-1-氟-1-甲基亚乙酯、碳酸-1,2-二氟-1-甲基亚乙酯、碳酸-1,1,2-三氟-2-甲基亚乙酯或碳酸三氟甲基亚乙酯中的至少一种。上述羧酸酯化合物可以包括但不限于甲酸甲酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丙酯、乙酸叔丁酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、γ-丁内酯、癸内酯、戊内酯或己内酯中的至少一种。上述醚化合物可以包括但不限于二丁醚、四甘醇二甲醚、二甘醇二甲醚、1,2-二甲氧基乙烷、1,2-二乙氧基乙烷、1-乙氧基-1-甲氧基乙烷、2-甲基四氢呋喃或四氢呋喃中的至少一种。上述其它有机溶剂可以包括但不限于二甲亚砜、1,2-二氧戊环、环丁砜、甲基环丁砜、1,3-二甲基-2-咪唑烷酮、N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、乙腈、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯或磷酸三辛酯中的至少一种。本申请对非水溶剂在电解液中的含量没有特别限制，只要能实现本申请的目的即可。其中，非水溶剂的质量百分含量=100%-锂盐的质量百分含量-醚腈化合物的质量百分含量。本申请的电化学装置没有特别限制，其可以包括发生电化学反应的任何装置。在本申请的一种实施方案中，电化学装置可以包括但不限于：锂离子二次电池（锂离子电池）、锂聚合物二次电池或锂离子聚合物二次电池等。
本申请的电化学装置的制备过程为本领域技术人员所熟知的，本申请没有特别的限制，例如，可以包括但不限于以下步骤：将正极极片、隔膜和负极极片按顺序堆叠，并根据需要将其卷绕、折叠等操作得到卷绕结构的电极组件，将电极组件放入包装袋内，将电解液注入包装袋并封口，得到电化学装置。此外，也可以根据需要将防过电流元件、导板等置于包装袋中，从而防止电化学装置内部的压力上升、过充放电。本申请对包装袋没有限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，只要能实现本申请的目的即可。例如，可采用铝塑膜包装袋。
本申请的第二方面提供了一种电子装置，其包括前述任一实施方案中的电化学装置。本申请提供的电化学装置具有良好的安全性能，从而本申请提供的电子装置具有良好的安全性能。
本申请的电子装置没有特别限定，其可以是用于现有技术中已知的任何电子装置。例如，电子装置可以包括但不限于：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。
实施例
以下，举出实施例及对比例来对本申请的实施方式进行更具体地说明。各种的试验及评价按照下述的方法进行。
测试方法和设备：
电解液的电导率S测试：
仪器校准：将标准溶液倒入干燥洁净的离心管中，置于25℃恒温槽中恒温30min；用无尘纸吸干电极上的水分，将电极放入标准溶液中进行测试，使仪器示数保持在标准溶液的电导率数值，测试3次；后用纯水洗净电极，并放入纯水中保存。其中，标准溶液为0.1mol/L的氯化钾溶液。
电解液测试：将待测电解液倒入干燥洁净的离心管中，置于25℃恒温槽中恒温30min；将已吸干水分的电极垂直放入待测样品中，根据被测电解液电导率的大小调节量程范围，晃动电极，数据稳定后再读取，测试3次，记录数据取平均值。
正极集流体厚度Ha和抗拉强度Ta测试：
厚度：使用螺旋千分尺测量各实施例和对比例中的正极集流体的厚度Ha，在各组正极集流体上取12个不同的位置，采用螺旋千分尺测得不同位置处正极集流体的厚度，Ha的值即为12个不同位置处对应正极集流体厚度的平均值。
抗拉强度：将各实施例和对比例中正极集流体裁切成长度为60mm、宽度为15mm的样品，使用高铁拉力机进行测试，其中负极集流体沿长度方向与夹具平行，并保持样品直线状，夹具标距50mm，以5mm/min的速度匀速拉伸直到样品断裂读取数据，每组正极集流体测试5个平行样，以最小值作为样品的抗拉强度Ta。
负极集流体厚度Hc和抗拉强度Tc测试：
厚度：使用螺旋千分尺测量各实施例和对比例中的负极集流体的厚度Hc，在各组负极集流体上取12个不同的位置，采用螺旋千分尺测得不同位置处负极集流体的厚度，Hc的值即为12个不同位置处对应负极集流体厚度的平均值。
抗拉强度：将各实施例和对比例中负极集流体裁切成长度为60mm、宽度为15mm的样品，使用高铁拉力机进行测试，其中负极集流体沿长度方向与夹具平行，并保持样品直线状，夹具标距50mm，以5mm/min的速度匀速拉伸直到样品断裂读取数据，每组负极集流体测试5个平行样，以最小值作为样品的抗拉强度Tc。
集流体纯度测试：
使用电感耦合等离子发射光谱法进行测试，确定正极集流体中铝元素的质量百分含量。
使用电感耦合等离子发射光谱法进行测试，确定负极集流体中铜元素的质量百分含量。
正极集流体中Fe元素、Si元素和Cu元素含量测试：
使用电感耦合等离子发射光谱法进行测试，确定正极集流体中Fe元素、Si元素、Cu元素的质量百分含量。
挤压测试：
将各实施例和对比例的锂离子电池按照0.5C的倍率满充至4.2V，静置5min；在20±5℃测试环境中，将锂离子电池放置于两个平板之间，样品的宽面平行于两个平板，设定13±0.78kN的挤压压力，当施加压力达到设定挤压压力值时或锂离子电池发生冒烟、起火则停止测试。每组测试10个平行样，记录每组不起火、不爆炸的锂离子电池个数占每组测试样品个数的百分比。
冲击测试：
将各实施例和对比例的锂离子电池按照0.5C的充电倍率充满电结束后，开路搁置2h，按照国家标准GB31241-2014第7.7条的规定，将长度为15.8mm±0.2mm的金属棒横置在锂离子电池几何中心上表面，将质量为9.1kg±0.1kg的重物从610mm±25mm的高处自由落下撞击放有金属棒的锂离子电池表面，并观察6h。要求电池应不漏液、不起火、不爆炸，否则测试未通过。测试前后均检查外观并拍照，每组测试10个平行样，记录每组不漏液、不起火、不爆炸的锂离子电池个数占每组测试样品个数的百分比。
循环性能测试：
在45℃的测试温度下，将各实施例和对比例的锂离子电池以0.5C恒流充电到4.2V，然后以4.2V恒压充电到1C并静置5min，再以0.5C放电到2.8V，此为一次充放电循环过程，记录锂离子电池首次循环的放电容量；之后按上述循环过程重复进行充放电循环过程，记录锂离子电池的容量保持率下降到80%的圈数，每组取10块锂离子电池，计算锂金属电池的容量保持率下降到80%的圈数的平均值即为每组的循环圈数。
实施例1-1
<正极集流体的制备>
将铝单质、铁单质、硅单质、铜单质按照质量比99.62:0.25:0.05:0.08进行混合，将上述所得混合原料加入熔炼炉进行熔炼，待原料熔炼完全后对铝合金液进行精炼，其中熔炼温度760℃，精炼温度730℃；使用陶瓷过滤片将熔炼后的铝合金液在700℃下进行过滤，过滤后注入铸轧机中进行连续轧制，得到厚度为4mm的铸轧板；将铸轧板轧制成冷轧板。在轧制厚度为1.4mm时进行退火处理，退火温度360℃，保温时间2h；将上述得到的冷轧板精轧，得到厚度为15μm的正极集流体铝箔，该正极集流体铝箔的纯度为99%。
<正极极片的制备>
将正极活性材料锰酸锂和磷酸铁锂（LMO:LFP=9:1）、导电剂纳米导电炭黑、导电碳浆料、粘结剂聚偏二氟乙烯（PVDF）按照质量比96:1.0:1.0:2.0进行混合，加入N-甲基吡咯烷酮（NMP）作为溶剂，调配成为固含量为70%的浆料，并搅拌均匀。将浆料均匀涂覆在厚度为15μm的正极集流体铝箔的一个表面上，125℃条件下烘干，得到单面涂布正极活性材料的正极极片。以上步骤完成后，即完成正极极片的单面涂布。之后，在该正极集流体铝箔的另一个表面上重复以上步骤，即得到双面涂布正极活性材料的正极极片。涂布完成后进行冷压，得到的正极极片的厚度为300μm，将冷压后的正极极片裁切待用。
<负极集流体的制备>
将纯度为99%的高纯铜线和105g/L的硫酸溶液在溶解罐中加热至55℃溶解生成硫酸铜电解液；将生成的硫酸铜电解液过滤后倒入高位槽中，向高位槽中加入添加剂醇硫基丙烷磺酸钠，并送入生箔机中进行电解生箔；将制备得到的铜箔用防氧化液（pH=2）进行处理，并经过20℃烘箱干燥获得电解成品铜箔，该负极集流体铜箔的纯度为99%。其中，硫酸铜电解液中铜离子的浓度为100g/L，防氧化液为包括葡萄糖、苯并三氮唑和硅烷偶联剂的水溶液，葡萄糖浓度为3g/L，苯并三氮唑的浓度为1g/L，硅烷偶联剂为浓度为0.005L/L的甲基三氯硅烷，铜箔厚度为10μm。
<负极极片的制备>
将负极活性材料人造石墨、导电剂导电炭黑（Super P）、粘结剂丁苯橡胶（SBR）按照质量比96:1.5:2.5进行混合，然后加入去离子水作为溶剂，调配成为固含量为50%的浆料，并搅拌均匀。将浆料均匀涂覆在厚度为10μm的负极集流体铜箔的一个表面上，110℃条件下烘干，得到单面涂布负极活性材料的负极极片。以上步骤完成后，即完成负极极片的单面涂布。之后，在该负极集流体铜箔的另一个表面上重复以上步骤，即得到双面涂布负极活性材料的负极极片。涂布完成后进行冷压，得到的负极极片的厚度为190μm，将冷压后的负极极片裁切待用。
<电解液的制备>
在干燥氩气气氛中，将有机溶剂碳酸乙烯酯（EC）、碳酸甲乙酯（EMC）、碳酸二乙酯（DEC）和醚腈化合物乙二醇双（丙腈）醚以质量比3:2.1:1.5:0.1混合得到有机溶液，然后向有机溶剂中加入锂盐六氟磷酸锂溶解并混合均匀，得到电解液。其中，基于电解液的质量，醚腈化合物的质量百分含量C为1%，锂盐的质量百分含量为12.5%，余量为有机溶剂。
<隔膜的制备>
采用厚度为7μm的多孔聚乙烯（PE）多孔薄膜（Celgard公司提供）。
<锂离子电池的制备>
将上述制备得到的负极极片、隔膜以及正极极片按顺序堆叠卷绕得到卷绕结构的电极组件。将电极组件置于铝塑膜包装袋中，干燥后注入电解液，经过真空封装、静置、化成、脱气、切边等工序得到锂离子电池。
实施例1-2至实施例1-4
除了在<负极集流体的制备>、<电解液的制备>中，按照表1调整Hc、Tc、S和C外，其余与实施例1-1相同。其中，当醚腈化合物的质量百分含量C发生变化时，有机溶剂的质量百分含量随之改变，锂盐的质量百分含量不变。
实施例1-5至实施例1-10
除了在<正极集流体的制备>、<负极集流体的制备>、<电解液的制备>中，按照表1调整Ha、Ta、Hc、Tc、S、WFe、WSi、WCu和C外，其余与实施例1-1相同。其中，当醚腈化合物的质量百分含量C发生变化时，有机溶剂的质量百分含量随之改变，锂盐的质量百分含量不变。当WFe、WSi、WCu的质量百分含量发生变化时，正极集流体铝箔的质量百分含量随之改变。
实施例2-1至实施例2-3
除了在<电解液的制备>中，按照表2调整醚腈化合物的种类外，其余与实施例1-8相同。
实施例3-1至实施例3-2
除了在<正极集流体的制备>、<负极集流体的制备>中，按照表3调整Ha和Hc，其余与实施例1-8相同。其中，当Ha和Hc发生变化时，正极材料层和负极材料层的厚度随之改变，正极极片和负极极片的厚度不变。
实施例3-3至实施例3-4
除了在<正极极片的制备>、<负极极片的制备>中，按照表3调整正极极片的厚度和负极极片的厚度外，其余与实施例1-8相同。其中，当正极极片和负极极片的厚度发生变化时，正极材料层和负极材料层的厚度随之改变，Ha和Hc不变。
对比例1至对比例2
除了在<正极集流体的制备>、<负极集流体的制备>、<电解液的制备>中，按照表1调整Ha、Ta、Hc、Tc、S、WFe、WSi、WCu和C外，其余与实施例1-1相同。其中，当醚腈化合物的质量百分含量C发生变化时，有机溶剂的质量百分含量随之改变，锂盐的质量百分含量不变。
对比例3
除了在<正极集流体的制备>、<负极集流体的制备>、<电解液的制备>中，按照表1调整Ha、Ta、Hc、Tc、S、WFe、WSi和WCu，且电解液中不包含醚腈化合物外，其余与实施例1-1相同。
各实施例和对比例的制备参数和性能参数如表1至表3所示。
表1
注：表1中的“/”表示无对应的制备参数。
参见表1，从实施例1-1至实施例1-10和对比例1至对比例3可以看出，本申请实施例锂离子电池的挤压测试和冲击测试的通过率得到明显提高，同时在45℃循环测试下的循环圈数较高，这可能是由于，通过调控Ta×Ha/(Tc×Hc)+0.1S在本申请范围内，能够降低电化学装置因金属毛刺发生安全问题的风险，有利于提高锂离子电池的安全性能及循环性能。
从实施例1-1至实施例1-10可以看出，随着Ha的增加，Ta随之增加，随着Hc的增加，Tc也随之增加，正极集流体和负极集流体的厚度与抗拉强度之间存在正相关关系。当醚腈化合物的质量百分含量C和Ha/Ta+0.2C在本申请范围内时，有利于得到具有优异安全性能和循环性能的锂离子电池。
表2
电解液中醚腈化合物种类通常也会对锂离子电池的性能产生影响。参见表2，从实施例1-8与实施例2-1至实施例2-3可以看出，通过调控电解液中醚腈化合物的种类在本申请范围内，有利于得到具有优异安全性能和循环性能的锂离子电池。
表3
正极集流体铝箔的厚度、负极集流体铜箔的厚度、正极极片的厚度、负极极片的厚度通常也会对锂离子电池的性能产生影响。参见表3，从实施例1-8与实施例3-1至实施例3-4可以看出，通过调控上述参数在本申请范围内，有利于得到具有优异安全性能的锂离子电池。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法或物品不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法或物品所固有的要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用于限定本申请的保护范围。凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本申请的保护范围内。

Claims (11)

1.一种电化学装置，包括卷绕式电极组件和电解液，所述卷绕式电极组件包括正极极片、负极极片和隔膜，所述隔膜设置在所述正极极片和所述负极极片之间，所述正极极片包括正极集流体和位于所述正极集流体表面的正极材料层，所述负极极片包括负极集流体和位于所述负极集流体表面的负极材料层；
其中，所述正极集流体为铝箔，所述正极集流体的厚度为Ha μm，所述正极集流体的抗拉强度为Ta MPa，所述负极集流体为铜箔，所述负极集流体的厚度为Hc μm，所述负极集流体的抗拉强度为Tc MPa，所述电解液的电导率为S mS/cm，满足：1.6≤Ta×Ha/(Tc×Hc)+0.1S≤3。
2.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述正极集流体铝箔的纯度≥99%，9≤Ha≤20，150≤Ta≤300。
3.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述负极集流体铜箔的纯度≥98%，4≤Hc≤16，400≤Tc≤600。
4.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述电解液包含锂盐、非水有机溶剂和醚腈化合物，基于所述电解液的质量，所述醚腈化合物的质量百分含量C为0.01%至8%。
5.根据权利要求4所述的电化学装置，其中，所述醚腈化合物的质量百分含量C为1%至3%。
6.根据权利要求4所述的电化学装置，其中，所述醚腈化合物包括乙二醇双（丙腈）醚、丙三醇三（丙腈）醚、丙二醇双（丙腈）醚或聚乙烯乙烯醇-β-丙腈醚中的至少一种。
7.根据权利要求4所述的电化学装置，其中，所述醚腈化合物与集流体满足：0.07≤Ha/Ta+0.2C≤1.5。
8.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，5≤S≤14。
9.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述正极极片的厚度为240μm至380μm，和/或，所述负极极片的厚度为160μm至240μm。
10.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述正极集流体包含Fe元素、Si元素和Cu元素，基于所述正极集流体的质量，所述Fe元素的质量百分含量WFe满足0.1%≤WFe≤0.5%，所述Si元素的质量百分含量WSi满足0.02%≤WSi≤0.35%，所述Cu元素的质量百分含量WCu满足0.01%≤WCu≤0.15%。
11.一种电子装置，其中，包括权利要求1至10中任一项所述的电化学装置。
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