CN116895834A - 一种电解液、二次电池及用电设备 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种电解液、二次电池及用电设备，其中，本发明实施例所提供的电解液包括具有式(A)的化合物，式(A)中具有烷氧基、氮原子及二氧杂环戊基，式(A)的加入可以分别在正极和负极表面形成阻抗小且稳定的钝化膜，抑制界面阻抗增加及电解液分解，从而提高电池低温循环的稳定性，因而解决了现有锂离子电池在低温场景下容易出现析锂、极化、电极处钝化膜阻抗较高的问题。

Description

一种电解液、二次电池及用电设备
技术领域
本发明涉及电池制造技术领域，特别是涉及一种电解液、二次电池及用电设备。
背景技术
当前，二次电池，特别是锂离子电池，由于具有循环寿命长、能量密度高、充电时间短、体积小、重量轻、无记忆效应等众多优点，在各大领域得到了广泛应用。
锂离子电池的电化学性能和安全性均受电解液的影响，电解液不仅决定了电池的电化学窗口和能量密度，而且还调控着电极/电解液界面性质。
但是，现有的锂离子电池的电极/电解液界面在低温场景下容易出现析锂、极化、电极处钝化膜阻抗较高等问题，严重影响电池的低温循环性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电解液、二次电池及用电设备，以解决现有锂离子电池在低温场景下容易出现析锂、极化、电极处钝化膜阻抗较高的问题。
为了解决上述问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明提出了一种电解液，其中，包括式(A)化合物：
其中，R1、R2、R3分别独立包含氢、取代或未取代的C1～C10的烷基、取代或未取代的C1～C10的酯基、取代或未取代的嘧啶基、取代或未取代的三唑并嘧啶基的至少一种；
所述取代的基团包含羟基、苯基、氨基、卤素、烷硫基、硅氧烷基、氟苯取代的环丙烷基中的至少一种。
进一步地，所述的电解液中，所述式(A)化合物的结构式包含式(A1)～(A9)中的至少一种：
进一步地，以电解液总质量为基础，所述式(A)化合物的质量百分含量为0.01％～5％。
进一步地，以电解液总质量为基础，所述式(A)化合物的质量百分含量为0.05％～3％。
进一步地，所述电解液还包括碳酸亚乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烯磺酸内酯和1,3-丙烷磺酸内酯中的至少一种。
本发明还提出了一种二次电池，其中，包括正极极片、负极极片和如前所述的电解液。
进一步地，所述正极极片包括正极活性材料，所述正极活性材料包括镍钴锰材料，所述镍钴锰材料包括LiaNixCoyMnzMeO2，其中，0.9≤a≤1.1，0≤e≤0.1，0.3≤x＜1.0，0＜y＜0.4，0.1＜z＜0.4，x+y+z＝1.0，M包含Al、Zr、Sr、Ti、B、Mg、Sn、W、Y、Ba、Nb、Mo、Ta、Si、La、Er、Nd、Gd、Ce中的至少一种。
进一步地，所述的二次电池中，所述正极极片包括正极集流体以及设置于所述正极集流体上的正极活性材料层，所述正极活性材料层的压实密度为1.6g/cm3～2.8g/cm3。
进一步地，所述的二次电池中，所述二次电池的所述正极活性材料层的面密度为260g/m2～330g/m2。
本发明还提出了一种用电设备，其中，包括上述的二次电池，所述二次电池作为所述用电设备的供电电源。
与现有技术相比，本发明实施例包括以下优点：
本发明实施例中，所提供的电解液包括具有式(A)化合物，式(A)中具有烷氧基、氮原子及二氧杂环戊基；其中，烷氧基结构有助于(A)化合物和锂离子之间进行配位，从而调节锂离子的溶剂化结构，改变界面传递阻抗；胺基中N杂原子则有助于负极侧形成高锂离子通过能力的界面膜，提高负极的离子传输能力，有力改善其在快充和低温场景中的应用性能；而二氧杂环戊基更容易发生开环反应；因此，(A)化合物的加入可以分别在正极和负极表面形成阻抗小且稳定的钝化膜，抑制界面阻抗增加及电解液分解，从而提高电池低温循环的稳定性，因而解决了现有锂离子电池在低温场景下容易出现析锂、极化、电极处钝化膜阻抗较高的问题。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的申请人发现，虽然锂离子电池由于具有循环寿命长、能量密度高、充电时间短、体积小、重量轻、无记忆效应等众多优点，在各大领域得到了广泛应用，但现有的锂离子电池的电极/电解液界面不稳定，在低温场景下容易出现析锂、极化、电极处钝化膜阻抗较高等问题，严重影响电池的低温循环性能和快充性能。
本发明实施例为了解决上述问题，提供了一种电解液，其中，包括式(A)化合物：
其中，R1、R2、R3分别独立选自氢、取代或未取代的C1～C10的烷基、取代或未取代的C1～C10的酯基、取代或未取代的嘧啶基、取代或未取代的三唑并嘧啶基的一种；
所述取代的基团包含羟基、苯基、氨基、卤素、烷硫基、硅氧烷基、氟苯取代的环丙烷基中的至少一种。
本发明实施例中，式(A)化合物的结构式中具有烷氧基、氮原子及二氧杂环戊基；其中，烷氧基结构有助于式(A)和锂离子之间进行配位，从而调节锂离子的溶剂化结构，改变界面传递阻抗；氮杂原子则可以通过参与成膜过程，在负极侧形成界面钝化膜，提升钝化膜的离子电导率，提高负极的离子传输能力，有力改善其在快充和低温场景中的应用性能；而二氧杂环戊基更容易发生开环反应，提高电极表面钝化膜中无机盐的含量，减少SEI的厚度，提高钝化膜中的锂离子透过能力，降低电极漏电的风险，从而提升循环稳定性；另外，因为氮原子以及烷氧基为富电子基团，更容易和锂离子结合，从而进入溶剂化壳层，跟随锂离子运动到负极表面，也即增强了式(A)化合物的成膜能力。因此，本发明实施例中式(A)化合物的加入可以分别在正极和负极表面形成阻抗小且稳定的钝化膜，抑制界面阻抗增加及电解液分解，从而提高电池低温循环的稳定性。
在本发明的一些实施方式中，所述二氧杂环戊基包括环戊并1,3-二氧杂环戊基。
在本发明的一些实施方式中，所述式(A)化合物的结构包含式(A1)～(A9)中的至少一种：
在本发明一种实施方式中，以电解液总质量为基础，所述式(A)化合物的质量百分含量为0.01％～5.0％，所述式(A)化合物的含量在本发明的范围内，可以在正极和负极表面形成稳定的钝化膜，有效改善电池的低温循环性能和快充性能。
在本发明的一些实施方式中，以电解液总质量为基础，所述式(A)化合物的质量百分含量优选为0.05％～3％。
在本发明的一些实施方式中，所述电解液包括碳酸亚乙烯酯(VC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)、1,3-丙烯磺酸内酯(PST)和1,3-丙烷磺酸内酯(PS)中的至少一种。上述物质与式(A)化合物协同作用，有利于抑制电池产气，提高电池的安全性能。
在本发明一些实施方式中，所述电解液可以在-30℃～25℃的低温场景下正常使用。
在本发明一种实施方式中，所述电解液包括锂盐，所述锂盐的浓度为0.5M～2M。本发明所提供的电解液中锂盐的浓度为0.5M～2M，不仅使得电解液粘度适中、电导率优异，还可以提供足够的锂电子与电解液中的式(A)进行配位，充分发挥式(A)功效，有效调节锂离子的溶剂化结构，改变界面传递阻抗。
在本发明的一种实施方式中，上述锂盐包括六氟磷酸锂(LiPF6)。在本发明的一种实施方式中，上述电解液还包含锂盐，上述锂盐包含四氟硼酸锂(LiBF4)、双草酸硼酸锂(LiBOB)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)、二氟二草酸磷酸锂(LiDFOP)、四氟草酸磷酸锂(LiOTFP)、双(氟磺酰)亚胺锂(LiFSI)、双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)中的至少一种。
在本发明的一种实施方式中，电解液还包含六氟磷酸锂和双(氟磺酰)亚胺锂，六氟磷酸锂在非水性有机溶剂中具有适中的离子迁移数、适中的解离常数、较好的抗氧化性能和良好的铝箔钝化能力，又能与各种正负极材料匹配；双(氟磺酰)亚胺锂电解电导率较高、水解稳定性好，有利于对电池的倍率性能和稳定性进行提升。
在本发明的一些实施方式中，上述有机溶剂包括碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、γ-丁内酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、甲酸丙酯、丙酸甲酯、二苯醚、二甲基亚砜、环丁砜中的至少一种。
本发明还提出了一种二次电池，其中，包括正极极片、负极极片和如上述的电解液。
在本发明的一些实施方式中，所述正极极片包括正极活性材料，所述正极活性材料包括镍钴锰材料，所述镍钴锰材料包括LiaNixCoyMnzMeO2，其中，0.9≤a≤1.1，0≤e≤0.1，0.3≤x＜1.0，0＜y＜0.4，0.1＜z＜0.4，x+y+z＝1.0，M包含Al、Zr、Sr、Ti、B、Mg、Sn、W、Y、Ba、Nb、Mo、Ta、Si、La、Er、Nd、Gd、Ce中的至少一种。
在本发明的一些实施方式中，所述负极片包括负极活性材料，所述负极活性材料包括碳硅负极材料、石墨或硬碳中的至少一种。
在本发明的一些实施方式中，负极极片还包括导电剂及粘结剂；可选地，所述导电剂包括导电炭黑、乙炔黑、科琴黑、碳纳米管、石墨烯中的至少一种，所述粘结剂包括羧甲基纤维素基粘结剂和树脂类粘结剂。
在本发明的一些实施方式中，羧甲基纤维素基粘结剂包括羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素锂中的至少一种；和/或树脂类粘结剂包括丁苯橡胶、聚丙烯酸、聚丙烯腈中的至少一种。
在本发明的一些实施方式中，所述负极极片的制备方式如下：将上述用于制备负极极片的组分，例如包括上述负极活性材料、粘接剂和导电剂分散于去离子水等溶剂中，形成负极浆料；将负极浆料涂覆在铜箔等负极集流体的两面上；经烘烤、辊压、裁片等工序后，即可得到负极极片。
在本发明的一些实施方式中，所述正极极片包括正极集流体以及设置于上述正极集流体上的正极活性材料层，所述正极活性材料层的压实密度为1.6g/cm3～2.8g/cm3；在一些实施方式中，所述正极活性材料层的压实密度可以为1.8g/cm3～2.5g/cm3；在一些实施方式中，所述正极活性材料层的压实密度可以为2.0g/cm3～2.2g/cm3。所述正极活性材料层的压实密度在本发明的范围内，有利于提升电池的容量和比能量。
在本发明的一些实施方式吧中，所述正极活性材料层的面密度为260g/m2～330g/m2；在一些实施方式中，上述正极活性材料层的面密度为280g/m2～310g/m2；在一些实施方式中，上述正极活性材料层的面密度为290g/m2～300g/m2。
在本发明的一些实施方式中，所述正极极片还包括导电剂，所述导电剂包括导电炭黑、乙炔黑、科琴黑、碳纳米管、石墨烯、硬碳、碳纤维、碳微球中的至少一种。
在本方的一些实施方式中，所述正极极片还包括粘接剂，所述粘接剂包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、偏氟乙-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醋树脂中的至少一种。
在本发明的一些实施方式中，所述的正极极片的制备方式如下：将上述用于制备正极极片的组分，例如包括上述正极材料的正极活性材料、粘接剂和导电剂分散于N-甲基呲咯烷酮等溶剂中，形成正极浆料；将正极浆料涂覆在铝箔等正极集流体上；经烘干、辊压、模切等工序后，即可得到正极极片。
可以理解地，本发明实施例提供的二次电池还包括隔离膜。
在实际应用中，将负极极片、隔膜与正极极片按顺序叠好进行卷绕得到卷芯，对卷芯进行封装得到裸电芯，将裸电芯烘烤后进行注液、化成、二封、分选，得到上述二次电池。
本发明实施例所提供的二次电池，其充电截止电压为4.2V～4.8V。
本发明还提出了一种用电设备，其中，包括上述的二次电池，该二次电池作为所述用电设备的供电电源。
对于上述二次电池实施例以及用电设备实施例而言，其包括上述的电解液，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述，相关之处参见电解液实施例的部分说明即可。
下面通过实施例对本发明进行详细说明。
性能测试方法
(1)常温DCR测试：在25±2℃下，将电池按1C充电至3.9V，再以1C容量放电30min，调至50％SOC后，10C恒流脉冲放电10s，在按照上述调SOC的方法调至50％SOC后，再充电10s，计算DCR＝(脉冲放电前电压－脉冲放电后电压)/放电电流*100％。
(2)常温循环性能测试：在25±2℃下，将电池以0.33C/0.33C的充放电倍率在2.5～4.2V范围内进行充放电循环测试，并记录电池的首周放电比容量及500周循环后的放电比容量，计算500周的容量保持率＝500周的放电比容量/首周放电比容量*100％。
(3)低温循环性能测试：在-10℃下，将电池以0.33C/0.33C的充放电倍率在2.5～4.2V范围内进行充放电循环测试，并记录电池的首周放电比容量及500周循环后的放电比容量，计算500周的容量保持率＝500周的放电比容量/首周放电比容量*100％。
实施例1
(1)电解液的制备：
在室温下，在充满氩气的手套箱中(H2O<1ppm，O2<1ppm)，按3:5:2的质量比将EC、EMC、DEC混合均匀，将锂盐逐次加入得到的混合溶剂中，搅拌均匀，加入相当于电解液总质量0.01％的A5，搅拌均匀得到电解液。
(2)正极极片的制备
将正极活性材料Li(Ni0.8Mn0.1Co0.1)O2(NMC811)、导电剂乙炔黑(Super P)和粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)按质量比NMC811:Super P:PVDF＝94:3:3混合均匀，并于1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中均匀分散制成均匀的黑色浆料，将混制的黑色浆料涂布在铝箔的两面后，经烘烤、辊压，裁片后得到正极极片。
(3)负极极片的制备
按94:3:3的质量比，将负极活性材料石墨、导电剂乙炔黑(Super P)和粘结剂SBR混合均匀，并于去离子水中均匀分散制成均匀的黑色浆料，将混制的浆料涂布在铜箔的两面后，经烘烤、辊压，裁片后得到负极极片。
(4)锂离子电池的制备
将制得的正极极片、隔膜(隔膜采用PP隔膜)、负极极片按顺序叠好，使隔膜处于正负极片中间，经卷绕，热压整形，极耳焊接得到裸电芯，将裸电芯置于外包装铝塑膜中，置于85±10℃的烘箱中烘烤24h，将上述制备的电解液注入到干燥后的电池中，静置、化成、分容，完成锂离子软包电池的制备。
其余实施例和对比例的制备方法参照实施例1，不同之处见表1。
表1
将各实施例和对比例制作好的电池进行常温DCR测试、常温循环性能测试、低温循环性能测试，测试数据如表1所示。
通过实施例1～24与对比例1的实验结果可以看出，加入具有式A所示结构的化合物，可以降低电池的初始内阻以及循环过程中的内阻增长，提高常温循环和低温存储容量保持率。
通过实施例1～7的实验结果可以看出，随着A5在电解液中含量的增加，生成的界面膜越来越致密，对抑制循环时电池内阻的增加趋势和体积膨胀率有有益效果，减少了存储过程中的不可逆损失，但因过高的式A使用量使得初始阻抗增加明显，不利于电池的动力学性能，因此，A5在电解液中的质量百分数优选0.05％～3％。
通过实施例8与实施例16～17可知，正极极片中正极活性材料层的压实密度和面密度均会影响正负极界面膜的稳定性，从而影响电池的循环性能，其中，在正极活性材料层的压实密度为1.6g/cm-3～2.8g/cm-3、面密度为260g/cm-3～330g/m2时，电池的DCR变化率更低、低温循环性能尤佳。
综上所述，在本实施例中，电解液包括具有式(A)的化合物，式(A)中具有烷氧基、氮原子及二氧杂环戊基；其中，烷氧基结构有助于式(A)和锂离子之间进行配位，从而调节锂离子的溶剂化结构，改变界面传递阻抗；N杂原子则有助于负极侧形成高锂离子通过能力的界面膜，提高负极的离子传输能力，有力改善其在快充和低温场景中的应用性能；而二氧杂环戊基更容易发生开环反应；因此，式(A)的加入可以分别在正极和负极表面形成阻抗小且稳定的钝化膜，抑制界面阻抗增加及电解液分解，从而提高电池低温循环的稳定性，因而解决了现有锂离子电池在低温场景下容易出现析锂、极化、电极处钝化膜阻抗较高的问题。
尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所述权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
以上对本发明所提供的一种电解液、二次电池及用电设备，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种电解液，其特征在于，包括式(A)化合物：
其中，R1、R2、R3分别独立包含氢、取代或未取代的C1～C10的烷基、取代或未取代的C1～C10的酯基、取代或未取代嘧啶基、取代或未取代的三唑并嘧啶基的至少一种；
所述取代的基团包含羟基、苯基、氨基、卤素、烷硫基、硅氧烷基、氟苯取代的环丙烷基中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述式(A)化合物的结构式包含式(A1)～(A9)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，以电解液总质量为基础，所述式(A)化合物的质量百分含量为0.01％～5％。
4.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，以电解液总质量为基础，所述式(A)化合物的质量百分含量为0.05％～3％。
5.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述电解液还包括碳酸亚乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烯磺酸内酯和1,3-丙烷磺酸内酯中的至少一种。
6.一种二次电池，其特征在于，包括正极极片、负极极片和如权利要求1～5任一所述的电解液。
7.根据权利要求6所述的二次电池，所述正极极片包括正极活性材料，所述正极活性材料包括镍钴锰材料，所述镍钴锰材料包括LiaNixCoyMnzMeO2，其中，0.9≤a≤1.1，0≤e≤0.1，0.3≤x＜1.0，0＜y＜0.4，0.1＜z＜0.4，x+y+z＝1.0，M包含Al、Zr、Sr、Ti、B、Mg、Sn、W、Y、Ba、Nb、Mo、Ta、Si、La、Er、Nd、Gd、Ce中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的二次电池，其特征在于，所述正极极片包括正极集流体以及设置于所述正极集流体上的正极活性材料层，所述正极活性材料层的压实密度为1.6g/cm3～2.8g/cm3。
9.根据权利要求6所述的二次电池，其特征在于，所述正极活性材料层的面密度为260g/cm2～330g/m2。
10.一种用电设备，其特征在于，包括权利要求6～9任一所述的二次电池，所述二次电池作为所述用电设备的供电电源。
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