CN116918122A - 非水电解质、二次电池和用电装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种非水电解质、二次电池和用电装置。所述非水电解质包括含硼锂盐添加剂、含磷锂盐添加剂和含硫锂盐添加剂中的至少两种;基于非水电解质的总质量计,含硼锂盐添加剂的质量百分含量为A1%;基于非水电解质的总质量计,含磷锂盐添加剂的质量百分含量为A2%;基于非水电解质的总质量计,含硫锂盐添加剂的质量百分含量为A3%;非水电解质满足:0<A1+A2+A3≤3。本申请可以改善二次电池的循环性能和动力学性能。
Description
技术领域
本申请涉及电池领域,具体涉及一种非水电解质、二次电池和用电装置。
背景技术
二次电池具有容量高、寿命长等特性,因此广泛应用于电子设备,例如手机、笔记本电脑、电瓶车、电动汽车、电动飞机、电动轮船、电动玩具汽车、电动玩具轮船、电动玩具飞机和电动工具等等。
随着电池应用范围越来越广泛,对二次电池性能的要求也逐渐严苛。为了提高二次电池的性能,通常对二次电池内的材料例如电解质进行优化改善。电解质作为二次电池中金属离子的传输介质,对二次电池的性能具有不可忽略的影响。
然而,目前改进后的电解质在应用于二次电池时,二次电池在使用过程中仍无法同时兼顾改善循环性能和动力学性能。
发明内容
本申请是鉴于上述课题而进行的,其目的在于,提供一种非水电解质、二次电池和用电装置。
本申请的第一方面提供了一种用于二次电池的非水电解质,所述非水电解质包括含硼锂盐添加剂、含磷锂盐添加剂和含硫锂盐添加剂中的至少两种;基于非水电解质的总质量计,含硼锂盐添加剂的质量百分含量为A1%;基于非水电解质的总质量计,含磷锂盐添加剂的质量百分含量为A2%;基于非水电解质的总质量计,含硫锂盐添加剂的质量百分含量为A3%;非水电解质满足:0<A1+A2+A3≤3;可选地,0.01≤A1+A2+A3≤2。
由此,本申请通过控制含硼锂盐添加剂、含磷锂盐添加剂和含硫锂盐添加剂质量百分含量满足上述公式,含硼锂盐添加剂和含磷锂盐添加剂能够共同参与形成CEI膜,CEI膜的结构组成丰富,其膜层致密且均匀,对正极活性材料能够起到良好的防护作用,且能够有效降低电解质的分解,保证电解质的性能稳定,从而提升二次电池的循环稳定性;且CEI膜的界面阻抗相对较低,有利于提升二次电池的动力学性能。含硼锂盐添加剂和含硫锂盐添加剂协同作用,含硼锂盐添加剂能够对正极集流体起到钝化作用,降低含硫锂盐添加剂对正极集流体腐蚀的风险,从而进一步改善二次电池的循环稳定性。含硼锂盐添加剂、含磷锂盐添加剂和含硫锂盐添加剂中的至少两种共同作用,能够改善电解液的电导率,从而进一步改善二次电池的动力学性能;并且含硼锂盐添加剂、含磷锂盐添加剂和含硫锂盐添加剂中的至少两种共同作用,能够共同在负极活性材料表面形成SEI膜,SEI膜的结构组成丰富,其膜层致密且均匀,能够有效地对负极活性材料起到防护作用,并且SEI膜的界面阻抗相对较低,能够有效提升二次电池的动力学性能。
在任意实施方式中,非水电解质满足条件(1)至条件(3)中的至少一者:(1)0<A1≤2.4;(2)0<A2≤2.1;(3)0<A3≤2.1。含硼锂盐添加剂的质量百分含量在上述范围时,能够保证含硼锂盐添加剂充分在正极活性材料和/或负极活性材料表面形成界面膜,以对正极活性材料和/或负极活性材料进行良好的防护,以改善二次电池的循环稳定性。含磷锂盐添加剂的质量百分含量在上述范围时,能够保证含磷锂盐添加剂充分在正极活性材料和/或负极活性材料表面形成界面膜,以对正极活性材料和/或负极活性材料进行良好的防护,以改善二次电池的循环稳定性。含硫锂盐添加剂的质量百分含量在上述范围时,能够保证电解液的稳定性。
在任意实施方式中,含硼锂盐添加剂包括双氟草酸硼酸锂LiDFOB、四氟硼酸锂LiBF4和双草酸硼酸锂LiBOB中的一种或多种;和/或含磷锂盐添加剂包括二氟磷酸锂LiPO2F2、氟磷酸锂Li2PO3F和磷酸锂Li3PO4中的一种或多种;和/或含硫锂盐添加剂包括氟磺酸锂LiFSO3、硫酸锂Li2SO4和氨基磺酸锂LiSO3NH2中的一种或多种。
在任意实施方式中,非水电解质还包括负极成膜添加剂,负极成膜添加剂被配置为在负极活性材料的表面形成界面膜;基于非水电解质的总质量计,负极成膜添加剂的质量百分含量为B%;非水电解质满足:2≤B/(A1+A2+A3)≤60;可选地,3≤B/(A1+A2+A3)≤50。
由此,本申请的含硼锂盐添加剂、含磷锂盐添加以及含硫添加剂共同作用,一方面可以与负极成膜添加剂共同形成SEI膜,改善SEI膜的结构组成和阻抗,提高二次电池的循环性能;另一方面可以作为正极成膜添加剂防护正极活性材料,与负极成膜添加剂协同作用,共同改善二次电池的界面特性,以提高二次电池的循环性能。
在任意实施方式中,负极成膜添加剂包括气态成膜添加剂和/或非气态成膜添加剂;可选地,负极成膜添加剂包括气态成膜添加剂和非气态成膜添加剂;基于非水电解质的总质量计,气态成膜添加剂的质量百分含量为C%;基于非水电解质的总质量计,非气态成膜添加剂的质量百分含量为D%,非水电解质满足:0.005≤C*D≤20;可选地,0.01≤C*D≤15。
由此,本申请通过控制气态成膜添加剂和非气态成膜添加剂的质量百分含量在上述范围,由此能够进一步改善SEI膜的结构,从而提高二次电池的循环性能。
在任意实施方式中,气态成膜添加剂包括一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、三氧化硫、二氧化氮、三氧化二氮、三氧化磷和五氧化磷中的一种或多种;可选地,气态成膜添加剂包括一氧化碳和二氧化碳;基于非水电解质的总质量计,一氧化碳的质量百分含量为C1%;基于非水电解质的总质量计,二氧化碳的质量百分含量为C2%,非水电解质满足:0.01≤C2/C1≤60;可选地,0.1≤C2/C1≤40。
由此,本申请通过控制一氧化碳和二氧化碳的质量百分含量的比值在上述范围时,能够有效改善SEI膜的组成结构,改善二次电池的循环稳定性。
在任意实施方式中,10-6≤C1≤0.1;和/或10-6≤C2≤0.5。
在任意实施方式中,非气态成膜添加剂包括碳酸酯类添加剂、硫酸酯类添加剂和亚硫酸酯类添加剂中的一种或多种;可选地,碳酸酯类添加剂包括环状碳酸酯类添加剂和/或线性碳酸酯类添加剂;进一步地,环状碳酸酯类添加剂包括碳酸亚乙烯酯VC、氟代碳酸乙烯酯FEC、二氟代碳酸乙烯酯DFEC、乙烯基碳酸乙烯酯VEC和碳酸二辛酯CC中的一种或多种;线性碳酸酯类添加剂包括碳酸乙基烯丙酯AEC、碳酸二苯酯DPC和碳酸甲基烯丙酯MAC和聚碳酸酯VA中的一种或多种;可选地,硫酸酯类添加剂包括环状磺酸酯类添加剂和/或硫酸烃基酯类添加剂;进一步地,环状磺酸酯类添加剂包括1,3-丙烷磺酸内酯PS、丙烯磺酸内酯PES、3-氟-1,3-丙磺酸内酯FPS中的一种或多种;硫酸烃基酯类添加剂包括硫酸乙烯酯DTD、硫酸二乙酯DES和硫酸二甲酯DMS中的一种或多种;可选地,亚硫酸酯类添加剂包括亚硫酸乙烯酯ES和/或乙烯基亚硫酸乙烯酯VES。
由此,本申请的非气态成膜添加剂能够在负极活性材料的表面形成SEI膜,且多种组分共同在SEI膜的表面成膜能够丰富SEI膜的膜层结构,并提高SEI膜的结构稳定性。
在任意实施方式中,0<D≤7。
本申请的第二方面还提供了一种二次电池,二次电池包括正极极片、负极极片和如本申请第一方面任一实施方式的非水电解质;正极极片包括正极活性材料;负极极片包括负极活性材料。
本申请第三方面还提供了一种用电装置,包括如本申请第二方面的二次电池。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案,下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面所描述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,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据附图获得其他的附图。
图1是本申请的二次电池的一实施方式的示意图。
图2是图1的二次电池的实施方式的分解示意图。
图3是本申请的电池模块的一实施方式的示意图。
图4是本申请的电池包的一实施方式的示意图。
图5是图4所示的电池包的实施方式的分解示意图。
图6是包含本申请的二次电池作为电源的用电装置的一实施方式的示意图。
附图未必按照实际的比例绘制。
附图标记说明如下:
1、电池包;2、上箱体;3、下箱体;4、电池模块;
5、二次电池;51、壳体;52、电极组件;
53、盖板;
6、用电装置。
具体实施方式
以下,详细说明具体公开了本申请的电解质、二次电池和用电装置的实施方式。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,方法包括步骤(a)和(b),表示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,提到方法还可包括步骤(c),表示步骤(c)可以任意顺序加入到方法,例如,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,“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)。
在本申请中,术语“多个”、“多种”是指两个或两种以上。
随着二次电池的应用及推广,其综合性能受到越来越多的关注。正极活性材料作为嵌锂化合物和提供活性锂离子的一方,其材料结构的稳定性对锂离子电池的整体性能有直接影响。在长期的充放电过程中,正极材料在不断的脱出/嵌入锂离子的过程中,不可避免的会破坏材料自身的结构,嵌锂位置的破坏直接导致不可逆的容量损失。并且正极活性材料容易和电解质发生副反应,从而进一步破坏材料自身的结构。以正极活性材料为三元材料进行说明,三元材料包括锰、钴和镍元素,镍元素能够提高材料的比容量,钴元素能够减少阳离子混合占位,稳定三元材料的晶体结构,锰元素能够降低材料成本,提高材料的结构稳定性和安全性;但是在正极活性材料脱锂过程中,镍元素由+2价氧化到+4价,具有高氧化性的四价镍和电解质容易发生副反应,从而造成活性材料的结构破坏,并使得电池容量衰减。
鉴于上述问题,发明人考虑从防护正极活性材料的角度出发,保证正极活性材料的结构稳定性,基于此,发明人对非水电解质进行了改进,在非水电解质中添加了含硼锂盐添加剂,含硼锂盐添加剂能够在正极活性材料表面形成正极固态电解质界面膜(CathodeElectrolyte Interface,CEI膜),对正极活性材料起到防护作用;但是经发明人进一步研究发现,含硼锂盐添加剂所形成的CEI膜的膜均匀性较差,不能对正极活性材料起到良好的防护作用,使得正极活性材料仍有被显著破坏的可能性,从而降低二次电池的循环性能。另外,为了提高CEI膜的防护性能,可以考虑增加含硼锂盐添加剂的浓度,但是如此形成的CEI膜的阻抗值过高,可能会恶化二次电池的动力学性能。
本申请的发明人在进行大量研究后意外发现,在非水电解质同时包含含硼锂盐添加剂、含磷锂盐添加剂和含硫锂盐添加剂时,三者能够共同在正极活性材料的表面形成致密且均匀的CEI膜,CEI膜能够对正极活性材料起到良好的防护作用,且CEI膜的阻抗较低,由此能够综合提高二次电池的循环性能和动力学性能。接下来对本申请的技术方案进行详细说明。
非水电解质
第一方面,本申请提出了一种非水电解质。非水电解质是二次电池的重要组成部分,在二次电池的正极极片和负极极片之间起着输送金属离子如锂离子的作用。
所述非水电解质包括含硼锂盐添加剂、含磷锂盐添加剂和含硫锂盐添加剂中的至少两种;其中,基于非水电解质的总质量计,含硼锂盐添加剂占电解液总质量的质量百分含量为A1%,基于非水电解质的总质量计,含磷锂盐添加剂占电解液总质量的质量百分含量为A2%,基于非水电解质的总质量计,含硫锂盐添加剂占电解液总质量的质量百分含量为A3%,非水电解质满足:0<A1+A2+A3≤3。
可选地,所述非水电解质包括含硼锂盐添加剂、含磷锂盐添加剂和含硫锂盐添加剂。
虽然机理不甚明确,但是本申请的非水电解质在应用于二次电池时,可以同时提高二次电池的循环性能和动力学性能,发明人推测反应机理可能如下:
含硼锂盐作为以B原子为中心原子的锂盐,其可以与烷氧基、邻二酚、邻羟基、羧酸等配位形成阴离子配合物,阴离子配合物主要为大π共轭结构,中心离子的负电荷分布较为分散,其电荷是离域的,同时阴离子半径较大,使得阴离子在有机溶剂中难以同锂离子形成结合力较强的离子对,其溶解性相对较好。在阴离子配合物中吸电子基团越多,阴离子结构越稳定,锂离子在非水电解质中的溶解度越高,越有利于改善非水电解质的电导率,有利于改善非水电解质的动力学性能,从而改善二次电池的动力学性能。并且在高电位下,含硼锂盐能够钝化正极集流体,对正极集流体起到良好的防护作用。再者含硼锂盐能够在正极活性材料表面形成CEI膜,CEI膜的形成能够有效减少正极活性材料对非水电解质的持续氧化分解,从而能够对正极活性材料起到良好的防护作用,改善正极活性材料的循环稳定性;并且能够降低电解质的分解,保证电解质的稳定性。并且,含硼锂盐还能够在负极活性材料表面形成性能优良的固体电解质界面膜(Solid Electrolyte Interface,SEI膜),SEI膜具有有机溶剂不溶性,在有机电解液中能够稳定存在,能够有效降低电解液中的溶剂分子嵌入至负极活性材料中,从而能够保证负极活性材料的结构稳定性,进而改善二次电池的循环性能。
含磷锂盐添加剂具有相对较大的阴离子基团,具有较高的离子电导率,有利于进一步改善电解液的动力学性能,并且含磷锂盐添加剂可以在正极活性材料表面形成CEI膜,其形成的CEI膜具有较高的锂离子导通性,可以显著抑制电解质的持续分解,并减少正极活性材料中过渡金属离子的溶出,从而提升二次电池的循环性能。此外,含磷锂盐添加剂也能够在负极活性材料的表面形成SEI膜,其具有较低的界面阻抗,从而显著改善电池的循环性能。
含硫锂盐添加剂由于其抗氧化性较好,热稳定性高,对电解质中的水不敏感,不易发生副反应;且含硫锂盐添加剂的电导率相对较高,有利于提升锂离子的迁移速率,从而提升电解液的动力学性能。但是单独使用含硫锂盐添加剂时,其对正极集流体具有腐蚀作用,恶化二次电池的电化学性能。
本申请通过控制含硼锂盐添加剂、含磷锂盐添加剂和含硫锂盐添加剂的质量百分含量满足上述公式,含硼锂盐添加剂和含磷锂盐添加剂能够共同参与形成CEI膜,CEI膜的结构组成丰富,其膜层致密且均匀,对正极活性材料能够起到良好的防护作用,且能够有效降低电解质的分解,保证电解质的性能稳定,从而提升二次电池的循环稳定性;且CEI膜的界面阻抗相对较低,有利于提升二次电池的动力学性能。含硼锂盐添加剂和含硫锂盐添加剂协同作用,含硼锂盐添加剂能够对正极集流体起到钝化作用,降低含硫锂盐添加剂对正极集流体腐蚀的风险,从而进一步改善二次电池的循环稳定性。含硼锂盐添加剂、含磷锂盐添加剂和含硫锂盐添加剂中的至少两种共同作用,尤其是三种共同作用,能够改善电解液的电导率,从而进一步改善二次电池的动力学性能;并且含硼锂盐添加剂、含磷锂盐添加剂和含硫锂盐添加剂中的至少两种共同作用,尤其是三种共同作用,能够共同在负极活性材料表面形成SEI膜,SEI膜的结构组成丰富,其膜层致密且均匀,能够有效地对负极活性材料起到防护作用,并且SEI膜的界面阻抗相对较低,能够有效提升二次电池的动力学性能。可选地,0<A1+A2+A3≤2;示例性地,A1+A2+A3可以为0.5、1、1.2、1.5、1.8、2、2.2、2.5、2.8或3。
在一些实施方式中,含硼锂盐添加剂包括双氟草酸硼酸锂LiDFOB、四氟硼酸锂LiBF4和双草酸硼酸锂LiBOB中的一种或多种。
B原子可以与含氧的草酸类配体相结合,结合后的产物具有优异的热稳定性,易于在正极活性材料和/或负极活性材料的表面形成性能优良的界面膜,从而能够保证正极活性材料和/或负极活性材料的结构稳定性,进而改善二次电池的循环性能。当然B原子也可以和卤素原子尤其是氟原子相结合,氟原子的吸电子诱导效应较强,其热稳定性和化学稳定性较高,且锂离子在电解液中的溶解度较高,能够保证锂离子的溶解度,从而保证电解液的电导率。
四氟硼酸锂LiBF4在和电解质中的有机溶剂例如碳酸酯类溶剂或添加剂配合使用时,四氟硼酸锂所构成的体系的粘度相对较低,有利于锂离子的释放,从而使得电解液中的电导率得到提升。四氟硼酸锂所形成的SEI膜的厚度较均匀,动力学活性较好,二次电池中的电荷转移阻抗较小,由此可以显著改善二次电池的低温性能;SEI膜不易发生热分解,其在高温下的性能较为稳定,故其可以显著改善二次电池的高温性能。
双草酸硼酸锂LiBOB和双氟草酸硼酸锂LiDFOB中的任意一者具有对正极极片中的正极集流体的钝化作用,能够降低和正极集流体发生副反应腐蚀正极集流体的风险,提高正极极片的结构稳定性。并且包含双草酸硼酸锂LiBOB和双氟草酸硼酸锂LiDFOB中的任意一者的电解液不易产生酸性物质,也可以进一步起到降低正极集流体被腐蚀的风险。双草酸硼酸锂LiBOB和双氟草酸硼酸锂LiDFOB和正极活性材料的相容性较好,有利于锂离子的迁移;其能够在正极活性材料和/或负极活性材料的表面形成性能优良的界面膜,提高对正极活性材料和/或负极活性材料的防护性能。
四氟硼酸锂LiBF4、双草酸硼酸锂LiBOB和双氟草酸硼酸锂LiDFOB配合使用,三者能够在正极活性材料表面形成CEI膜,CEI膜有效减少了正极活性材料对电解质的分解;三者还能够在负极活性材料表面形成SEI膜,SEI膜能够提高锂离子的传输和减少电解质的持续还原分解,从而能够改善二次电池的循环稳定性。
在一些实施方式中,0<A1≤2.4。
含硼锂盐添加剂的质量百分含量在上述范围时,能够保证含硼锂盐添加剂充分在正极活性材料和/或负极活性材料表面形成界面膜,以对正极活性材料和/或负极活性材料进行良好的防护,以改善二次电池的循环稳定性。示例性地,含硼锂盐添加剂的质量百分含量A1%可以为0.1%、0.2%、0.5%、1%、2%或2.4%;或者是上述任意两个数值组成的范围。
在一些实施方式中,含磷锂盐添加剂包括二氟磷酸锂LiPO2F2、氟磷酸锂Li2PO3F和磷酸锂Li3PO4中的一种或多种。
上述含磷锂盐添加剂为无机磷酸锂盐,在二次电池初始充电过程中,能够参与正极成膜,形成稳定且低阻抗的CEI膜,该CEI膜能够有效减少电解质的氧化分解,例如可以有效减少电解质中碳酸酯溶剂和正极活性材料表面发生副反应,从而能够保证电解质的结构稳定性,且能够缓解正极活性材料被破坏,改善二次电池的循环性能。并且上述含磷锂盐能够在负极活性材料的表面形成富含LixPOyFz和LiF成分的SEI膜,该SEI膜具有较低的界面阻抗,能够显著改善二次电池的循环性能。
在一些实施方式中,0<A2≤2.1。
含磷锂盐添加剂的质量百分含量在上述范围时,能够保证含磷锂盐添加剂充分在正极活性材料和/或负极活性材料表面形成界面膜,以对正极活性材料和/或负极活性材料进行良好的防护,以改善二次电池的循环稳定性。示例性地,含磷锂盐添加剂的质量百分含量A2%可以为0.1%、0.2%、0.5%、1%、2%或2.1%;或者是上述任意两个数值组成的范围。
在一些实施方式中,含硫锂盐添加剂包括氟磺酸锂LiFSO3、硫酸锂Li2SO4和氨基磺酸锂LiSO3NH2中的一种或多种。
上述含硫锂盐添加剂和含硼锂盐添加剂以及含磷锂盐添加剂共同使用时,能够显著改善电解液的电导率和稳定性。
在一些实施方式中,0<A3≤2.1。
含硫锂盐添加剂的质量百分含量在上述范围时,能够保证电解液的稳定性。示例性地,含硫锂盐添加剂的质量百分含量A3%可以为0.1%、0.2%、0.5%、1%、2%或2.1%。
在一些实施方式中,非水电解质还包括负极成膜添加剂,负极成膜添加剂被配置为在负极活性材料的表面形成界面膜;基于非水电解质的总质量计,负极成膜添加剂的质量百分含量为B%,非水电解质满足:2≤B/(A1+A2+A3)≤60。
非水电解质应用于二次电池时,负极成膜添加剂主要在负极活性材料的表面形成SEI膜,SEI膜作为离子导体可以使得金属离子通过,金属离子通过SEI膜嵌入和脱出,实现二次电池的充放电;但是其同时也作为电子绝缘体,降低电子通过的风险。并且SEI膜具有有机溶剂不溶性,在有机电解质溶剂中能够稳定存在,并且溶剂分子基本不能通过该层膜,有效降低了溶剂分子的共嵌入,降低因溶剂分子的共嵌入导致对负极活性材料的破坏,从而改善活性材料的循环性能和使用寿命。
含硼锂盐添加剂、含磷锂盐添加以及含硫添加剂共同作用,一方面可以与负极成膜添加剂共同形成SEI膜,改善SEI膜的结构组成和阻抗,提高二次电池的循环性能;另一方面可以作为正极成膜添加剂防护正极活性材料,与负极成膜添加剂协同作用,共同改善二次电池的界面特性,以提高二次电池的循环性能。尤其是其比值在上述范围时,能够在保证电解质的电导率的基础上,对正负极活性材料起到良好的防护作用。可选地,3≤B/(A1+A2+A3)≤50;示例性地,B/(A1+A2+A3)可以为2、3、5、6、8、10、12、15、18、20、22、25、28、30、32、35、40、45、50、55或60;或者是上述任意两个数值组成的范围。
在一些实施方式中,0.005≤B≤7。示例性地,负极成膜添加剂的质量百分含量B%可以为0.005%、0.01%、0.05%、0.1%、0.5%、1%、2%、5%、6%或7%;或者是上述任意两个数值组成的范围。
在一些实施方式中,负极成膜添加剂包括气态成膜添加剂和/或非气态成膜添加剂;可选地,负极成膜添加剂包括气态成膜添加剂和非气态成膜添加剂;基于非水电解质的总质量计,气态成膜添加剂的质量百分含量为C%,基于非水电解质的总质量计,非气态成膜添加剂的质量百分含量为D%,非水电解质满足:0.005≤C*D≤20。
气态成膜添加剂能够促使电解质在活性材料的表面形成稳定的SEI膜,且SEI膜主要包括碳酸锂,其性能更稳定,实现对负极活性材料表面的有效钝化;并且能够改善二次电池的功率和循环寿命。
非气态成膜添加剂能够和气态成膜添加剂在负极活性材料表面共同形成SEI膜,SEI膜的膜层结构致密且均匀,二者的共同使用能够降低相互的消耗,并且能够协同改善二次电池的循环性能。本申请通过控制气态成膜添加剂和非气态成膜添加剂的质量百分含量在上述范围,由此能够进一步改善SEI膜的结构,从而提高二次电池的循环性能。可选地,0.01≤C*D≤15;示例性地,C*D可以为0.05、0.01、0.02、0.05、0.1、0.12、0.15、0.2、0.3、0.35、0.4、0.5、0.8、1、1.5、2、2.5、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、18或20;或者是上述任意两个数值组成的范围。
在一些实施方式中,0<D≤7。可选地,0<D≤6。示例性地,非气态成膜添加剂的质量百分含量D%可以为0.1%、1%、2%、3%、4%、5%、6%或7%;或者是上述任意两个数值组成的范围。
作为气态成膜添加剂的示例,气态成膜添加剂包括一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、三氧化硫、二氧化氮、三氧化二氮、三氧化磷和五氧化磷中的一种或多种。上述气态成膜添加剂能够促使SEI膜的形成,改善SEI膜的结构。
进一步地,气态成膜添加剂包括一氧化碳和二氧化碳;基于非水电解质的总质量计,一氧化碳的质量百分含量为C1%;基于非水电解质的总质量计,二氧化碳的质量百分含量为C2%,非水电解质满足:0.01≤C2/C1≤60。
二氧化碳和一氧化碳能够实现负极活性材料表面的钝化,形成富含碳酸锂的SEI膜,改善二次电池的功率和循环寿命。且二氧化碳可直接参与负极活性材料表面成膜反应,一氧化碳能够吸收二次电池体系中释放的氧气,生成二氧化碳,提高二氧化碳的浓度,使得二氧化碳进一步参与负极活性材料表面的成膜反应。二氧化碳和一氧化碳相互作用,能够减少电解质在活性材料表面发生副反应的风险,从而提高电解质的稳定性。本申请通过控制一氧化碳和二氧化碳的质量百分含量的比值在上述范围时,能够有效改善SEI膜的组成结构,改善二次电池的循环稳定性。可选地,0.1≤C2/C1≤40;示例性地,C2/C1可以为0.01、00.01、0.02、0.05、0.1、0.12、0.15、0.2、0.3、0.35、0.4、0.5、0.8、1、1.5、2、2.5、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、22、25、28、30、32、35、38、30、42、45、50、55、58或60;或者是上述任意两个数值组成的范围。
进一步地,10-6≤C1≤0.1;可选地,5*10-6≤C1≤0.08ppm。
示例性地,一氧化碳的质量百分含量C1%可以为10-4%、2*10-4%、5*10-4%、8*10-4%、10-3%、1.5*10-3%、2*10-3%、2.5*10-3%、3*10-3%、3.5*10-3%、4*10-3%、4.5*10-3%、5*10-3%、5.5*10-3%、6*10-3%、7*10-3%、7.5*10-3%、8*10-3%、8.5*10-3%、9*10-3%、9.5*10-3%、10-2%、2*10-2%、3*10-2%、4*10-2%、5*10-2%、6*10-2%、7*10-2%、8*10-2%、9*10-2%或0.1%;或者是上述任意两个数值组成的范围。
进一步地,10-6≤C2≤0.5。可选地,5*10-6≤C2≤0.4。
示例性地,二氧化碳的质量百分含量C2%可以为10-4%、5*10-4%、8*10-4%、10-3%、2*10-3%、2.5*10-3%、3*10-3%、3.5*10-3%、4*10-3%、4.5*10-3%、5*10-3%、5.5*10-3%、6*10-3%、7*10-3%、7.5*10-3%、8*10-3%、8.5*10-3%、9*10-3%、9.5*10-3%、10-2%、2*10-2%、5*10-2%、6*10-2%、8*10-2%、10-1%、1.1*10-1%、1.2*10-1%、1.5*10-1%、1.8*10-1%、2*10-1%、2.2*10-1%、2.5*10-1%、2.8*10-1%、3*10-1%、3.2*10-1%、3.8*10-1%、4*10-1%、4.2*10-1%、4.5*10-1%、4.8*10-1%或0.5%;或者是上述任意两个数值组成的范围。
作为非气态成膜添加剂的示例,非气态成膜添加剂包括碳酸酯类添加剂、硫酸酯类添加剂和亚硫酸酯类添加剂中的一种或多种。非气态成膜添加剂能够在负极活性材料的表面形成SEI膜,且多种组分共同在SEI膜的表面成膜能够丰富SEI膜的膜层结构,并提高SEI膜的结构稳定性。
示例性地,碳酸酯类添加剂包括环状碳酸酯类添加剂和/或线性碳酸酯类添加剂;进一步地,环状碳酸酯类添加剂包括碳酸亚乙烯酯VC、氟代碳酸乙烯酯FEC、二氟代碳酸乙烯酯DFEC、乙烯基碳酸乙烯酯VEC和碳酸二辛酯CC中的一种或多种;线性碳酸酯类添加剂包括碳酸乙基烯丙酯AEC、碳酸二苯酯DPC和碳酸甲基烯丙酯MAC和聚碳酸酯VA中的一种或多种。环状碳酸酯类添加剂具有较强介电常数,其能够更大程度的溶解锂盐,使得锂盐更容易解离出锂离子,提高电解液的电导率;线性碳酸酯类添加剂具有相对较低的粘度,能够提高锂离子的迁移速率。
示例性地,硫酸酯类添加剂包括环状磺酸酯类添加剂和/或硫酸烃基酯类添加剂;进一步地,环状磺酸酯类添加剂包括1,3-丙烷磺酸内酯PS、丙烯磺酸内酯PES、3-氟-1,3-丙磺酸内酯FPS中的一种或多种;硫酸烃基酯类添加剂包括硫酸乙烯酯DTD、硫酸二乙酯DES和硫酸二甲酯DMS中的一种或多种。
示例性地,亚硫酸酯类添加剂包括亚硫酸乙烯酯ES和/或乙烯基亚硫酸乙烯酯VES。
在一些实施方式中,非水电解质还包括有机溶剂。有机溶剂还可包括选自碳酸乙烯酯EC、碳酸亚丙酯PC、碳酸甲乙酯EMC、碳酸二乙酯DEC、碳酸二甲酯DMC、碳酸二丙酯DPC、碳酸甲丙酯MPC、碳酸乙丙酯EPC、碳酸亚丁酯BC、甲酸甲酯MF、乙酸甲酯MA、乙酸乙酯EA、乙酸丙酯PA、丙酸甲酯MP、丙酸乙酯EP、丙酸丙酯PP、丁酸甲酯MB、丁酸乙酯EB、1,4-丁内酯GBL、环丁砜SF、二甲砜MSM、甲乙砜EMS和二乙砜ESE中的一种或多种的组合。
本申请的电解液可以按照本领域常规的方法制备。例如,可以将添加剂、溶剂、电解质盐等混合均匀,得到电解液。各物料的添加顺序并没有特别的限制,例如,可以将添加剂、电解质盐等加入到非水溶剂中混合均匀,得到非水电解液。
在本申请中,电解液中各组分及其含量可以按照本领域已知的方法测定。例如,可以通过气相色谱-质谱联用法(GC-MS)、离子色谱法(IC)、液相色谱法(LC)、核磁共振波谱法(NMR)等进行测定。
需要说明的是,本申请的电解液测试时,可直接取新鲜制备的电解液,也可以从二次电池中获取电解液。从二次电池中获取电解液的一个示例性方法包括如下步骤:将二次电池放电至放电截止电压(为了安全起见,一般使电池处于满放状态)后进行离心处理,之后取适量离心处理得到的液体即为非水电解液。也可以从二次电池的注液口直接获取非水电解液。
二次电池
第二方面,本申请还提供了一种二次电池。
二次电池包括正极极片、负极极片和隔离膜以及电解质。隔离膜设置于正极极片和负极极片之间。电解质可以采用本申请第一方面任一实施方式提供的电解质。通过采用上述电解质,可以改善二次电池的循环性能和动力学性能。
[正极极片]
在一些实施例中,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上的正极膜层。例如,正极集流体具有在自身厚度方向相对的两个表面,正极膜层设置于正极集流体的两个相对表面中的任意一者或两者上。
正极膜层包括正极活性材料,正极活性材料可采用本领域公知的用于二次电池的正极活性材料。例如,正极活性材料可包括锂过渡金属氧化物、橄榄石结构的含锂磷酸盐及其各自的改性化合物中的至少一种。锂过渡金属氧化物的示例可包括锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、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、锂镍钴铝氧化物及其各自的改性化合物中的至少一种。橄榄石结构的含锂磷酸盐的示例可包括磷酸铁锂、磷酸铁锂与碳的复合材料、磷酸锰锂、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及其各自的改性化合物中的至少一种。本申请并不限定于这些材料,还可以使用其他可被用作二次电池正极活性材料的传统公知的材料。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。
在一些实施例中,正极活性材料包括LiNixCoyM1-x-yO2,其中,M选自Co、Ni、Mn、Mg、Cu、Zn、Al、Sn、B、Ga、Cr、Sr、V和Ti中的任意一种,且0≤y≤1,0≤x<1,x+y+z≤1,。正极活性材料与含硼锂盐配合使用,含硼锂盐中的B原子容易与正极活性材料中的O原子结合,从而降低正极活性材料的电荷转移电阻、降低锂离子在正极活性材料体相内的扩散阻力。因此,当非水电解液中含有合适含量的四氟硼酸锂和双氟草酸硼酸锂时,低钴或无钴正极活性材料能具有显著改善的锂离子扩散速率,低钴或无钴正极活性材料体相内的锂离子能及时地补充到表面,避免低钴或无钴正极活性材料表面过脱锂,从而稳定低钴或无钴正极活性材料的晶体结构。由于低钴或无钴正极活性材料的晶体结构更稳定,因此能够极大地降低由于低钴或无钴正极活性材料表面出现过脱锂而导致正极活性材料结构性质、化学性质或电化学性质变得不稳定等问题出现的概率,例如,正极活性材料不可逆畸变和晶格缺陷增加的问题。
LiNixCoyM1-x-yO2可以按照本领域常规方法制备。示例性制备方法如下:将锂源、镍源、钴源、锰源、铝源、M元素前驱体、N元素前驱体混合后烧结得到。烧结气氛可为含氧气氛,例如,空气气氛或氧气气氛。烧结气氛的O2浓度例如为70%至100%。烧结温度和烧结时间可根据实际情况进行调节。
作为示例,锂源包括但不限于氧化锂(Li2O)、磷酸锂(Li3PO4)、磷酸二氢锂(LiH2PO4)、醋酸锂(CH3COOLi)、氢氧化锂(LiOH)、碳酸锂(Li2CO3)及硝酸锂(LiNO3)中的至少一种。作为示例,镍源包括但不限于硫酸镍、硝酸镍、氯化镍、草酸镍及醋酸镍中的至少一种。作为示例,钴源包括但不限于硫酸钴、硝酸钴、氯化钴、草酸钴及醋酸钴中的至少一种。作为示例,锰源包括但不限于硫酸锰、硝酸锰、氯化锰、草酸锰及醋酸锰中的至少一种。作为示例,铝源包括但不限于硫酸铝、硝酸铝、氯化铝、草酸铝及醋酸铝中的至少一种。作为示例,M元素前驱体包括但不限于M元素的氧化物、硝酸化合物、碳酸化合物、氢氧化合物及醋酸化合物中的至少一种。作为示例,N元素的前驱体包括但不限于氟化铵、氟化锂、氟化氢、氯化铵、氯化锂、氯化氢、硝酸铵、亚硝酸铵、碳酸铵、碳酸氢铵、磷酸铵、磷酸、硫酸铵、硫酸氢铵、亚硫酸氢铵、亚硫酸铵、硫化氢铵、硫化氢、硫化锂、硫化铵及单质硫中的至少一种。
在一些实施例中,基于正极膜层的总质量计,分子式为LiNixCoyM1-x-yO2的层状材料的质量百分含量为80%至99%。例如,分子式为LiNixCoyM1-x-yO2的层状材料的质量百分含量可以为80%,81%,82%,83%,84%,85%,86%,87%,88%,89%,90%,91%,92%,93%,94%,95%,96%,97%,98%,99%或以上任何数值所组成的范围。可选地,分子式为LiNixCoyM1-x-yO2的层状材料的质量百分含量为85%至99%,90%至99%,95%至99%,80%至98%,85%至98%,90%至98%,95%至98%,80%至97%,85%至97%,90%至97%或95%至97%。
在一些实施方式中,正极活性材料包括分子式为LiNixCoyM1-x-y的化合物,式中,M表示Mn、Fe、Mg、Al、Cu和Ti中一种或或多种,x≥0.5,0≤y≤0.2,x+y≤1。上述正极活性材料在高电压下材料表面的缺锂态易导致正极活性材料表面的相变、Li/Ni混排、释氧等,含硼锂盐添加剂、含磷锂盐添加剂和含硫锂盐添加剂能钝化正极活性材料表面,并且能够与金属阳离子例如Al3+和Ni2+结合,可改善Li/Ni的混排及钝化铝箔。进一步地,CO2和CO能够在负极活性材料表面较好的成膜,同时吸收高电压下带来的正极活性材料释出的氧气,从而改善二次电池的循环寿命。
在一些实施例中,正极膜层还可选地包括正极导电剂。本申请对正极导电剂的种类没有特别的限制,作为示例,正极导电剂包括选自超导碳、导电石墨、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯和碳纳米纤维中的一种或多种的组合。在一些实施例中,基于正极膜层的总质量,正极导电剂的质量百分含量在5%以下。
在一些实施例中,正极膜层还可选地包括正极粘结剂。本申请对正极粘结剂的种类没有特别的限制,作为示例,正极粘结剂可包括选自聚偏氟乙烯(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-六氟丙烯共聚物和含氟丙烯酸酯类树脂中的一种或多种的组合。在一些实施例中,基于正极膜层的总质量,正极粘结剂的质量百分含量在5%以下。
在一些实施例中,正极集流体可采用金属箔片或复合集流体。作为金属箔片的示例,可采用铝箔或铝合金箔。复合集流体可包括高分子材料基层以及形成于高分子材料基层至少一个表面上的金属材料层,作为示例,金属材料可包括选自铝、铝合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银和银合金中的一种或多种的组合,高分子材料基层可包括选自聚丙烯(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)和聚乙烯(PE)中的一种或多种的组合。
正极膜层通常是将正极浆料涂布在正极集流体上,经干燥、冷压而成的。正极浆料通常是将正极活性材料、可选的导电剂、可选的粘结剂以及任意的其他组分分散于溶剂中并搅拌均匀而形成的。溶剂可以是N-甲基吡咯烷酮(NMP),但不限于此。
[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,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,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、钛酸锂和锂铝合金等。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。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。
在一些实施例中,负极膜层还可选地包括负极粘结剂。本申请对负极粘结剂的种类没有特别的限制,作为示例,负极粘结剂可包括选自丁苯橡胶(SBR)、水溶性不饱和树脂SR-1B、水性丙烯酸类树脂(例如,聚丙烯酸PAA、聚甲基丙烯酸PMAA、聚丙烯酸钠PAAS)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯醇(PVA)、海藻酸钠(SA)和羧甲基壳聚糖(CMCS)中的一种或多种的组合。在一些实施例中,基于负极膜层的总质量,负极粘结剂的质量百分含量在5%以下。
在一些实施例中,负极膜层还可选地包括负极导电剂。本申请对负极导电剂的种类没有特别的限制,作为示例,负极导电剂可包括选自超导碳、导电石墨、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯和碳纳米纤维中的一种或多种的组合。在一些实施例中,基于负极膜层的总质量,负极导电剂的质量百分含量在5%以下。
在一些实施例中,负极膜层还可选地包括其他助剂。作为示例,其他助剂可包括增稠剂,例如,羧甲基纤维素钠(CMC-Na)、PTC热敏电阻材料等。在一些实施例中,基于负极膜层的总质量,其他助剂的质量百分含量在2%以下。
在一些实施例中,负极集流体可采用金属箔片或复合集流体。作为金属箔片的示例,可采用铜箔或铜合金箔。复合集流体可包括高分子材料基层以及形成于高分子材料基层至少一个表面上的金属材料层,作为示例,金属材料可包括选自铜、铜合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银和银合金中的一种或多种的组合,高分子材料基层可包括选自聚丙烯(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)和聚乙烯(PE)中的一种或多种的组合。
负极膜层通常是将负极浆料涂布在负极集流体上,经干燥、冷压而成的。负极浆料通常是将负极活性材料、可选的导电剂、可选地粘结剂、其他可选的助剂分散于溶剂中并搅拌均匀而形成的。溶剂可以是N-甲基吡咯烷酮(NMP)或去离子水,但不限于此。
负极极片并不排除除了负极膜层之外的其他附加功能层。例如在某些实施例中,负极极片还包括覆盖在负极膜层表面的保护层。
[隔离膜]
在一些实施方式中,二次电池中还包括隔离膜。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,二次电池可包括外包装。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,二次电池的外包装可以是硬壳,例如硬塑料壳、铝壳、钢壳等。二次电池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。
本申请对二次电池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。如图1是作为一个示例的方形结构的二次电池5。
在一些实施例中,如图1和图2所示,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用于盖设开口,以封闭容纳腔。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封装于容纳腔。电解液浸润于电极组件52中。二次电池5所含电极组件52的数量可以为一个或多个,可根据需求来调节。
本申请的二次电池的制备方法是公知的。在一些实施例中,可将正极极片、隔离膜、负极极片和电解液组装形成二次电池。作为示例,可将正极极片、隔离膜、负极极片经卷绕工艺或叠片工艺形成电极组件,将电极组件置于外包装中,烘干后注入电解液,经过真空封装、静置、化成、整形等工序,得到二次电池。
在本申请的一些实施例中,根据本申请的二次电池可以组装成电池模块,电池模块所含二次电池的数量可以为多个,具体数量可根据电池模块的应用和容量来调节。
图3是作为一个示例的电池模块4的示意图。如图3所示,在电池模块4中,多个二次电池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二次电池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,多个二次电池5容纳于该容纳空间。
在一些实施例中,上述电池模块还可以组装成电池包,电池包所含电池模块的数量可以根据电池包的应用和容量进行调节。
图4和图5是作为一个示例的电池包1的示意图。如图4和图5所示,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块4。电池箱包括上箱体2和下箱体3,上箱体2用于盖设下箱体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。
用电装置
第二方面,本申请提供一种用电装置,用电装置包括本申请的二次电池、电池模块和电池包中的至少一种。二次电池、电池模块和电池包可以用作用电装置的电源,也可以用作用电装置的能量存储单元。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。
用电装置可以根据其使用需求来选择二次电池、电池模块或电池包。
图6是作为一个示例的用电装置的示意图。该用电装置6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高功率和高能量密度的需求,可以采用电池包1或电池模块。
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,可以采用二次电池作为电源。
实施例
下述实施例更具体地描述了本申请公开的内容,这些实施例仅仅用于阐述性说明,因为在本申请公开内容的范围内进行各种修改和变化对本领域技术人员来说是明显的。除非另有声明,以下实施例中所报道的所有份、百分比、和比值都是基于质量计,而且实施例中使用的所有试剂都可商购获得或是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,以及实施例中使用的仪器均可商购获得。
实施例1
1、正极极片的制备
采用厚度为12μm的铝箔作为正极集流体。
将正极活性材料LiNi0.65Co0.07Mn0.28、导电剂炭黑、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按重量比97.5:1.4:1.1在适量的溶剂NMP中充分搅拌混合,形成均匀的正极浆料;将正极浆料均匀涂覆于正极集流体铝箔的表面上,经干燥、冷压后,得到正极极片。
2、负极极片的制备
采用厚度为8μm的铜箔作为负极集流体。
将负极活性材料石墨、粘结剂丁苯橡胶(SBR)、增稠剂羧甲基纤维素钠(CMC-Na)、导电剂炭黑(Super P)按重量比96.2:1.8:1.2:0.8在适量的溶剂去离子水中充分搅拌混合,形成均匀的负极浆料;将负极浆料均匀涂覆于负极集流体铜箔的表面上,经干燥、冷压后,得到负极极片。
3、隔离膜
采用多孔聚乙烯(PE)膜作为隔离膜。
4、电解液的制备
在含水量小于10ppm的环境下,将非水有机溶剂碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯按照体积比1:1:1进行混合得到电解液溶剂,随后将添加剂等溶解于混合后的溶剂中,配置成锂盐浓度为1mol/L的电解液。电解液的具体所包含的物质参见下表。
5、二次电池的制备
将上述正极极片、隔离膜、负极极片按顺序叠好,使隔离膜处于正极极片和负极极片之间起到隔离作用,然后卷绕得到电极组件;将电极组件置于外包装壳中,干燥后注入电解液,经过真空封装、静置、化成、整形等工序,得到锂离子电池。
实施例2
实施例2-1至实施例2-3
二次电池按照与实施例1类似的方法相似制备,不同之处在于调整了“含硼锂盐添加剂”的质量百分含量A1,具体参数详见表1。
实施例2-4至实施例2-5
二次电池按照与实施例1类似的方法相似制备,不同之处在于调整了“含硼锂盐添加剂”的种类,具体参数详见表1。
实施例2-6至实施例2-8
二次电池按照与实施例1类似的方法相似制备,不同之处在于调整了“含磷锂盐添加剂”中的质量百分含量A2,具体参数详见表1。
实施例2-9
二次电池按照与实施例1类似的方法相似制备,不同之处在于调整了“含磷锂盐添加剂”中的种类,具体参数详见表1。
实施例2-10至实施例2-12
二次电池按照与实施例1类似的方法相似制备,不同之处在于调整了“含硫锂盐添加剂”中的质量百分含量A3,具体参数详见表1。
实施例2-13
二次电池按照与实施例1类似的方法相似制备,不同之处在于调整了“含硫锂盐添加剂”中的种类,具体参数详见表1。
对比例
对比例1的二次电池按照与实施例1类似的方法相似制备,不同之处在于,对比例1未添加含硼锂盐添加剂,具体参数详见表1。
对比例2的二次电池按照与实施例1类似的方法相似制备,不同之处在于,对比例1未添加含磷锂盐添加剂,具体参数详见表1。
对比例3的二次电池按照与实施例1类似的方法相似制备,不同之处在于,对比例1未添加含硫锂盐添加剂,具体参数详见表1。
对比例4的二次电池按照与实施例1类似的方法相似制备,不同之处在于调整了“含硼锂盐添加剂”的质量百分含量,且A1+A2+A3>3,具体参数详见表1。
表1
实施例3
实施例3-1至实施例3-5
二次电池按照与实施例1类似的方法相似制备,不同之处在于调整了“负极成膜添加剂”中的质量百分含量B,具体参数详见表2至表4。
实施例3-6至实施例3-8
二次电池按照与实施例1类似的方法相似制备,不同之处在于调整了“负极成膜添加剂”中的种类,具体参数详见表2至表4。
实施例3-9至实施例3-15
二次电池按照与实施例1类似的方法相似制备,不同之处在于调整了“负极成膜添加剂”中的种类,添加了气态成膜添加剂。
在电解液中的添加剂还包括气态成膜添加剂时,先加入非气态成膜添加剂,在加入非气态成膜添加剂添加后,再在注液机上用-0.07MPa至-0.1MPa的真空度(真空度是指实际压力与大气压的差值)抽真空0.5-3分钟,然后注入气态成膜添加剂;具体参数详见表2至表4。
实施例3-16至实施例3-22
二次电池按照与实施例1类似的方法相似制备,不同之处在于调整了气态成膜添加剂中的一氧化碳和二氧化碳的质量比C2/C1;具体参数详见表2至表4。
表2
表3
表4
表4中A=A1+A2+A3,即A表示含硼锂盐添加剂、含磷锂盐添加剂和含硫锂盐添加剂的总质量百分含量。
C=C1+C2,即C表示气态成膜添加剂的总质量百分含量。
D=D1+D2+D3,即D表示非气态成膜添加剂的总质量百分含量。
B=C+D,即B表示负极成膜添加剂的总质量百分含量。
测试部分
1、电解质中的各组分的含量测试方法
接取新鲜制备的电解液,也可以从二次电池中获取电解液,然后采用以下方法的一种或几种进行电解液成分的测定。气相色谱-质谱联用法(GC-MS)、离子色谱法(IC)、液相色谱法(LC)、核磁共振波谱法(NMR)等。
气相色谱-质谱联用法(GC-MS):按照GB/T-9722-2006/GB/T6041-2002,采用气相色谱和质谱联用,气相色谱将样品中各组分分离后,各组分在质谱中被打碎成离子碎片,按照质荷比(m/z)分开形成特定的质谱图,获得电解液中各有机成分的定性分析,然后使电解液中各有机成分在色谱柱中实现分离并生成各组分检测信号谱图,利用保留时间进行组分定性,配标校正峰面积实现定量,获得电解液中有机成分的定量测试分析。
离子色谱法(IC):按照JY/T-020,通过离子色谱检测电解液中锂盐及锂盐添加剂的阴离子对其进行定量。
核磁共振波谱法(NMR):按照JY/T 0578-2020,获取电解液中成分的定性及定量分析。
2、二次电池的性能测试
2.1二次电池45℃循环性能测试
在45℃下,将二次电池以1C恒流充电至4.3V,继续恒压充电至电流为0.05C,此时二次电池为满充状态,记录此时的充电容量,即为第1圈充电容量;将二次电池静置5min后,以1C恒流放电至2.8V,此为一个循环充放电过程,记录此时的放电容量,即为第1圈放电容量。将二次电池按照上述方法进行循环充放电测试,记录每圈循环后的放电容量。二次电池25℃循环600圈容量保持率(%)=600圈循环后的放电容量/第1圈放电容量×100%。
2.2动力学性能
取2.1中45℃循环后的二次电池,0.1C充电至3.7V,然后在PRS340/11-119-11布劳恩手套箱中进行二次电池拆解,取正负极极片,采用碳酸二甲酯DMC对极片进行清洗,然后将极片冲切成23*34mm2大小的方片,然后按照极片-隔离膜-极片的顺序放置在专用铝塑膜中,用移液枪取1M LiPF6 EC/EMC/DEC=3/5/2电解液,注入300微升,然后采用简易封装机进行封装,组装成正极-正极&负极-负极的对称电池,然后在上海辰华电化学工作站上测试25℃、500kHz-30mHz频次、频次点数73的交流阻抗,然后以阻抗的实部为横坐标,虚部的负数为纵坐标作图,根据图中的谷底位置对应的横坐标Rct(电荷传递电阻)来表征阴阳极动力学好坏。
测试结果
本申请在改善二次电池的循环性能和动力学性能的作用如表5和表6所示。
表5
由表5可知,相较于对比例1至3,实施例1至实施例2-13在非水电解质中添加含硼锂盐添加剂、含磷锂盐添加剂和含硫锂盐添加剂,在0<A1+A2+A3≤3时;尤其是0.01≤A1+A2+A3≤2时,三者能够在正负极活性材料表面形成良好的防护,有利于保证正负极活性材料的稳定性,从而改善二次电池的循环性能;且其在活性材料表面所形成的界面膜致密且均匀,且其阻抗相对较小,有利于改善二次电池的动力学性能。当A1+A2+A3>3时(实施例2-3、实施例2-8或实施例2-12),其在活性材料表面形成形成的界面膜可能过厚,导致界面阻抗较高,从而无法很好的改善二次电池的动力学性能。
表6
项目 | 45℃循环性能 | 动力学性能-阴极Rct | 动力学性能-阳极Rct |
实施例1 | 85.0% | 200 | 50 |
实施例3-1 | 84.0% | 220 | 48 |
实施例3-2 | 87.0% | 180 | 50 |
实施例3-3 | 86.0% | 190 | 54 |
实施例3-4 | 85.8% | 191 | 55 |
实施例3-5 | 84.7% | 203 | 56 |
实施例3-6 | 86.0% | 196 | 54 |
实施例3-7 | 85.8% | 197 | 55 |
实施例3-8 | 85.2% | 198 | 54 |
实施例3-9 | 86.0% | 200 | 46 |
实施例3-10 | 85.5% | 200 | 48 |
实施例3-11 | 88.0% | 196 | 44 |
实施例3-12 | 85.8% | 198 | 48 |
实施例3-13 | 85.5% | 199 | 48 |
实施例3-14 | 85.6% | 198 | 48 |
实施例3-15 | 85.4% | 198 | 50 |
实施例3-16 | 87.0% | 200 | 47 |
实施例3-17 | 88.0% | 199 | 46 |
实施例3-18 | 89.0% | 198 | 44 |
实施例3-19 | 89.5% | 198 | 42 |
实施例3-20 | 89.9% | 200 | 43 |
实施例3-21 | 89.2% | 199 | 44 |
实施例3-22 | 89.0% | 200 | 48 |
由表6可知,实施例3-1至实施例3-8通过调节负极成膜添加剂的用量,可以改善对负极活性材料的防护性能;但是随着负极成膜添加剂用量的增大,负极活性材料表面的界面阻抗会增大,从而使得动力学性能略有下降。
实施例3-9至实施例3-22通过在电解质中添加气态成膜添加剂,气态成膜添加剂和非气态成膜添加剂协同作用,可以进一步改善对负极活性材料的防护性能;且其在负极活性材料表面所形成的SEI膜的界面阻抗较低,能够进一步改善二次电池的动力学性能。
虽然已经参考优选实施例对本申请进行了描述,但在不脱离本申请的范围的情况下,可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是,只要不存在结构冲突,各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例,而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (12)
1.一种非水电解质,包括含硼锂盐添加剂、含磷锂盐添加剂和含硫锂盐添加剂中的至少两种;
基于所述非水电解质的总质量计,所述含硼锂盐添加剂的质量百分含量为A1%;
基于所述非水电解质的总质量计,所述含磷锂盐添加剂的质量百分含量为A2%;
基于所述非水电解质的总质量计,所述含硫锂盐添加剂的质量百分含量为A3%;
所述非水电解质满足:0<A1+A2+A3≤3;可选地,0.01≤A1+A2+A3≤2。
2.根据权利要求1所述的非水电解质,其中,所述非水电解质满足条件(1)至条件(3)中的至少一者:
(1)0<A1≤2.4;
(2)0<A2≤2.1;
(3)0<A3≤2.1。
3.根据权利要求1或2所述的非水电解质,其中,
所述含硼锂盐添加剂包括双氟草酸硼酸锂LiDFOB、四氟硼酸锂LiBF4和双草酸硼酸锂LiBOB中的一种或多种;和/或
所述含磷锂盐添加剂包括二氟磷酸锂LiPO2F2、氟磷酸锂Li2PO3F和磷酸锂Li3PO4中的一种或多种;和/或
所述含硫锂盐添加剂包括氟磺酸锂LiFSO3、硫酸锂Li2SO4和氨基磺酸锂LiSO3NH2中的一种或多种。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的非水电解质,所述非水电解质还包括负极成膜添加剂,所述负极成膜添加剂被配置为在负极活性材料的表面形成界面膜;基于所述非水电解质的总质量计,所述负极成膜添加剂的质量百分含量为B%,
所述非水电解质满足:2≤B/(A1+A2+A3)≤60;可选地,3≤B/(A1+A2+A3)≤50。
5.据权利要求4述的非水电解质,其中,
所述负极成膜添加剂包括气态成膜添加剂和/或非气态成膜添加剂;
可选地,所述负极成膜添加剂包括气态成膜添加剂和非气态成膜添加剂;
基于所述非水电解质的总质量计,所述气态成膜添加剂的质量百分含量为C%
基于所述非水电解质的总质量计,所述非气态成膜添加剂的质量百分含量为D%,
所述非水电解质满足:0.005≤C*D≤20;可选地,0.01≤C*D≤15。
6.根据权利要求5所述的非水电解质,其中,
所述气态成膜添加剂包括一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、三氧化硫、二氧化氮、三氧化二氮、三氧化磷和五氧化磷中的一种或多种;
可选地,所述气态成膜添加剂包括一氧化碳和二氧化碳;
基于所述非水电解质的总质量计,所述一氧化碳的质量百分含量为C1%;
基于所述非水电解质的总质量计,所述二氧化碳的质量百分含量为C2%,
所述非水电解质满足:0.01≤C2/C1≤60;可选地,0.1≤C2/C1≤40。
7.根据权利要求6所述的非水电解质,其中,10-6≤C1≤0.1;和/或10-6≤C2≤0.5。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的非水电解质,其中,
所述非气态成膜添加剂包括碳酸酯类添加剂、硫酸酯类添加剂和亚硫酸酯类添加剂中的一种或多种;
可选地,所述碳酸酯类添加剂包括环状碳酸酯类添加剂和/或线性碳酸酯类添加剂;进一步地,所述环状碳酸酯类添加剂包括碳酸亚乙烯酯VC、氟代碳酸乙烯酯FEC、二氟代碳酸乙烯酯DFEC、乙烯基碳酸乙烯酯VEC和碳酸二辛酯CC中的一种或多种;所述线性碳酸酯类添加剂包括碳酸乙基烯丙酯AEC、碳酸二苯酯DPC和碳酸甲基烯丙酯MAC和聚碳酸酯VA中的一种或多种;
可选地,所述硫酸酯类添加剂包括环状磺酸酯类添加剂和/或硫酸烃基酯类添加剂;进一步地,所述环状磺酸酯类添加剂包括1,3-丙烷磺酸内酯PS、丙烯磺酸内酯PES、3-氟-1,3-丙磺酸内酯FPS中的一种或多种;所述硫酸烃基酯类添加剂包括硫酸乙烯酯DTD、硫酸二乙酯DES和硫酸二甲酯DMS中的一种或多种;
可选地,所述亚硫酸酯类添加剂包括亚硫酸乙烯酯ES和/或乙烯基亚硫酸乙烯酯VES。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的非水电解质,其中,0<D≤7。
10.一种二次电池,包括:
正极极片,其包括正极活性材料;
负极极片,其包括负极活性材料;以及
如权利要求1至9中任一项所述的非水电解质。
11.根据权利要求10所述的二次电池,其中,
所述正极活性材料的分子式为LiNixCoyM1-x-y,分子式中,M表示Mn、Fe、Mg、Al、Cu和Ti中一种或多种,x≥0.5,0≤y≤0.2,x+y≤1。
12.一种用电装置,包括如权利要求10或11所述的二次电池。
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