CN117013047A - 锂离子电池、电池模块、电池包、及用电装置 - Google Patents

锂离子电池、电池模块、电池包、及用电装置 Download PDF

Info

Publication number
CN117013047A
CN117013047A CN202310966459.6A CN202310966459A CN117013047A CN 117013047 A CN117013047 A CN 117013047A CN 202310966459 A CN202310966459 A CN 202310966459A CN 117013047 A CN117013047 A CN 117013047A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ion battery
lithium ion
battery
lithium
negative electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310966459.6A
Other languages
English (en)
Inventor
邹海林
陈培培
彭畅
梁成都
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Contemporary Amperex Technology Co Ltd
Original Assignee
Contemporary Amperex Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Contemporary Amperex Technology Co Ltd filed Critical Contemporary Amperex Technology Co Ltd
Priority to CN202310966459.6A priority Critical patent/CN117013047A/zh
Publication of CN117013047A publication Critical patent/CN117013047A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566—Liquid materials
    • H01M10/0567—Liquid materials characterised by the additives
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566—Liquid materials
    • H01M10/0569—Liquid materials characterised by the solvents
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027—Negative electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0025—Organic electrolyte
    • H01M2300/0028—Organic electrolyte characterised by the solvent
    • H01M2300/0034—Fluorinated solvents
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0025—Organic electrolyte
    • H01M2300/0028—Organic electrolyte characterised by the solvent
    • H01M2300/0037—Mixture of solvents
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
    • H01M4/505—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese of mixed oxides or hydroxides containing manganese for inserting or intercalating light metals, e.g. LiMn2O4 or LiMn2OxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/525—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Primary Cells (AREA)
  • Battery Mounting, Suspending (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)

Abstract

本申请提供一种锂离子电池，包括电极组件和包含氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类物质的电解液。设锂离子电池的化成产气面积系数为α，α＝M×S/200，M为单位面积负极集流体上的负极材料的负载量，M的范围为5mg/cm2～100mg/cm2，S为所述负极集流体上的负极材料的比表面积，S的范围为0.1m2/g～10m2/g；设锂离子电池的排气路径系数为β，β＝100/L，L为负极集流体表面上的负极材料的涂覆区域的宽度，L的范围为L≥50mm；氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类物质在电解液中的质量百分含量w％与α和β满足0.01≤w×β/α≤20。本申请的锂离子电池，能够兼顾高能量密度和低化成产气。

Description

锂离子电池、电池模块、电池包、及用电装置
本申请是基于2021年02月01日提交的名称为“锂离子电池、电池模块、电池包、及用电装置”的专利申请202110138000.8的分案申请。
技术领域
本申请涉及锂离子电池，尤其涉及一种高能量密度低产气量的锂离子电池及其制备方法、电池模块、电池包和用电装置。
背景技术
随着新能源领域的快速发展，锂离子电池凭借其优良的电化学性能、无记忆效应、环境污染小等优势广泛应用于各类大型动力装置、储能系统以及各类消费类产品中，尤其广泛应用于纯电动汽车、混合电动汽车等新能源汽车领域。
在新能源汽车领域，消费者对锂离子电池的续航能力提出了更高的要求。但目前的锂离子电池难以满足人们对续航能力的更高需求，因此更高能量密度的锂离子电池的开发成为锂离子电池研发的主要方向之一。
但是，高能量密度的电池在化成过程中，在负极形成稳定SEI膜的同时，电解液中的溶剂和部分添加剂会被还原或分解而使电池内部产气严重，而且，相比于低能量密度的电池，高能量密度的电池内部产气更为严重。如果化成产生的气体，例如甲烷、乙烷、乙烯、一氧化碳等，不能及时排出，则会在正负极间形成气泡，影响锂离子在正负极的嵌入和脱出，从而导致电池内阻增加、负极界面黑斑、负极界面局部析锂、容量发挥异常等问题，最终影响电池的电性能和安全性能。
因此，亟待开发出一种高能量密度且低化成产气量的锂离子电池。
发明内容
本申请是鉴于上述课题而进行的，目的在于提供一种能量密度高且产气量低的锂离子电池，电池模块、电池包以及用电装置。本申请的锂离子电池，不仅能够提高锂离子电池的能量密度，还能够显著降低化成产气量和黑斑析锂现象，有利于提高锂离子电池的电化学性能和安全性能。
本申请的一个目的在于，提供一种具有高能量密度的锂离子电池。
本申请的一个目的在于，提供一种低化成产气量的高能量密度的锂离子电池。
本申请的一个目的在于，提供一种显著改善的负极黑斑和析锂现象的锂离子电池。
本申请的一个目的在于，提供一种低电池内阻的高能量密度的锂离子电池。
本申请的一个目的在于，提供一种具有改善的循环性能的高能量密度的锂离子电池。
发明人发现，通过采用本申请的技术方案，能够实现一个或多个上述目的。
本申请提供一种锂离子电池，包括：
电极组件，所述电极组件包括负极集流体以及设置于所述负极集流体至少一个表面的负极材料；以及
电解液，包含氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类物质，
设所述锂离子电池的化成产气面积系数为α，α＝M×S/200式(I)，
在所述式(I)中，所述M为单位面积所述负极集流体上的负极材料的负载量，其单位为mg/cm2，所述M的范围为5mg/cm2～100mg/cm2，
在所述式(I)中，所述S为所述负极集流体上的负极材料的比表面积，其单位为m2/g，所述S的范围为0.1m2/g～10m2/g，
设所述锂离子电池的排气路径系数为β，β＝100/L式(II)，
在所述式(II)中，所述L为所述负极集流体表面上的负极材料的涂覆区域的宽度，其单位为mm，所述L的范围为L≥50mm，
其中，所述氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类物质在所述电解液中的质量百分含量w％、所述锂离子电池的化成产气面积系数α与所述锂离子电池的排气系数β满足0.01≤w×β/α≤20式(III)。
本申请发明人经过大量研究和实验发现，当电解液中氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类的质量百分含量w％、化成产气面积系数为α以及排气路径系数为β满足关系式0.01≤w×β/α≤20时，锂离子电池具有改善的能量密度，并且具有很低的化成产气量，能够有效防止化成时负极端出现的黑斑和析锂现象，有利于改善电池内阻并提高电池的电性能。
本申请从锂离子电池本身的结构入手，通过联合调控电池的各种结构参数以及电解液添加剂的种类和含量，综合电池内部各种结构参数和电解液参数的协同作用，得到高能量密度的锂离子电池，同时又解决了高能量密度锂离子电池化成过程产气严重、负极黑斑析锂的问题，显著改善了锂离子电池的内阻和电性能。
在任意实施方式中，可选地，所述氟磺酸盐的结构式为(FSO3)yMy+，My+选自Li+、Na+、K+、Rb+、Cs+、Mg2+、Ca2+、Ba2+、Al3+、Fe2+、Fe3+、Ni2+以及Ni3+中的一种。
在任意实施方式中，可选地，所述二氟磷酸盐的结构式为(F2PO2)yMy+，My+选自Li+、Na+、K+、Rb+、Cs+、Mg2+、Ca2+、Ba2+、Al3+、Fe2+、Fe3+、Ni2+以及Ni3+中的一种。
在任意实施方式中，可选地，所述氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类物质在所述电解液中的质量百分含量w％的范围为0.01％～11％，可选为0.5％～10％，进一步可选为0.5％～5％。
在本申请的高能量密度锂离子电池的设计过程中，向电解液中加入适量(0.01％～11％)氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类物质，能够显著降低化成产气量。通过设定氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类物质的添加量在合适范围内，一方面避免负极端出现黑斑，一方面可以避免电解液粘度增加而影响电解液电导率导致电池内阻增加。
可选地，所述氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类物质在所述电解液中的质量百分含量w％可以为0.5～10％。
可选地，所述氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类物质在所述电解液中的质量百分含量w％可以为0.5～5％。
具体地，当氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类物质在电解液中的质量百分含量w％在0.5％～10％的范围内时，负极端无黑斑现象，锂离子电池兼具显著改善的化成产气量，电池体积能量密度和电池内阻也处于较优水平。
进一步地，当氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类物质在电解液中的质量百分含量w％在0.5％～5％的范围内时，相应的锂离子电池还兼具优良的高温循环特性和常温循环特性。
在任意实施方式中，可选地，所述单位面积负极集流体上的负极材料的负载量M的范围为11mg/cm2～80mg/cm2，可选为11mg/cm2～50mg/cm2。
当单位面积负极集流体上的负极材料的负载量M较少(M低于11mg/cm2)，对锂离子电池的体积能量密度带来不利影响。当负载量为合适范围内时，能够避免负极材料与电解液的接触面积的增加，从而防止化成产气加剧以及电池内阻增加。
在任意实施方式中，可选地，所述负极集流体上的负极材料的比表面积S的范围为0.5m2/g～5m2/g。
当负极材料的比表面积S为合适范围内时，一方面能够提高电解液与负极材料的相界面处反应动力学，从而减小界面反应电阻，提高电池能量密度。
另一方面能够减少化成产气量，避免负极端出现黑斑。
在任意实施方式中，可选地，所述负极集流体表面上的负极材料的涂覆区域的宽度L的范围为50mm≤L≤200mm，可选为50mm≤L≤100mm。
当负极材料的涂覆区域的宽度L为合适范围内时，一方面能够避免化成产生的气体的扩散路径变长，从而不影响气体排出速度，避免出现黑斑现象而对电池的内阻造成一定影响；另一方面，能够减少对锂离子电池的能量密度的影响。
在任意实施方式中，可选地，所述电解液中含有氟代碳酸乙烯酯和/或1,3-丙烷磺酸内酯。
经过大量实验和研究，当在含有氟磺酸盐和/或二氟磷酸盐的电解液中添加额外的氟代碳酸乙烯酯(FEC)和/或1,3-丙烷磺酸内酯(PS)时，在保证锂离子电池具有高能量密度和低化成产气量的前提下，能够显著提高锂离子电池的高低温循环性能。
在任意实施方式中，可选地，所述负极材料的孔隙率为10％～40％。
经过研究，负极材料的孔隙率越大，化成产生的气体从负极材料内部扩散到负极与隔离膜的界面的路径就越多越通畅。但是当负极材料的孔隙率超过50％时，锂离子电池的体积能量密度会降低。当负极材料的孔隙率低于10％时，负极材料的锂离子的嵌入/脱出阻力较大，从而对电池内阻造成一定影响。
通过将负极材料的孔隙率限定为10％～40％，既可以使负极材料内部产生的气体快速扩散出来，同时也能确保电池具有较高的体积能量密度和较低的电池内阻。
本申请第二方面提供一种电池模块，包括本申请的第一方面的锂离子电池。
本申请第三方面提供一种电池包，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块。
本申请第四方面提供一种用电装置，包括本申请第一方面的锂离子电池、
本申请第二方面的电池模块或本申请第三方面的电池包中的至少一种。
附图说明
图1是本申请一实施方式的锂离子锂离子电池的示意图。
图2是图1所示的本申请一实施方式的锂离子电池的分解图。
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包的示意图。
图5是图4所示的本申请一实施方式的电池包的分解图。
图6是本申请一实施方式的用电装置的示意图。
附图标记说明：
1 电池包
2 上箱体
3 下箱体
4 电池模块
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
以下，适当地参照附图详细说明具体公开了本申请的高能量密度低产气量的锂离子电池、电池模块、电池包、用电装置。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。
为了简明，本申请具体地公开了一些数值范围。然而，任意下限可以与任意上限组合形成未明确记载的范围；以及任意下限可以与其它下限组合形成未明确记载的范围，同样任意上限可以与任意其它上限组合形成未明确记载的范围。此外，每个单独公开的点或单个数值自身可以作为下限或上限与任意其它点或单个数值组合或与其它下限或上限组合形成未明确记载的范围。
常规锂离子电池降低化成产气的策略中，常用的解决方法是通过降低化成电流来降低化成产气生成速率，并通过抽负压加快气体抽出速度，以保证电池内部气体及时排出。但经过本申请发明人的深入研究，随着所设计电池能量密度的提高，特别是针对卷绕式电池，按照这种常规方法并不能及时排出化成气体，从而使化成界面劣化。
另一种降低产气的方式是采用小电流分段加压的化成方式，但是这种方式工序繁琐且耗时，操作稳定性差，不利于大规模工业化应用。
由此可见，若要改善锂离子电池化成产气的问题，仅通过调控电池化成过程中的某些工艺方法或操作步骤并不能满足实际需求。因此，若要找到一种长期且有效的改善锂离子电池产气问题的方式，最可行的方式是从锂离子电池本身的结构入手，通过联合调控电池的各种结构参数以及电解液添加剂的种类和含量，开发和设计出低化成产气的锂离子电池。
经过发明人的大量研究和实验，从开发和设计出高能量密度低化成产气量的角度出发，通过综合调控电极组件的结构参数和电解液的种类和含量，具体通过联合调控单位面积集流体上的活性材料的负载量、集流体上负载的活性材料的比表面积、活性材料的涂覆区域长度、以及向电解液中添加氟磺酸盐和/或二氟磷酸类物质，综合利用各种参数的协同作用关系，从锂离子电池本身的结构入手，开发和设计出低化成产气量的高能量密度的锂离子电池。
并且，经过发明人大量研究和实验，当氟磺酸盐和/或二氟磷酸类物质的含量与单位面积集流体上的活性材料的负载量、集流体上负载的活性材料的比表面积、活性材料的涂覆区域长度之间满足一定关系式时，具有满足该关系式的锂离子电池既具有显著提高的高能量密度又能够降低化成产气量。
本申请提出的理论关系式并不仅限于适用于一种电池结构，当因为其他需求改变电池的形状、改变裸电芯的卷绕方式或者改变裸电芯的叠片方式时，该理论关系式同样适用。
[锂离子电池]
通常情况下，锂离子电池包括正极极片、负极极片、电解质和隔离膜。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。电解质在正极极片和负极极片之间起到传导离子的作用。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。
本申请提供一种锂离子电池，包括：
电极组件，所述电极组件包括负极集流体以及设置于所述负极集流体至少一个表面的负极材料；以及
电解液，包含氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类物质，
设所述锂离子电池的化成产气面积系数为α，α＝M×S/200式(I)，
在所述式(I)中，所述M为单位面积所述负极集流体上的负极材料的负载量，其单位为mg/cm2，所述M的范围为5mg/cm2～100mg/cm2，
在所述式(I)中，所述S为所述负极集流体上的负极材料的比表面积，其单位为m2/g，所述S的范围为0.1m2/g～10m2/g，
设所述锂离子电池的排气路径系数为β，β＝100/L式(II)，
在所述式(II)中，所述L为所述负极集流体表面上的负极材料的涂覆区域的宽度，其单位为mm，所述L的范围为L≥50mm，
其中，所述氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类物质在所述电解液中的质量百分含量w％、所述锂离子电池的化成产气面积系数α与所述锂离子电池的排气系数β满足0.01≤w×β/α≤20式(III)。
经过发明人大量研究和实验，若要设计和开发出高能量密度，同时又具有低化成产气量的锂离子电池，需要综合调控电池与提高电池高能量密度相关的、与降低化成产气相关的、既与提高电池高能量密度相关的又与降低化成产气相关的各种参数，而不是只单独调控某一个参数。
具体地，化成产气主要是化成过程中电解液中的有机成分，比如有机溶剂或有机添加剂在负极材料表面还原分解，形成界面保护膜的过程中产生的。增加单位面积集流体上负极材料的负载量M，一方面能够显著提高电池的体积能量密度，但另一方面也会相应增加负极材料与电解液的接触面积，进而造成更多电解液还原分解而产生更多气体。
同理，选用比表面积S较大的负极材料，一方面能够增加负极材料与电解液的接触面积，降低锂离子在相界面的传输阻力，进而提高电池的能量密度，但是，负极材料与电解液的接触面积的增大也会使更多的电解液还原分解，进而产生更多气体。
由此看来，在保证所设计的锂离子电池具有高能量密度的前提下(M的范围为5mg/cm2～100mg/cm2、S的范围为0.1m2/g～10m2/g)，从化成过程中产生气体的角度出发，负极材料的比表面积S和单位面积集流体上负极材料的负载量M都通过影响电解液与负极材料的接触面积而影响化成产气，因此，本申请定义了与M和S相关的化成产气面积系数α，化成产气面积系数α能够从整体上表征电解液与负极材料的接触面积与化成产气的关系。经过发明人大量研究和实验，M、S和α满足关系式α＝M×S/200。
另一方面，从电池内部气体的排出角度考虑，在开发和设计本申请锂离子电池时，对于负极集流体表面上的负极材料的涂覆区域的宽度L，当L设计得较大时，有利于提高电池的体积能量密度，但另一方面也会相应增加电池内部气体的排出路径的长度。在实际裸电芯的设计中，为了进一步增加体积能量密度，需要将L设计得尽可能长，但过长的L并不利于化成产气的快速排出。
由此看来，在保证所设计的锂离子电池具有高能量密度的前提下(L的范围为L≥50mm)，从化成过程中及时排出气体的角度出发，负极材料的涂覆区域的宽度L通过影响气体扩散路径的长度来影响化成产气，因此，本申请定义了与L相关的排气路径系数β，β大小能够表示化成产生的气体排出的难易程度。经过发明人大量研究和实验，L和β满足关系式β＝100/L。
再一方面，从降低化成过程中气体的产生量的角度考虑，改善电解液的配方是更有效改善化成产气的方式。锂离子电池的常用电解液往往包括有机溶剂和有机添加剂，在化成过程中，这些有机成分优先在负极表面还原形成负极界面保护膜，并同时产生气体产物。基于此，本申请通过改善电解液的配方，以氟磺酸盐类或二氟磷酸盐类无机添加剂代替部分常规有机添加剂，这些无机添加剂能够优先于有机溶剂在负极表面还原，直接在石墨等负极活性物质表面还原形成无机物包覆层，因此不会有气体产物形成，也就不存在添加剂的分解产气问题。
进一步地，由于已经优先在负极活性物质表面还原形成无机物包覆层，因而能够有效抑制电解液溶剂在负极表面的还原分解，从而进一步减少了电解液溶剂的还原分解的产气量。
由此看来，在保证所设计的锂离子电池具有高能量密度的前提下(M的范围为5mg/cm2～100mg/cm2、S的范围为0.1m2/g～10m2/g、L的范围为L≥50mm)，从化成过程中产生气体的角度出发，在整个电池的设计和开发过程中，改善电解液的配方是从根本上降低气体生成量的方法。
但是，经过发明人大量的研究和实验，向电解液加入过多的无机盐类添加剂会增加电解液的粘度，恶化电解液电导率，并在一定程度上阻碍锂离子在电解液的迁移速率，进而导致电池内阻增加。
通过上述三方面的论述可知，开发和设计出高能量密度又兼具低化成产气的锂离子电池，是各种参数协同作用的结果，当与之相关的一个参数值改变时，与之相关的其他参数的值需要做出相对应的改变，才能保证电池体积能量密度和化成产气量同时维持在各自最优的范围。
在综合考虑与提高电池高能量密度相关的、与降低化成产气相关的、既与提高电池高能量密度相关的又与降低化成产气相关的各种参数的情况下，本申请发明人经过大量研究和实验发现，当电解液中氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类的质量百分含量w％、化成产气面积系数为α以及排气路径系数为β满足关系式0.01≤w×β/α≤20时，得到的锂离子电池具有显著提高的能量密度，并且具有很低的化成产气量，能够有效防止化成中负极端出现的黑斑和析锂现象，有利于改善电池内阻并提高电池的电性能。
可选地，w×β/α的值可以为19.14、3.83、0.64、0.38、0.19、1.74、0.96、0.24、0.83、1.10、1.65、3.31、0.02、0.87、1.74、3.48、8.70、17.40、19.14，或者其数值在上述任意两个数值合并所获得的范围内。
本申请从锂离子电池本身的结构入手，通过联合调控电极组件的各种结构参数以及电解液添加剂的种类和含量，综合电池内部各种结构参数和电解液参数的协同作用，开发和设计出高能量密度的锂离子电池，同时又解决了高能量密度锂离子电池化成过程产气严重、负极黑斑析锂的问题，显著改善了锂离子电池的内阻和电性能。
[电解液]
电解液在正极极片和负极极片之间起到传导离子的作用。本申请中所述电解液包含氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类物质。
在一些实施方式中，可选地，所述氟磺酸盐的结构式为(FSO3)yMy+，My+选自Li+、Na+、K+、Rb+、Cs+、Mg2+、Ca2+、Ba2+、Al3+、Fe2+、Fe3+、Ni2+以及Ni3+中的一种。
在一些实施方式中，可选地，所述二氟磷酸盐的结构式为(F2PO2)yMy+，My+选自Li+、Na+、K+、Rb+、Cs+、Mg2+、Ca2+、Ba2+、Al3+、Fe2+、Fe3+、Ni2+以及Ni3+中的一种。
在一些实施方式中，可选地，所述氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类物质在所述电解液中的质量百分含量w％的范围为0.01％～11％，可选为0.5％～10％，进一步可选为0.5％～5％。
在本申请高能量密度锂离子电池的设计过程中，向电解液中加入适量(0.01％～11％)氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类物质，能够显著降低化成产气量。通过氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类物质的添加量在合适范围内，一方面避免负极端出现黑斑和析锂，另一方面又可以避免电解液的粘度增加而恶化电解液电导率，并在一定程度上避免锂离子因电解液的迁移速率的降低而导致电池内阻增加。
可选地，所述氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类物质在所述电解液中的质量百分含量w％可以为0.5～10％。
可选地，所述氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类物质在所述电解液中的质量百分含量w％可以为0.5～5％。
具体地，当氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类物质在电解液中的质量百分含量w％在0.5％～10％的范围内时，负极端无黑斑现象，锂离子电池兼具显著改善的化成产气量，电池体积能量密度和电池内阻也处于较优水平。
进一步地，当氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类物质在电解液中的质量百分含量w％在0.5％～5％的范围内时，相应的锂离子电池还兼具优良的高低温循环性能。
可选地，w％的值可以为0.01％、0.1％、0.5％、1％、2％、5％、10％、11％，或者其数值在上述任意两个数值合并所获得的范围内。
在一些实施方式中，溶剂可选自碳酸亚乙酯(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)、氟代碳酸亚乙酯(FEC)、甲酸甲酯(MF)、乙酸甲酯(MA)、乙酸乙酯(EA)、乙酸亚乙酯(FEC)、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)及二乙砜(ESE)中的一种以上。
在一些实施方式中，所述含氟磺酸盐和/或二氟磷酸盐的电解液中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，也可以包括正极成膜添加剂，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、改善电池高温性能的添加剂、以及改善电池低温性能的添加剂等，例如，可以为氟代碳酸乙烯酯(FEC)、1,3-丙烷磺酸内酯(PS)等。
经过大量实验和研究，当在含有氟磺酸盐和/或二氟磷酸盐的电解液中添加额外的氟代碳酸乙烯酯(FEC)和/或1,3-丙烷磺酸内酯(PS)时，在保证锂离子电池具有高能量密度和低化成产气量的前提下，能够显著提高锂离子电池的高低温循环性能。
在一些实施方式中，所述电解液中还可选地包括锂盐，所述锂盐可选自LiN(CxF2x+ 1SO2)(CyF2y+1SO2)、LiPF6、LiBF4、LiBOB、LiAsF6、Li(FSO2)2N、LiCF3SO3以及LiClO4中的一种或几种，其中，x、y为自然数。
[负极极片]
负极极片可以包括负极集流体以及设置在负极集流体至少一个表面的负极材料。负极材料包含负极活性材料，作为负极活性材料可列举出人造石墨、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一种以上。所述锡基材料可选自单质锡、锡氧化合物以及锡合金中的一种以上。
在一些实施方式中，可选地，单位面积负极集流体上的负极材料的负载量M的范围为11mg/cm2～80mg/cm2，可选为11mg/cm2～50mg/cm2。
本申请通过本领域技术人员公知的方式改变单位面积负极集流体上的负极材料的负载量M，比如通过改变浆料涂布过程的涂敷次数。
当单位面积负极集流体上的负极材料的负载量M较少(M低于11mg/cm2)，锂离子电池的体积能量密度带来不利影响。当负载量从50mg/cm2继续增大，一方面对电池体积能量密度的提升并不显著，另一方面，过多的负载量也会增加负极材料与电解液的接触面积，从而加剧化成产气，增加电池内阻。
在一些实施方式中，可选地，单位面积负极集流体上的负极材料的比表面积S的范围为0.5m2/g～5m2/g。
本申请通过本领域技术人员公知的方式改变比表面积S，例如，通过向浆料中加入不同含量的具有不同比表面积S的人造石墨。
当负极材料的比表面积S在合适的范围内，一方面能够提高电解液与负极材料的相界面处反应动力学，从而降低电池内阻，另一方面能够减少化成产气量，避免负极端出现黑斑。
可选地，S的值可以为0.1、0.5、1.1、3、5、10，或者其数值在上述任意两个数值合并所获得的范围内。
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，负极材料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，负极集流体表面上的负极材料的涂覆区域的宽度L的范围为50mm≤L≤200mm，可选为50mm≤L≤100mm。
本申请通过本领域技术人员公知的方式改变负极材料的涂覆区域的宽度L，例如，通过改变分切的工艺过程调控。
当负极材料的涂覆区域的宽度L在合适范围内时，一方面能够避免化成产生的气体的扩散路径变长，从而不使气体排出速度受到影响，避免出现黑斑现象和影响电池的内阻；另一方面能够减少对锂离子电池的能量密度的影响。
可选地，L的值可以为200、150、100、95、50，或者其数值在上述任意两个数值合并所获得的范围内。
在一些实施方式中，可选地，负极材料的孔隙率为10％～40％。
经过研究，负极材料的孔隙率越大，化成产生的气体从负极材料内部扩散到负极与隔离膜的界面的路径就越多越通畅。但是当负极材料的孔隙率超过50％时，锂离子电池的体积能量密度有降低的趋势。当负极材料的孔隙率低于10％时，负极材料的锂离子的嵌入/脱出阻力较大，从而电池内阻有增加的趋势。通过将负极材料的孔隙率限定为10％～40％，既可以使负极材料内部产生的气体快速扩散出来，同时也能确保电池具有较高的体积能量密度和较低的电池内阻。
可选地，负极材料的孔隙率可以为10％、15％、35％，或者其数值在上述任意两个数值合并所获得的范围内。
本申请的锂离子电池中，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)、1,3-丙烷磺酸内酯(PS)、聚乙烯(PE)等的基材)上而形成。
本申请的锂离子电池中，所述负极材料通常包含负极活性材料以及可选的粘结剂、可选的导电剂和其他可选助剂，通常是由负极浆料涂布干燥而成的。负极浆料涂通常是将负极活性材料以及可选的导电剂和粘结剂等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。
作为示例，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一种以上。
作为示例，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)中的一种以上。
其他可选助剂例如是增稠剂(如羧甲基纤维素钠(CMC-Na)等。
[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，正极材料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。
本申请的锂离子电池中，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)、1,3-丙烷磺酸内酯(PS)、聚乙烯(PE)等的基材)上而形成，但本申请并不限定于这些材料。
所述正极材料包括正极活性材料，正极活性材料选自能够脱出和嵌入锂离子的材料。具体地，所述正极活性材料可选自磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、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、锂镍钴铝氧化物以及上述化合物添加其他过渡金属或非过渡金属得到的化合物中的一种或几种，但本申请并不限定于这些材料。
所述正极材料还可选地包括导电剂。但对导电剂的种类不做具体限制，本领域技术人员可以根据实际需求进行选择。作为示例，用于正极材料的导电剂可以选自超导碳、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一种以上。
本申请中可按照本领域已知的方法制备正极极片。作为示例，可以将本申请的正极材料、导电剂和粘结剂分散于溶剂(例如N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，形成均匀的正极浆料；将正极浆料涂覆在正极集流体上，经烘干、冷压等工序后，得到正极极片。
[隔离膜]
采用电解液的锂离子电池、以及一些采用固态电解质的锂离子电池中，还包括隔离膜。隔离膜设置在正极极片和负极极片之间，起到隔离的作用。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一种以上。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，锂离子电池可包括外包装。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，锂离子电池的外包装可以是硬壳，例如硬塑料壳、铝壳、钢壳等。锂离子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(PP)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)以及聚丁二酸丁二醇酯(PBS)等。
本申请对锂离子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。例如，图1是作为一个示例的方形结构的锂离子电池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。锂离子电池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。
另外，以下适当参照附图对本申请的锂离子电池、电池模块、电池包和装置进行说明。
[电池模块]
在一些实施方式中，锂离子电池可以组装成电池模块，电池模块所含锂离子电池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模块的应用和容量进行选择。
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，多个锂离子电池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锂离子电池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，多个锂离子电池5容纳于该容纳空间。
[电池包]
在一些实施方式中，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本领域技术人员可以根据电池包的应用和容量进行选择。
图4和图5是作为一个示例的电池包1。参照图4和图5，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。
[用电装置]
另外，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锂离子电池、电池模块、或电池包中的一种以上。所述锂离子电池、电池模块、或电池包可以用作所述装置的电源，也可以用作所述装置的能量存储单元。所述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。
作为所述用电装置，可以根据其使用需求来选择锂离子电池、电池模块或电池包。
图6是作为一个示例的装置。该装置为纯电动车、混合动力电动车、或插电式混合动力电动车等。为了满足该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块。
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，可以采用锂离子电池作为电源。
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。本申请实施例中各成分的含量，如果没有特别说明，均以质量计。
实施例1
【锂离子电池的制备】
1)正极极片的制备
将正极活性材料LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2、导电剂乙炔黑、粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)按重量比为94:3:3溶于溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，充分搅拌混合均匀后得到正极浆料；之后将正极浆料均匀涂覆于正极集流体上，之后经过烘干、冷压、分切，得到正极极片。
2)负极极片的制备
将活性物质人造石墨、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)按照重量比为95:2:2:1溶于溶剂去离子水中，混合均匀后制备成负极浆料；将负极浆料一次或多次均匀涂覆在负极集流体铜箔上，经过烘干、冷压、分切得到负极材料比表面积S为0.1m2/g、负极材料的负载量M为11mg/cm2、负极材料的涂覆区域的宽度L为95mm的负极极片。
3)电解液的制备
在氩气气氛手套箱中(H2O<0.1ppm，O2<0.1ppm)，将有机溶剂EC/EMC按照体积比3/7混合均匀，加入12.5％ LiPF6锂盐溶解于有机溶剂中，然后加入占电解液总质量1％的氟磺酸锂，搅拌均匀，得到实施例1的电解液。
4)隔离膜
以聚丙烯膜作为隔离膜。
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、负极片之间起到隔离的作用，然后卷绕得到裸电芯，给裸电芯焊接极耳，并将裸电芯装入铝壳中，并在80℃下烘烤除水，随即注入电解液并封口，得到不带电的电池。不带电的电池再依次经过静置、热冷压、化成、整形、容量测试等工序，获得实施例1的锂离子电池产品。
实施例2～24、实施例27～37
实施例2～24、实施例27～37，各自对应的负极材料的比表面积S、负极集流体上负极材料的负载量M、负极材料的涂覆区域的宽度L、电解液中氟磺酸盐/二氟磷酸盐的含量w％如表1所示，其他工艺条件与实施例1相同。最后分别得到实施例2～24、实施例27～37的锂离子电池产品。
实施例25
除向电解液中额外添加占电解液质量1％的氟代碳酸乙烯酯(FEC)以外，其他参数和工艺过程与实施例20相同，获得实施例25的锂离子电池产品。
实施例26
除向电解液中额外添加占电解液质量1％的1,3-丙烷磺酸内酯(PS)以外，其他参数和工艺过程与实施例20相同，获得实施例26的锂离子电池产品。
对比例1～7
对比例1～7，各自对应的负极材料的比表面积S、负极集流体上负极材料的负载量M、负极材料的涂覆区域的宽度L、电解液中氟磺酸盐/二氟磷酸盐的含量w％如表1所示，其他工艺条件与实施例1相同。最后分别得到对比例1～7的锂离子电池产品。
【负极极片相关参数测试】
1)负极材料比表面积S的测试
将所有实施例和对比例的负极极片上的负极材料用刀片刮去下来，然后参照标准GB/T 21650.2-2008进行测试。具体数值参照表1。
2)负极材料的涂覆区域的宽度L的测试
用游标卡尺分别测量所有实施例和对比例负极极片上的负极材料涂敷区域的长度L。具体数值参照表1。
3)负极极片孔隙率的测试
将负极极片冲切成直径为10cm的小圆片，利用千分尺测量厚度，计算表观体积V1，然后参照标准GB/T 24586-2009，采用气体置换法测量真实体积V2，则孔隙率＝(V1-V2)/V1×100％。具体数值参照表4。
【电池性能测试】
1)化成后满充，负极界面黑斑析锂情况
将化成后的所有实施例和对比例的电池先放置45℃静置120min，然后抽真空到-80kPa，接着0.02C恒流充电到3.4V；静置5min后，再0.1C恒流充电到3.75V，卸负压恢复常压。最后0.5C充电到4.2V，达到满充。随后将满充的电池拆解，观察负极界面是否有黑斑和析锂情况。
2)体积能量密度测试
在25℃下，将锂离子电池以1C恒流充电至4.2V，然后以4.2V恒压充电至电流小于0.05C，然后再以0.33C放电到2.8V，得到放电能量Q。利用游标卡尺测量电池的长宽高，计算得到体积V，则体积能量密度＝Q/V。
3)电芯内阻测试
在25℃下，将锂离子电池以1C恒流充电至4.2V，然后以4.2V恒压充电至电流小于0.05C，然后再以0.5C放电60min，即将电芯的电量调整到50％SOC。然后再用交流内阻测试仪连接电芯的正负极测试电池内阻，微扰为5mV，频率为1000赫兹。
4)锂离子电池25℃电池循环性能测试
在25℃下，将锂离子电池以1C恒流充电至4.2V，然后以4.2V恒压充电至电流小于0.05C，然后将锂离子电池以1C恒流放电至2.8V，此为一个充放电过程。如此反复进行充电和放电，计算锂离子电池循环1000次后的容量保持率。
锂离子电池25℃循环1000次后的容量保持率(％)＝(第1000次循环的放电容量/首次循环的放电容量)×100％。
5)锂离子电池45℃循环性能测试
在45℃下，将锂离子电池以1C恒流充电至4.2V，然后以4.2V恒压充电至电流小于0.05C，然后将锂离子电池以1C恒流放电至2.8V，此为一个充放电过程。如此反复进行充电和放电，计算锂离子电池循环800次后的容量保持率。
锂离子电池25℃循环1000次后的容量保持率(％)＝(第800次循环的放电容量/首次循环的放电容量)×100％。
上述所有实施例和对比例的锂离子电池的相关参数和电池性能测试参数分别列于表1～表4。
表1：实施例和对比例锂离子电池相关参数表
/>
表2：实施例和对比例锂离子电池相关参数和性能测试表
/>
/>
表3：实施例和对比例锂离子电池相关参数和性能测试表
表4：实施例和对比例锂离子电池相关参数和性能测试表
【各设计参数对锂离子电池能量密度、化成产气和电池内阻的影响】
根据表1和表2可知，对于实施例1～37的锂离子电池，在各类设计参数的协同作用下，设计和开发的锂离子电池满足关系式0.01≤w×β/α≤20，相应锂离子兼具如下优势：维持高能量密度(实施例1～37的锂离子电池体积能量密度均在550WhL-1以上)、化成产气问题得到明显改善(实施例1～37的锂离子电池未出现大量黑斑和析锂现象)、较低的锂离子电池内阻(实施例1～37的锂离子电池内阻均在0.46mΩ以下，大部分位于0.30～0.37mΩ)。
但是，相比于实施例1～37，对比例1～7的锂离子电池各种设计参数并不满足关系式0.01≤w×β/α≤20，因而对比例1～7的锂离子电池对应效果较差。具体地，对比例1体积能量密度很低(仅有510WhL-1)，同时出现大量黑斑现象，说明化成产气量大，锂离子电池的化成产气问题并未得到改善。对比例2的锂离子电池，尽管体积能量密度适中，但却出现了大量黑斑和析锂现象，说明锂离子电池的化成产气问题并未得到改善。对比例3的锂离子电池尽管未出现黑斑现象，但是其体积能量密度很低(仅有530WhL-1)。对比例4的锂离子电池出现大量黑斑现象，且电池内阻很高(0.553mΩ)。对比例5的锂离子电池尽管没有出现黑斑现象，但是其电池内阻很高(0.658mΩ)。对比例6和对比例7的锂离子电池尽管没有出现黑斑现象，但是其体积能量密度很低(分别仅有500WhL-1和350WhL-1)。
【氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐的含量w％对锂离子电池的影响】
综合表1、表2和表3可知，实施例17～24中，当w％位于0.01％～11％范围时，无大量黑斑出现，电池能量密度和内阻也维持在较优水平。但是相比于实施例17～24，对比例2中的锂离子电池因不含氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类物质而出现大量黑斑和析锂现象，说明该电池化成产气严重。对比例5中，当w％的值较大(15％)时，尽管对电池能量密度基本没影响，但是电池内阻较大。
根据表3可知，实施例19～23中，当w％位于0.5％～10％范围时，锂离子电池的具有高能量密度、无黑斑出现、显著改善的化成产气量、电池内阻也较低。进一步地，实施例19～22中，当w％位于0.5％～5％范围时，对应的锂离子电池还兼具优良的高温循环性能和低温循环性能。
【单位面积负极集流体上的负极材料的负载量M对锂离子电池的影响】
根据表1和表2，通过综合比较实施例6～11，对于实施例7～10，M在11mg/cm2～80mg/cm2范围内，电池能量密度处于较高水平(570～579WhL-1)，电池池内阻也都在0.4mΩ以下。但是，对于实施例6，M的量较低(5mg/cm2)，锂离子电池的能量密度较低(550WhL-1)；对于实施例11，M的量较高(100mg/cm2)，锂离子电池的能量密度较低(550WhL-1)，锂离子电池内阻也相应较大(0.411mΩ)。进一步地，当M的值在11mg/cm2～50mg/cm2的范围时，锂离子电池无黑斑现象，化成产气问题得到显著改善，并且电池能量密度维持在较高水平和电池内阻也较低。
【负极材料的比表面积S对锂离子电池的影响】
根据表1和表2，通过综合比较实施例1～5，实施例2～4的S在0.5m2/g～5m2/g范围内，锂离子电池能量密度较高，负极端未出现黑斑，化成产气问题得到明显改善。但是，对于实施例1，S的值较小(0.1m2/g)，导致电池内阻较大；对于实施例5，S的值(10m2/g)较大，使负极材料与电解液的接触面积增大，从而时负极端出现黑斑现象。
【负极材料的涂覆区域的宽度L对锂离子的影响】
根据表1和表2，通过综合比较实施例12～16和对比例6，相比于对比例6，实施例12～16的L位于50mm≤L≤200mm范围内，此时锂离子电池具有较高的能量密度水平，且电池的内阻较低。对于实施例14～16，L位于50mm≤L≤100mm的范围内，此时锂离子电池不仅具有较高的能量密度水平和较低的电池内阻，并且负极端无黑斑出现，化成产气问题得到显著改善。
【氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺酸内酯添加剂对锂离子电池循环性能的影响】
根据表3，通过比较实施例25、26、20，向含有中氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类物质的电解液中额外添加氟代碳酸乙烯酯或1,3-丙烷磺酸内酯添加剂，能够有效提高锂离子电池的高低温循环性能。
【负极材料的孔隙率对锂离子电池的影响】
根据表4，通过综合比较实施例33～37，实施例33、35、36的孔隙率位于10％～40％范围内，因此对应的锂离子电池内阻(0.41mΩ以下)、体积能量密度较高(～570WhL-1)维持在良好水平。但是，实施例34的负极材料的孔隙率较低，电池内阻较大，实施例37的负极材料的孔隙率较高，锂离子电池的体积能量密度较低。
需要说明的是，本申请不限定于上述实施方式。上述实施方式仅为例示，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 (12)

1.一种锂离子电池，其特征在于，包括：
电极组件，所述电极组件包括负极集流体以及设置于所述负极集流体至少一个表面的负极材料，所述负极材料的孔隙率为5％～50％；以及
电解液，包含氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类物质，
设所述锂离子电池的化成产气面积系数为α，α＝M×S/200式(I)，
在所述式(I)中，所述M为单位面积所述负极集流体上的负极材料的负载量，其单位为mg/cm2，所述M的范围为5mg/cm2～100mg/cm2，
在所述式(I)中，所述S为所述负极集流体上的负极材料的比表面积，其单位为m2/g，所述S的范围为0.1m2/g～10m2/g，
设所述锂离子电池的排气路径系数为β，β＝100/L式(II)，
在所述式(II)中，所述L为所述负极集流体的宽度，其单位为mm，所述L的范围为L≥50mm，
其中，所述氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类物质在所述电解液中的质量百分含量w％、所述锂离子电池的化成产气面积系数α与所述锂离子电池的排气系数β满足0.01≤w×β/α≤20式(III)。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，
所述氟磺酸盐的结构式为(FSO3)yMy+，My+选自Li+、Na+、K+、Rb+、Cs+、Mg2+、Ca2+、Ba2+、Al3+、Fe2+、Fe3+、Ni2+以及Ni3+中的一种。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，
所述二氟磷酸盐的结构式为(F2PO2)yMy+，My+选自Li+、Na+、K+、Rb+、Cs+、Mg2+、Ca2+、Ba2+、Al3 +、Fe2+、Fe3+、Ni2+以及Ni3+中的一种。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的锂离子电池，其特征在于，
所述氟磺酸盐类和/或二氟磷酸盐类物质在所述电解液中的质量百分含量w％的范围为0.01％～11％，可选为0.5％～10％，进一步可选为0.5％～5％。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的锂离子电池，其特征在于，
所述单位面积负极集流体上的负极材料的负载量M的范围为11mg/cm2～80mg/cm2，可选为11mg/cm2～50mg/cm2。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的锂离子电池，其特征在于，
所述负极集流体上的负极材料的比表面积S的范围为0.5m2/g～5m2/g。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的锂离子电池，其特征在于，
所述负极集流体表面上的负极材料的涂覆区域的宽度L的范围为50mm≤L≤200mm，可选为50mm≤L≤100mm。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的锂离子电池，其特征在于，
所述电解液中含有氟代碳酸乙烯和/或1,3-丙烷磺酸内酯。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的锂离子电池，其特征在于，
所述负极材料的孔隙率为10％～40％。
10.一种电池模块，其特征在于，
包括权利要求1～9中任一项所述的锂离子电池。
11.一种电池包，其特征在于，
包括权利要求1～9中任一项所述的锂离子电池或权利要求10所述的电池模块。
12.一种用电装置，其特征在于，
包括权利要求1～9中任一项所述的锂离子电池、权利要求10所述的电池模块或权利要求11所述的电池包中的至少一种。
CN202310966459.6A 2021-02-01 2021-02-01 锂离子电池、电池模块、电池包、及用电装置 Pending CN117013047A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310966459.6A CN117013047A (zh) 2021-02-01 2021-02-01 锂离子电池、电池模块、电池包、及用电装置

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310966459.6A CN117013047A (zh) 2021-02-01 2021-02-01 锂离子电池、电池模块、电池包、及用电装置
CN202110138000.8A CN114843580B (zh) 2021-02-01 2021-02-01 锂离子电池、电池模块、电池包、及用电装置

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110138000.8A Division CN114843580B (zh) 2021-02-01 2021-02-01 锂离子电池、电池模块、电池包、及用电装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117013047A true CN117013047A (zh) 2023-11-07

Family

ID=82561055

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310966459.6A Pending CN117013047A (zh) 2021-02-01 2021-02-01 锂离子电池、电池模块、电池包、及用电装置
CN202110138000.8A Active CN114843580B (zh) 2021-02-01 2021-02-01 锂离子电池、电池模块、电池包、及用电装置

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110138000.8A Active CN114843580B (zh) 2021-02-01 2021-02-01 锂离子电池、电池模块、电池包、及用电装置

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20230128934A1 (zh)
EP (1) EP4113686A4 (zh)
JP (1) JP7454059B2 (zh)
KR (1) KR20220123718A (zh)
CN (2) CN117013047A (zh)
WO (1) WO2022161270A1 (zh)

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4952186B2 (ja) * 2005-10-20 2012-06-13 三菱化学株式会社 二次電池用非水系電解液及びそれを用いた二次電池
JP5678539B2 (ja) 2009-09-29 2015-03-04 三菱化学株式会社 非水系電解液電池
JP5353923B2 (ja) * 2010-02-12 2013-11-27 三菱化学株式会社 非水系電解液及び非水系電解液二次電池
JP2012216521A (ja) * 2011-03-29 2012-11-08 Mitsubishi Chemicals Corp 非水電解質二次電池用負極材の製造方法、及びその製造方法で得られた負極材、負極並びに非水電解質二次電池
JP5970978B2 (ja) * 2011-07-04 2016-08-17 日産自動車株式会社 電気デバイス用正極活物質、電気デバイス用正極及び電気デバイス
JP5765582B2 (ja) 2012-06-29 2015-08-19 トヨタ自動車株式会社 非水電解液二次電池
KR101538903B1 (ko) * 2012-08-02 2015-07-22 닛산 지도우샤 가부시키가이샤 비수계 유기 전해액 이차 전지
JP6162431B2 (ja) * 2013-02-28 2017-07-12 株式会社東芝 電池
JP2017033824A (ja) 2015-08-04 2017-02-09 トヨタ自動車株式会社 リチウムイオン二次電池
TWI666806B (zh) * 2017-03-17 2019-07-21 日商旭化成股份有限公司 非水系二次電池、單元組及併合系統
JP2019040796A (ja) * 2017-08-28 2019-03-14 トヨタ自動車株式会社 非水電解質二次電池
JP7071697B2 (ja) * 2018-06-01 2022-05-19 トヨタ自動車株式会社 非水電解液二次電池
JP7336736B2 (ja) 2018-06-15 2023-09-01 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 非水電解質二次電池
CN109273764A (zh) * 2018-09-14 2019-01-25 东莞市杉杉电池材料有限公司 一种锂离子电池电解液及含有该电解液的锂离子电池
CN112234252A (zh) * 2019-07-15 2021-01-15 杉杉新材料（衢州）有限公司 一种高电压用宽温型锂离子电池非水电解液及锂离子电池
CN112151752A (zh) * 2020-10-15 2020-12-29 宁德新能源科技有限公司 电化学装置和电子装置
CN115064656A (zh) * 2020-10-15 2022-09-16 宁德新能源科技有限公司 电化学装置和电子装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP4113686A1 (en) 2023-01-04
JP7454059B2 (ja) 2024-03-21
CN114843580B (zh) 2023-09-22
KR20220123718A (ko) 2022-09-08
US20230128934A1 (en) 2023-04-27
WO2022161270A1 (zh) 2022-08-04
JP2023514769A (ja) 2023-04-10
EP4113686A4 (en) 2023-09-27
CN114843580A (zh) 2022-08-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102502618B1 (ko) 이차 전지, 이차 전지를 포함하는 전지 모듈, 전지 팩 및 장치
CN113748549B (zh) 二次电池和含有该二次电池的装置
JP2024504217A (ja) 二次電池、電池モジュール、電池パック及び電力消費装置
CN115133020B (zh) 锰酸锂正极活性材料及包含其的正极极片、二次电池、电池模块、电池包和用电装置
US20230395778A1 (en) Positive electrode plate and lithium-ion battery containing same
KR102599884B1 (ko) 이차 전지 및 이차 전지를 포함하는 장치
CN117254118A (zh) 二次电池和用电装置
CN116759646A (zh) 二次电池和用电装置
CN115692842B (zh) 二次电池、电池模块、电池包及用电装置
EP4184649A1 (en) Lithium ion battery, battery module comprising same, battery pack, and electrical apparatus
CN116670846A (zh) 二次电池以及包含其的用电装置
CN112886050B (zh) 二次电池及含有该二次电池的装置
CN114843580B (zh) 锂离子电池、电池模块、电池包、及用电装置
CN116130651A (zh) 极片、锂离子电池、电池模块、电池包及用电装置
CN116918126A (zh) 电解液、二次电池和用电装置
CN116525766B (zh) 二次电池及用电装置
KR20230070442A (ko) 음극판, 이차전지, 전지모듈, 전지팩 및 전기기기
CN117501502A (zh) 一种电解液、二次电池、电池模块、电池包和用电装置
CN117441245A (zh) 一种锂离子二次电池、电池模块、电池包和用电装置
CN116111178A (zh) 二次电池、用于制备二次电池的方法、电池模块、电池包及用电装置
CN116868408A (zh) 电解液、二次电池、电池模块、电池包和装置
CN117461181A (zh) 一种电解液、二次电池、电池模块、电池包和用电装置
CN116420259A (zh) 电解液、二次电池、电池模块、电池包和用电装置
KR20230054311A (ko) 전극 어셈블리, 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 및 전력 소비용 장치
CN117044005A (zh) 电解液及使用其的二次电池、电池模块、电池包以及用电装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination