CN117080566A - 电解液和使用其的电化学装置和电子装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及电解液和使用其的电化学装置和电子装置。具体地,本申请提供一种电解液,其包括第一化合物、第二化合物和式(IV)化合物第一化合物包括式(I)化合物式(II)化合物或式(III)化合物
Description
技术领域
本申请涉及储能领域,具体涉及一种电解液以及使用该电解液的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)具有比能量高、质量轻、循环寿命长等优点,因此在消费类电子产品中广泛应用。随着电子产品向轻薄化和便携化的发展,人们对电池的能量密度、寿命及安全性能等提出了更高的需求。
为进一步提升锂离子电池的能量密度,可在正负极中进行掺杂,但掺杂更高容量的材料一般会带来循环寿命的恶化。为提升循环寿命,可在正极活性材料中掺杂Mn和Al等元素,但Mn和Al元素的掺杂会带来容量的损失。还可通过提升充电截止电压来提高材料的脱锂量进而提高能量密度。但在高电压下,正负极、隔离膜及电解液易发生氧化还原反应,处于不稳定状态,使得电池的循环性能大大恶化。此外,要想提高充电速度(即Li+的传输速度),通常需电解液的电导率较高。提高羧酸酯类的含量可使得电解液流动性增强,电导率提高,但羧酸酯通常易在正负极发生副反应,使得高温循环性能恶化。
有鉴于此,确有必要提供一种可以提升电化学装置在高电压下的能量密度、高温循环性能和倍率性能的有效策略。
发明内容
本申请通过提供一种电解液和使用该电解液的电化学装置和电子装置以试图在至少某种程度上解决至少一种存在于相关领域中的问题。
根据本申请的一个方面,本申请提供了一种电解液,其包括第一化合物、第二化合物和式(IV)化合物,其中:
第一化合物包括式(I)化合物、式(II)化合物或式(III)化合物中的至少一者,式(I)化合物、式(II)化合物、或式(III)化合物和式(IV)化合物的结构式如下:
其中R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7和R8各自独立地选自H、F、C1-C5烷基、C2-C5烯基、C2-C5炔基、氟取代的C1-C5烷基、氟取代的C2-C5烯基、氟取代的C2-C5炔基、磺酸基取代的C2-C5烷基或氰基取代的C2-C5烷基;R1和R2中至少一者含有至少一个氟原子;R3和R4中至少一者含有至少一个氟原子;R5和R6中至少一者含有至少一个氟原子;R7和R8中至少一者含有至少一个氟原子;
第二化合物包括如下化合物中的至少一种:碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸亚丁酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯、碳酸二辛酯、碳酸二戊酯、乙基异丁基碳酸酯、异丙基碳酸甲酯、碳酸二负丁酯、碳酸二异丙酯或碳酸丙酯;并且
基于电解液的质量,第一化合物的质量百分含量为A%且41.6≤A≤79,第二化合物的质量百分含量为B%且4.2≤B≤41.6,式(IV)化合物的质量百分含量为M%且4≤M≤15。
根据本申请的实施例,第一化合物包括下式化合物中的至少一种:
根据本申请的实施例,式(IV)化合物包括下式化合物中的至少一种:
根据本申请的实施例,45.8≤A≤74.9且8.3≤B≤37.4。
根据本申请的实施例,49.9A≤74.9且8.3≤B≤33.3。
根据本申请的实施例,电解液还包含腈类化合物,基于电解液的质量,腈类化合物的质量百分含量为C%,0<C≤7且0<100C/A≤12.0。
根据本申请的实施例,腈类化合物包括具有两个氰基的化合物或具有三个或更多个氰基的化合物中的至少一种,其中:具有两个氰基的化合物包括如下化合物的至少一种:丙二腈、丁二腈、戊二腈、己二腈、辛二腈、对苯二腈、十四烷二腈、偶氮丙二腈、亚甲基戊二腈或戊烯二腈;并且具有三个或更多个氰基的化合物包括如下化合物的至少一种:壬三腈、1,3,5-苯三腈、2,4,6-三氟苯-1,3,5-三腈、2-溴苯-1,3,5-三腈、1,3,6-己烷三腈、1,2,3-丙三甲腈、1,3,5-戊三甲腈、1,2,6-己三甲腈或式(Ⅴ)化合物,式(Ⅴ)化合物包括以下化合物中的至少一种:
根据本申请的实施例,电解液还包含式(VI)化合物:
其中:R9、R10和R11各自独立地选自H、F、取代或未取代的C1-C5烷基、C1-C5烷氧基、C2-C5烯基或C2-C5炔基,当经取代时,取代基选自F、醛基或氰基中的至少一者;R12选自O或-CH(Ra)-;以及Ra选自H、F、取代或未取代C1-C5烷基或C1-C5烷氧基,当经取代时,取代基选自F、醛基或氰基中的至少一者;
并且基于电解液的质量,式(VI)化合物的质量百分含量为D%,且D为0.01至3。
根据本申请的实施例,式(VI)化合物包含如下化合物中的至少一种:
根据本申请的实施例,电解液还包括第一添加剂,第一添加剂包括1,3-丙烷磺内酯、硫酸乙烯酯或碳酸乙烯酯中的至少一种,并且基于电解液的质量,第一添加剂的质量百分含量为小于或等于5%。
根据本申请的实施例,电解液还包括第三化合物,所述第三化合物包括乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丙酸丁酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、丁酸丙酯或丁酸丁酯中的至少一种,并且基于电解液的质量,第三化合物的质量百分含量为小于或等于20%。
根据本申请的另一个方面,本申请提供一种电化学装置,其包括正极、负极、隔膜和本申请所述的电解液。
根据本申请的又一个方面,本申请提供一种电子装置,其包括根据本申请所述的电化学装置。
本申请通过使用包含特定含量、特定类型的第一化合物、第二化合物和式(IV)化合物的电解液,可显著改善电化学装置在高电压下的能量密度、高温循环性能和倍率性能。
本申请的额外层面及优点将部分地在后续说明中描述、显示、或是经由本申请实施例的实施而阐释。
具体实施方式
本申请的实施例将会被详细的描示在下文中。本申请的实施例不应该被解释为对本申请的限制。
在具体实施方式及权利要求书中,由术语“中的至少一种”连接的项目的列表可意味着所列项目的任何组合。例如,如果列出项目A及B,那么短语“A及B中的至少一种”意味着仅A;仅B;或A及B。在另一实例中,如果列出项目A、B及C,那么短语“A、B及C中的至少一种”意味着仅A;或仅B;仅C;A及B(排除C);A及C(排除B);B及C(排除A);或A、B及C的全部。项目A可包含单个元件或多个元件。项目B可包含单个元件或多个元件。项目C可包含单个元件或多个元件。
如本文所用,术语“烷基”预期是具有1至20个碳原子的直链饱和烃结构。“烷基”还预期是具有3至20个碳原子的支链或环状烃结构。当指定具有具体碳数的烷基时,预期涵盖具有该碳数的所有几何异构体;因此,例如,“丁基”意思是包括正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基和环丁基;“丙基”包括正丙基、异丙基和环丙基。烷基实例包括,但不限于甲基、乙基、正丙基、异丙基、环丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、环丁基、正戊基、异戊基、新戊基、环戊基、甲基环戊基、乙基环戊基、正己基、异己基、环己基、正庚基、辛基、环丙基、环丁基、降冰片基等。
如本文所用,术语“烯基”是指可为直链或具支链且具有至少一个且通常1个、2个或3个碳碳双键的单价不饱和烃基团。除非另有定义,否则所述烯基通常含有2个到20个碳原子且包括(例如)-C2-4烯基、-C2-6烯基及-C2-10烯基。代表性烯基包括(例如)乙烯基、正丙烯基、异丙烯基、正-丁-2-烯基、丁-3-烯基、正-己-3-烯基等。
如本文所用,术语“炔基”是指可为直链或具支链且具有至少一个且通常具有1个、2个或3个碳碳三键的单价不饱和烃基团。除非另有定义,否则所述炔基通常含有2个到20个碳原子且包括(例如)-C2-4炔基、-C3-6炔基及-C3-10炔基。代表性炔基包括(例如)乙炔基、丙-2-炔基(正-丙炔基)、正-丁-2-炔基、正-己-3-炔基等。
如本文所用,“烷氧基”指通过氧原子连接至母体结构的烷基(-O-烷基)。当环烷基通过氧原子连接至母体结构时,该基团也可以被称为环烷氧基。实例包括甲氧基、乙氧基、丙氧基、异丙氧基、环丙氧基、丁氧基、第二丁氧基、第三丁氧基、戊氧基、环己氧基等。“全卤代烷氧基”预期是通过氧与母体结构连接的全卤代烷基,例如基团-O-CF3。
电化学装置(例如,锂离子电池)因其优越的性能已广泛应用于各个领域,人们对其性能的要求越来越高,例如,能量密度、循环性能和倍率性能等。通常可通过在正负极中进行掺杂来提高电化学装置的能量密度,例如,在正极活性材料LiCoO2中掺杂Ni元素。然而,在正负极中进行掺杂通常会恶化电化学装置的循环性能,尤其是在高温下的循环寿命。在正极活性材料LiCoO2中进一步掺杂Mn或Al等元素可提升电化学装置的循环寿命,但这些元素又会导致电化学装置的容量损失。还可通过提升充电截止电压来提高材料的脱锂量进而提高能量密度。然而,在高电压下,正负极、隔离膜及电解液易发生氧化还原反应,处于不稳定状态,使得电化学装置的循环性能大大恶化。此外,提高羧酸酯类的含量可使得电解液流动性增强,电导率提高,从而提高充电速度(即Li+的传输速度)。但羧酸酯通常易在正负极发生反应,使得高温循环性能恶化。
为了解决上述问题,本申请提供了一种电解液,其包括第一化合物、第二化合物和式(IV)化合物,其中:
第一化合物包括式(I)化合物、式(II)化合物或式(III)化合物中的至少一者,式(I)化合物、式(II)化合物、式(III)化合物和式(IV)化合物的结构式如下:
其中R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7和R8各自独立地选自H、F、C1-C5烷基、C2-C5烯基、C2-C5炔基、氟取代的C1-C5烷基、氟取代的C2-C5烯基、氟取代的C2-C5炔基、磺酸基取代的C2-C5烷基或氰基取代的C2-C5烷基;R1和R2中至少一者含有至少一个氟原子;R3和R4中至少一者含有至少一个氟原子;R5和R6中至少一者含有至少一个氟原子;R7和R8中至少一者含有至少一个氟原子;
第二化合物包括如下化合物中的至少一种:碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸亚丁酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯、碳酸二辛酯、碳酸二戊酯、乙基异丁基碳酸酯、异丙基碳酸甲酯、碳酸二负丁酯、碳酸二异丙酯或碳酸丙酯;并且
基于电解液的质量,第一化合物的质量百分含量为A%且41.6≤A≤79,第二化合物的质量百分含量为B%且4.2≤B≤41.6,式(IV)化合物的质量百分含量为M%且4≤M≤15。
当在电解液中加入第一化合物时,电化学装置可以获得较好的循环性能,同时由于不需要加入过多的添加剂来不断修复界面,界面消耗的活性锂减少,由此可提高电化学装置的能量密度。此外,在电解液中加入第二化合物,可以增加锂盐的解离,由此可提升电化学装置的倍率性能,大大减少充电时间,从而进一步提升电化学装置的高温循环性能。在电解液中加入式(IV)化合物,能够在负极优先还原形成钝化层,减少负极活性锂消耗,但易靠近负极电极表面,在负极反应脱氢,形成HF,不断刻蚀正极界面。当电解液中第一化合物、第二化合物和式(IV)化合物的含量满足特定范围时,使得第一化合物优先反应,由此生成的界面组分中含有较多的LiF,使得界面具有较高的机械强度和耐腐蚀性,因此电化学装置在高电压下仍具有优异的高温循环性能;同时第二化合物的存在,可避免锂盐解离度不够导致的充电时间大幅增长,由此可改善电化学装置的倍率性能。在电解液中添加上述含量的第一化合物、第二化合物和式(IV)化合物,可使界面持续修复,显著改善电化学装置在高电压下的能量密度、高温循环性能和倍率性能,从而提高电化学装置的综合性能。
在一些实施例中,45.8≤A≤74.9。在一些实施例中,49.9≤A≤74.9。在一些实施例中,A为45.8、49.9、55、60、65、70、74.9或在上述任意两个数值所组成的范围内的值。当电解液中第一化合物的含量在上述范围内时,可进一步改善电化学装置在高电压下的能量密度、高温循环性能和倍率性能,从而提高电化学装置的综合性能。
在一些实施例中,8.3≤B≤37.4。在一些实施例中,8.3≤B≤33.3。在一些实施例中,B为8.3、10、12、15、18、20、25、30、33.3、37.4或在上述任意两个数值所组成的范围内的值。当电解液中第二化合物的含量在上述范围内时,可进一步改善电化学装置在高电压下的能量密度、高温循环性能和倍率性能,从而提高电化学装置的综合性能。
在一些实施例中,第一化合物包括下式化合物中的至少一种:
在一些实施例中,式(IV)化合物包括下式化合物中的至少一种:
在一些实施例中,电解液还包含腈类化合物。
在一些实施例中,腈类化合物包括具有两个氰基的化合物或具有三个或更多个氰基的化合物中的至少一种。
在一些实施例中,具有两个氰基的化合物包括如下化合物的至少一种:丙二腈、丁二腈、戊二腈、己二腈、辛二腈、对苯二腈、十四烷二腈、偶氮丙二腈、亚甲基戊二腈或戊烯二腈。
在一些实施例中,具有三个或更多个氰基的化合物包括如下化合物的至少一种:壬三腈、1,3,5-苯三腈、2,4,6-三氟苯-1,3,5-三腈、2-溴苯-1,3,5-三腈、1,3,6-己烷三腈、1,2,3-丙三甲腈、1,3,5-戊三甲腈、1,2,6-己三甲腈或式(Ⅴ)化合物,式(Ⅴ)化合物包括以下化合物中的至少一种:
在一些实施例中,基于电解液的质量,腈类化合物的质量百分含量为C%,0<C≤7且0<100C/A≤12.0。在一些实施例中,C为0.5、1、2、3、4、5、6、7或在上述任意两个数值所组成的范围内的值。在一些实施例中,100C/A为0.5、1、3、5、8、10、12.0或在上述任意两个数值所组成的范围内的值。
腈类化合物可在正极表面与过渡金属结合,并且第一化合物与腈类化合物构成含有F和氰基的无机化合物或有机组合物的包覆层,其具有第一化合物的抗氧化性,可减少电解液的副反应,同时具有腈类化合物对过渡金属的强络合作用,使得正极材料的结构更加稳定,由此可进一步改善电化学装置在高温高压下的循环性能以及高温存储性能。
在一些实施例中,电解液还包含式(VI)化合物:
其中:R9、R10和R11各自独立地选自H、F、取代或未取代的C1-C5烷基、C1-C5烷氧基、C2-C5烯基或C2-C5炔基,当经取代时,取代基选自F、醛基或氰基中的至少一者;R12选自O或-CH(Ra)-;以及Ra选自H、F、取代或未取代C1-C5烷基或C1-C5烷氧基,当经取代时,取代基选自F、醛基或氰基中的至少一者。
在一些实施例中,式(VI)化合物包含如下化合物中的至少一种:
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在一些实施例中,基于电解液的质量,式(VI)化合物的质量百分含量为D%,且D为0.01至3。在一些实施例中,D为0.01、0.05、0.1、0.5、1、1.5、2、2.5、3或在上述任意两个数值所组成的范围内的值。
式(VI)化合物易与腈类化合物在负极发生反应,可有效地改善第一化合物和腈类化合物对负极的影响,显著提升负极界面的稳定性,由此可显著提升电化学装置在高温高压下的循环性能并增强其热箱性能等热稳定性能。
在一些实施例中,电解液还包括第一添加剂,第一添加剂包括1,3-丙烷磺内酯(PS)、硫酸乙烯酯(DTD)或碳酸乙烯酯(VC)中的至少一种。
在一些实施例中,基于电解液的质量,第一添加剂的质量百分含量为小于或等于5%。在一些实施例中,基于电解液的质量,第一添加剂的质量百分含量为0.1%、0.3%、0.5%、0.8%、1%、1%、5%或在上述任意两个数值所组成的范围内的值。
当电解液包含一定含量的第一添加剂时,可进一步改善电化学装置在高温高压下的循环性能。
在一些实施例中,电解液还包括第二添加剂,第二添加剂包括四氟硼酸锂、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂或二氟磷酸锂中的至少一种。
在一些实施例中,基于电解液的质量,第二添加剂的质量百分含量为小于或等于5%。在一些实施例中,基于电解液的质量,第二添加剂的质量百分含量为1%、2%、3%、4%、5%或在上述任意两个数值所组成的范围内的值。
当电解液包含一定含量的第二添加剂时,基于第二添加剂形成的界面膜具有较优的稳定性,从而改善电化学装置高温高压下的循环性能。
在一些实施例中,电解液还包括第三化合物,所述第三化合物包括乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丙酸丁酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、丁酸丙酯或丁酸丁酯中的至少一种。
在一些实施例中,基于电解液的质量,第三化合物的质量百分含量为小于或等于20%。在一些实施例中,基于电解液的质量,第三化合物的质量百分含量为1%、5%、10%、15%、20%或在上述任意两个数值所组成的范围内的值。
在电解液中加入第三化合物有利于降低电解液的粘度,使得锂离子传输加快。当电解液包含上述含量的第三化合物时,有助于进一步改善电化学装置在高温高压下的循环性能。
在一些实施例中,电解液还包括锂盐,锂盐包括LiPF6、LiTFSI、LiFSI、LiAsF6、LiClO4、LiB(C6H5)4、LiCH3SO3、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2、LiC(SO2CF3)3或Li2SiF6中的至少一种。
在一些实施例中,基于电解液的质量,锂盐的质量百分含量为8%至20%。在一些实施例中,基于电解液的质量,锂盐的质量百分含量为8%、10%、12%、15%、18%、20%或在上述任意两个数值所组成的范围内的值。当电解液中锂盐的含量在上述范围内时,可进一步改善电化学装置的综合性能。
本申请还提供了一种电化学装置,其包括正极、负极、隔离膜和本申请所述的电解液。
在一些实施例中,正极包括正极集流体和设置于正极集流体至少一个表面上的正极材料层,正极材料层包括正极活性材料。在本申请中,上述“设置于正极集流体至少一个表面上的正极材料层”是指,正极材料层可以设置于正极集流体沿自身厚度方向上的一个表面上,也可以设置于正极集流体沿自身厚度方向上的两个表面上。需要说明,这里的“表面”可以是正极集流体表面的全部区域,也可以是正极集流体表面的部分区域,本申请没有特别限制,只要能实现本申请目的即可。本申请对正极集流体没有特别限制,只要能够实现本申请目的即可,例如,可以包含铝箔、铝合金箔或复合集流体(例如铝碳复合集流体)等。
在一些实施例中,正极材料层还可以包括导电剂和粘结剂,本申请对导电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。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。例如,粘结剂可以包括但不限于聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钾、聚丙烯酸锂、聚酰亚胺、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素锂、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、丁苯橡胶或聚偏二氟乙烯中的至少一种。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。
本申请对正极集流体和正极材料层的厚度没有特别限制,只要能够实现本申请目的即可。例如,正极集流体的厚度为6μm至15μm,正极材料层的厚度为30μm至120μm。申请对正极极片的厚度没有特别限制,只要能够实现本申请目的即可,例如,正极极片的厚度为50μm至250μm。
本申请对正极活性材料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,正极活性材料的制备方法可以包括但不限于以下步骤:将LiCoO2(CAS号:12190-79-3)与含镍化合物混合均匀后在空气气氛中热处理后得到正极活性材料。本申请对上述热处理的温度、时间和升温速率没有特别限制,只要能实现本申请的目的即可,例如,热处理的温度为650℃至850℃、时间为22h至26h、升温速率为2℃/min至8℃/min。本申请对LiCoO2与含镍化合物的质量比没有特别限制,只要能实现本申请的目的即可。
在一些实施例中,负极极片可以包括负极集流体和设置于负极集流体至少一个表面上的负极材料层。在本申请中,上述“设置于负极集流体至少一个表面上的负极材料层”是指,负极材料层可以设置于负极集流体沿自身厚度方向上的一个表面上,也可以设置于负极集流体沿自身厚度方向上的两个表面上。需要说明,这里的“表面”可以是负极集流体表面的全部区域,也可以是负极集流体表面的部分区域,本申请没有特别限制,只要能实现本申请目的即可。
本申请对负极集流体没有特别限制,只要能够实现本申请目的即可,例如,可以包含铜箔、铜合金箔、镍箔、不锈钢箔、钛箔、泡沫镍、泡沫铜或复合集流体(例如锂铜复合集流体、碳铜复合集流体、镍铜复合集流体、钛铜复合集流体等)等。负极集流体可以是不含通孔的金属板,也可以是含有通孔的多孔金属板。
在一些实施例中,负极材料层包括负极活性材料,本申请对负极活性材料没有特别限制,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但不限于天然石墨、人造石墨、中间相微碳球、硬碳、软碳、硅、硅-碳复合物、Li-Sn合金、Li-Sn-O合金、Sn、SnO、SnO2、尖晶石结构的锂化TiO2-Li4Ti5O12或Li-Al合金中的至少一种。
在一些实施例中,负极材料层还可以包括导电剂、粘结剂和增稠剂,本申请对导电剂、粘结剂和增稠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,导电剂和粘结剂可以是上述导电剂和上述粘结剂中的至少一种,增稠剂可以包括但不限于羧甲基纤维素钠或羧甲基纤维素锂中的至少一种。本申请对负极材料层中负极活性材料、导电剂、粘结剂和增稠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。
本申请对负极材料层的厚度没有特别限制,只要能够实现本申请目的即可,例如,负极材料层的厚度为30μm至120μm。本申请对负极集流体的厚度没有特别限制,只要能够实现本申请目的即可,例如,负极集流体的厚度为6μm至12μm。本申请对负极极片的厚度没有特别限制,只要能够实现本申请目的即可,例如,负极极片的厚度为50μm至250μm。
电化学装置中的隔离膜用以分隔正极极片和负极极片,防止电化学装置内部短路,允许电解质离子自由通过,且不影响电化学充放电过程的进行。本申请对隔离膜没有特别限制,只要能够实现本申请目的即可。例如,隔离膜的材料可以包括但不限于聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)为主的聚烯烃(PO)类、聚酯(例如,聚对苯二甲酸二乙酯(PET)膜)、纤维素、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺(PA)、氨纶或芳纶中的至少一种。示例性地,聚乙烯包括高密度聚乙烯、低密度聚乙烯或超高分子量聚乙烯中的至少一种。隔离膜的类型可以包括织造膜、非织造膜、微孔膜、复合膜、碾压膜或纺丝膜中的至少一种。
在一些实施例中,隔离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。例如,无机物层包括无机颗粒和粘结剂,所述无机颗粒没有特别限制,例如可以包括氧化铝、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。所述粘结剂没有特别限制,例如可以是上述粘结剂中的至少一种。聚合物层中包含聚合物,聚合物的材料包括聚酰胺、聚丙烯腈、丙烯酸酯聚合物、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醚或聚偏氟乙烯或聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)中的至少一种。
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、隔离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。或者,将正极极片、隔离膜和负极极片按顺序堆叠,然后用胶带将整个叠片结构的四个角固定好得到叠片结构的电极组件,将电极组件置入包装袋内,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。其中,包装袋为本领域已知的包装袋,本申请对此不作限定。
在一些实施例中,电化学装置可以包括电极组件。在一些实施例中,电极组件为卷绕式电极组件或堆叠式电极组件。在一些实施例中,本申请的电化学装置包括,但不限于,所有种类的一次电池、二次电池或电容。在一些实施例中,电化学装置是锂二次电池。在一些实施例中,锂二次电池包括,但不限于:锂金属二次电池、锂离子二次电池、锂聚合物二次电池或锂离子聚合物二次电池。在一些实施例中,电化学装置是钠离子电池。
本申请还进一步提供了一种电子装置,其包括本申请所述电化学装置。
本申请对电子装置的种类没有特别限定,其可以是用于现有技术中已知的任何电子装置。在本申请的一些实施方案中,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CC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等。
下面以锂离子电池为例并且结合具体的实施例说明锂离子电池的制备,本领域的技术人员将理解,本申请中描述的制备方法仅是实例,其他任何合适的制备方法均在本申请的范围内。
实施例
以下说明根据本申请的锂离子电池的实施例和对比例进行性能评估。
一、锂离子电池的制备
1、正极的制备
将正极活性材料钴酸锂(LiCoO2)、导电剂碳纳米管(CNT)、粘结剂聚偏二氟乙烯按照质量比95:2:3进行混合,加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂,在真空搅拌机作用下搅拌至体系成均一状、固含量为75wt%的正极浆料。将正极浆料均匀涂覆于厚度为12μm的正极集流体铝箔的一个表面上,在85℃条件下烘干,冷压后得到正极材料层厚度为100μm的正极极片,然后在铝箔的另一个表面上重复以上步骤,得到双面涂布有正极材料层的正极极片。将正极极片裁切成74mm×867mm的规格并焊接极耳后待用。
2、负极的制备
将负极活性材料人造石墨、丁苯橡胶(SBR)及羧甲基纤维素(CMC)按质量比95:2:3混合,然后加入去离子水作为溶剂,调配成固含量为70wt%的浆料,并搅拌均匀。将浆料均匀涂布在厚度为8μm的铜箔的一个表面上,110℃条件下烘干,冷压后得到负极材料层厚度为150μm的单面涂布负极材料层的负极极片,然后在铜箔的另一个表面上重复以上步骤,得到双面涂布有负极材料层的负极极片。将负极极片裁切成75mm×867mm的规格并焊接极耳后待用。
3、隔离膜的制备
以厚度为15μm的聚乙烯多孔聚合薄膜(厂商:美国CelgarC隔膜有限公司)作为隔离膜。
4、电解液的制备
在含水量小于10ppm的氩气气氛手套箱中,根据以下实施例和对比例的设置,将各组分与0.3%LiBOB和12.5%的六氟磷酸锂(LiPF6)混合均匀,得到电解液。
6、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,使隔离膜处于正极极片和负极极片中间起到隔离的作用,并卷绕得到电极组件,将电极组件装入铝塑膜包装袋中,并在80℃下脱去水分,注入配好的电解液,经过真空封装、静置、化成、整形等工序得到锂离子电池。化成上限电压为4.15V,化成温度为70℃,化成静置时间为2小时。
二、测试方法
1、锂离子电池的放电克容量的测试方法
锂离子扣式电池的制备:在手套箱中,将负极壳、垫片、金属锂片、隔离膜、正极极片、弹片、正极壳按顺序组装,在封装机上封装电池。其中,在放置垫片、金属锂片、隔离膜、正极极片后均滴加电解液以使其浸润,上述正极极片、隔离膜和电解液为各实施例或对比例中的正极极片、隔离膜和电解液,正极极片的直径为14mm,金属锂片的直径为16mm,隔离膜的直径为16.5mm。
在25℃下,将上述制备的锂离子扣式电池以0.2C倍率充电至电压达到4.5V,进一步在4.5V恒定电压下充电至电流低于0.05C,使其处于4.5V满充状态,随后在0.2C倍率下恒流放电,直到电压为3.0V停止,测试锂离子电池的放电容量:锂离子电池的放电克容量=放电容量/正极活性材料的质量。其中,正极活性材料的质量根据正极极片的大小及各实施例或对比例中正极极片制备的配方可以计算得到。
2、锂离子电池的高温循环性能的测试方法
在45℃条件下,将锂离子电池以0.7C恒流充电至4.52V,然后以4.52V恒压充电至电流为0.05C,再用1C恒流放电至3.0V,此为一个充放电循环,记录锂离子电池的第1次循环的放电容量。将锂离子电池按照上述方法充放电循环500圈,记录第500次循环的放电容量。通过下式计算锂离子电池的放电容量保持率:
放电容量保持率=第500次循环的放电容量/第1次循环的放电容量×100%。
通过放电容量保持率可评价锂离子电池的高温循环性能,放电容量保持率越高,锂离子电池的高温循环性能越好,放电容量保持率越低,锂离子电池的高温循环性能越差。
3、锂离子电池的倍率性能的测试方法
将锂离子电池以0.7C恒流充电至4.52V,然后恒压充电至电流为0.05C。静置10分钟后,以0.5C恒流放电到3V,记录放电容量D0;静置15分钟,再次将锂离子电池以0.7C恒流充电至4.52V,然后恒压充电至电流为0.05C。静置10分钟后,以2C恒流放电到3V,记录放电容量D1。通过下式计算锂离子电池的2C倍率:
2C倍率=D1/D0×100%。
4、锂离子电池的高温存储性能的测试方法
在25℃下,测试半充状态下的锂离子电池的厚度,记作C1。之后将锂离子电池以0.7C恒流充电至4.5V,然后恒压充电至电流为0.05C,静置10分钟。将满充电池在85℃静置8小时,在25℃下测试厚度记为C2。通过下式计算锂离子电池的高温存储厚度膨胀率:
高温存储厚度膨胀率=(C2/C1-1)×100%。
5、锂离子电池的热箱测试方法
将锂离子电池在25℃下以0.5C恒流放电至3.0V,再以0.5C恒流充电至4.5V,4.5V下恒压充电至0.05C。放置到130℃、132℃或134℃高温炉中存储1小时,结束后观察电芯是否着火,电芯未着火即判定为通过。每个实施例测试10个样品,计算通过热箱测试的通过率。
三、测试结果
表1展示了电解液中第一化合物和第二化合物及其含量对锂离子电池在高电压下的克容量、倍率性能和高温循环性能的影响。
表1
“EC”表示碳酸乙烯酯、“PC”表示碳酸丙烯酯,“DEC”表示碳酸二乙酯,“EMC”表示碳酸甲乙酯,“Ⅳ-1”表示氟代碳酸乙烯酯。“/”表示未添加或不存在。
如对比例所示,当电解液仅包含式(IV)化合物、第一化合物和第二化合物中的两者时,锂离子电池的在高电压下的克容量、倍率性能和高温循环性能较差。当电解液包含过高含量的第二化合物,锂离子电池的在高电压下的克容量、倍率性能和高温循环性能较差。
如实施例所示,当电解液包含41.6%至79%质量百分含量的第一化合物、4.2%至41.6%质量百分含量的第二化合物和4%至15%质量百分含量的式(IV)化合物时,可显著提升锂离子电池的克容量、2C倍率和放电容量保持率,从而可显著改善锂离子电池的在高电压下的克容量、倍率性能和高温循环性能。当电解液中第一化合物的含量为45.8%-74.9%,尤其是49.9%-74.9%且第二化合物的含量为8.3%-37.4%,尤其是8.3%-33.3%时,改善效果尤为明显。
表2展示了电解液中腈类化合物及其含量对锂离子电池在高温高压下的循环性能和高温存储性能的影响。除表2中所列参数以外,实施例2-1至2-12的其它参数与实施例1-4一致,表2中相较于实施例1-4新增的物质的添加量是通过将实施例1-4中第二化合物的含量减少对应的质量百分含量获得,从而使得电解液中所有物质含量相加等于百分百。
表2
“/”表示未添加或不存在。
结果表明,在包含41.6%至79%的质量百分含量的第一化合物、4.2%至41.6%的质量百分含量的第二化合物和4%至15%的质量百分含量的式(IV)化合物的电解液中进一步添加腈类化合物使其质量百分含量C(wt%)满足0<C≤7且0<100C/A≤12.0,可进一步提高锂离子电池的放电容量保持率,并显著降低锂离子电池的高温存储厚度膨胀率。
表3展示了电解液中式VI化合物及其含量对锂离子电池在高温高压下的循环性能和安全性的影响。除表3中所列参数以外,实施例3-1至3-6的其它参数与实施例2-16一致。表3中相较于实施例2-16新增的物质的添加量是通过将实施例2-16中第二化合物的含量减少对应的质量百分含量获得,从而使得电解液中所有物质含量相加等于百分百。
表3
“/”表示未添加或不存在。
结果表明,在包含41.6%至79%质量百分含量的第一化合物、4.2%至41.6%质量百分含量的第二化合物、4%至15%质量百分含量的式(IV)化合物和不大于7%质量百分含量的腈类化合物的电解液中进一步添加0.01%至3%质量百分含量的的式VI化合物,可进一步提高锂离子电池的放电容量保持率,并显著提高其热箱测试通过率,即改善其安全性。
表4展示了电解液中第三化合物及其含量以及第一添加剂及其含量对锂离子电池在高温高压下的循环性能的影响。除表4中所列参数以外,实施例4-1至4-8的其它参数与实施例2-16一致。表4中相较于实施例1-4新增的物质的添加量是通过将实施例1-4中第二化合物的含量减少对应的质量百分含量获得,从而使得电解液中所有物质含量相加等于百分百。
表4
“VC”表示碳酸乙烯酯,“PS”表示1,3-丙烷磺酸内酯,“DTD”表示硫酸乙烯酯。“/”表示未添加或不存在。
结果表明,在包含41.6%至79%质量百分含量的第一化合物、4.2%至41.6%质量百分含量的第二化合物和4%至15%的质量百分含量的式(IV)化合物的电解液中进一步添加不大于20%的第三化合物和/或不大于5%的第一添加剂,可进一步提高锂离子电池的放电容量保持率。
整个说明书中对“实施例”、“部分实施例”、“一个实施例”、“另一举例”、“举例”、“具体举例”或“部分举例”的引用,其所代表的意思是在本申请中的至少一个实施例或举例包含了该实施例或举例中所描述的特定特征、结构、材料或特性。因此,在整个说明书中的各处所出现的描述,例如:“在一些实施例中”、“在实施例中”、“在一个实施例中”、“在另一个举例中”,“在一个举例中”、“在特定举例中”或“举例”,其不必然是引用本申请中的相同的实施例或示例。此外,本文中的特定特征、结构、材料或特性可以以任何合适的方式在一个或多个实施例或举例中结合。
尽管已经演示和描述了说明性实施例,本领域技术人员应该理解上述实施例不能被解释为对本申请的限制,并且可以在不脱离本申请的精神、原理及范围的情况下对实施例进行改变,替代和修改。
Claims (12)
1.一种电解液,其包括第一化合物、第二化合物和式(IV)化合物,其中:
所述第一化合物包括式(I)化合物、式(II)化合物或式(III)化合物中的至少一者,式(I)化合物、式(II)化合物、式(III)化合物和式(IV)化合物的结构式如下:
其中:
R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7和R8各自独立地选自H、F、C1-C5烷基、C2-C5烯基、C2-C5炔基、氟取代的C1-C5烷基、氟取代的C2-C5烯基、氟取代的C2-C5炔基、磺酸基取代的C2-C5烷基或氰基取代的C2-C5烷基;
R1和R2中至少一者含有至少一个氟原子;
R3和R4中至少一者含有至少一个氟原子;
R5和R6中至少一者含有至少一个氟原子;
R7和R8中至少一者含有至少一个氟原子;
所述第二化合物包括如下化合物中的至少一种:碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸亚丁酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯、碳酸二辛酯、碳酸二戊酯、乙基异丁基碳酸酯、异丙基碳酸甲酯、碳酸二负丁酯、碳酸二异丙酯或碳酸丙酯;并且
基于所述电解液的质量,所述第一化合物的质量百分含量为A%且41.6≤A≤79,所述第二化合物的质量百分含量为B%且4.2≤B≤41.6,所述式(IV)化合物的质量百分含量为4%至15%。
2.根据权利要求1所述电解液,其中所述第一化合物包括下式化合物中的至少一种:
所述式(IV)化合物包括下式化合物中的至少一种:
3.根据权利要求1所述电解液,其中45.8≤A≤74.9且8.3≤B≤37.4。
4.根据权利要求1所述电解液,其中49.9≤A≤74.9且8.3≤B≤33.3。
5.根据权利要求1所述电解液,其中所述电解液还包含腈类化合物,基于所述电解液的质量,所述腈类化合物的质量百分含量为C%,0<C≤7且0<100C/A≤12.0。
6.根据权利要求5所述电解液,其中所述腈类化合物包括具有两个氰基的化合物或具有三个或更多个氰基的化合物中的至少一种,其中:
所述具有两个氰基的化合物包括如下化合物的至少一种:丙二腈、丁二腈、戊二腈、己二腈、辛二腈、对苯二腈、十四烷二腈、偶氮丙二腈、亚甲基戊二腈或戊烯二腈;并且
所述具有三个或更多个氰基的化合物包括如下化合物的至少一种:壬三腈、1,3,5-苯三腈、2,4,6-三氟苯-1,3,5-三腈、2-溴苯-1,3,5-三腈、1,3,6-己烷三腈、1,2,3-丙三甲腈、1,3,5-戊三甲腈、1,2,6-己三甲腈或式(Ⅴ)化合物,所述式(Ⅴ)化合物包括以下化合物中的至少一种:
7.根据权利要求5所述电解液,其中电解液还包含式(VI)化合物:
其中:
R9、R10和R11各自独立地选自H、F、取代或未取代的C1-C5烷基、C1-C5烷氧基、C2-C5烯基或C2-C5炔基,当经取代时,取代基选自F、醛基或氰基中的至少一者;
R12选自O或-CH(Ra)-;以及
Ra选自H、F、取代或未取代C1-C5烷基或C1-C5烷氧基,当经取代时,取代基选自F、醛基或氰基中的至少一者;
并且基于所述电解液的质量,所述式(VI)化合物的质量百分含量为D%,且D为0.01至3。
8.根据权利要求7所述电解液,其中所述式(VI)化合物包含如下化合物中的至少一种:
9.根据权利要求1所述电解液,其中所述电解液还包括第一添加剂,所述第一添加剂包括1,3-丙烷磺内酯、硫酸乙烯酯或碳酸乙烯酯中的至少一种,并且基于所述电解液的质量,所述第一添加剂的质量百分含量为小于或等于5%。
10.根据权利要求1所述电解液,其中所述电解液还包括第三化合物,所述第三化合物包括乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丙酸丁酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、丁酸丙酯或丁酸丁酯中的至少一种,并且基于所述电解液的质量,所述第三化合物的质量百分含量为小于或等于20%。
11.一种电化学装置,其包括正极、负极、隔膜和根据权利要求1-10中任一项所述的电解液。
12.一种电子装置,其包含根据权利要求11所述的电化学装置。
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