CN117335008B - 电解液、锂二次电池和用电装置 - Google Patents

电解液、锂二次电池和用电装置 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种电解液、锂二次电池和用电装置，所述电解液包括第一溶剂、含有碳碳双键的硅烷化合物和环状硼酸锂类化合物，所述第一溶剂包括环状碳酸酯类化合物；其中，基于所述电解液的总质量计，所述环状碳酸酯类化合物的质量含量W3、所述含有碳碳双键的硅烷化合物的质量含量W1和所述环状硼酸锂类化合物的质量含量W2之间满足：0.001≤(W1+W2)/W3≤2.67。含有碳碳双键的硅烷化合物和环状硼酸锂类化合物的搭配使用，可提升SEI膜的柔韧性和热稳定性，从而减少锂二次电池循环过程中和存储过程中的产气程度，提升锂二次电池的存储性能、快充性能和循环性能。

Description

电解液、锂二次电池和用电装置
技术领域
本申请涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种电解液、锂二次电池和用电装置。
背景技术
近年来，随着锂离子电池的应用范围越来越广泛，锂离子电池广泛应用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统，以及电动工具、电动自行车、电动摩托车、电动汽车、军事装备、航空航天等多个领域。由于锂离子电池取得了极大的发展，因此对其能量密度、循环性能和安全性能等也提出了更高的要求。
提升电池的功率性能、循环和存储寿命一直是行业的追求目标，但是由于电解液在阴阳极界面的副反应，导致电芯综合性能较差。
发明内容
本申请是鉴于上述课题而进行的，其目的在于，提供一种电解液，旨在提升SEI（Solid Electrolyte Interphase，固体电解质界面）膜的柔韧性和热稳定性，从而减少锂二次电池循环过程中和存储过程中的产气程度，提升锂二次电池的存储性能、快充性能和循环性能，综合地改善锂二次电池的性能。
为了实现上述目的，本申请的第一方面提供了一种用于锂二次电池的电解液，包括第一溶剂、含有碳碳双键的硅烷化合物和环状硼酸锂类化合物，所述第一溶剂包括环状碳酸酯类化合物，所述环状碳酸酯类化合物包括碳酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯中的至少一种；其中，基于所述电解液的总质量计，所述环状碳酸酯类化合物的质量含量W3、所述含有碳碳双键的硅烷化合物的质量含量W1和所述环状硼酸锂类化合物的质量含量W2之间满足：0.001≤(W1+W2)/W3≤2.67。
在任意实施方式中，基于所述电解液的总质量计，所述环状碳酸酯类化合物的质量含量W3、所述含有碳碳双键的硅烷化合物的质量含量W1和所述环状硼酸锂类化合物的质量含量W2之间满足：0.005≤(W1+W2)/W3≤2。
控制电解液中环状碳酸酯类化合物的含量在合适的范围内，同时通过添加上述含量范围的含有碳碳双键的硅烷化合物和环状硼酸锂类化合物，可有效改善SEI膜的柔韧性和热稳定性，从而兼顾锂二次电池的存储性能和直流阻抗，综合的改善锂二次电池的性能。
在任意实施方式中，所述环状碳酸酯类化合物包括碳酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯中的至少一种。
电解液中采用环状碳酸酯类化合物作为溶剂时，具有优异的离子电导率和成膜性。
在任意实施方式中，所述含有碳碳双键的硅烷化合物包括四乙烯基硅烷、三乙烯基乙基硅烷、二乙烯基二乙基硅烷、乙烯基三甲基硅烷中的至少一种。
在任意实施方式中，所述含有碳碳双键的硅烷化合物包括四乙烯基硅烷。
由于碳碳双键的存在，上述含有碳碳双键的硅烷化合物能够在阳极优先于环状碳酸酯类化合物成膜，并在SEI膜中生成聚合物组分，从而提高SEI膜的柔韧性；同时，该SEI膜能够覆盖在阳极极片表面以降低阳极极片暴露在电解液中的程度，减少副反应和产气，提升锂二次电池性能。
在任意实施方式中，所述环状硼酸锂类化合物包括式I所示结构的化合物，
式I
其中，Y1、Y2、Y3、Y4各自独立地包括氧原子、硫原子中的至少一种。
在任意实施方式中，所述环状硼酸锂类化合物包括、中的至少一种。
上述环状硼酸锂类化合物能够优先于环状碳酸酯类化合物还原成膜，并在SEI膜中形成富含锂盐的组分，从而改善SEI膜的热稳定性，降低SEI膜整体的氧化分解程度、以及其在电解液溶剂中的溶解度，从而提升锂二次电池的存储性能。
在任意实施方式中，基于所述电解液的总质量计，所述含有碳碳双键的硅烷化合物的质量含量W1和所述环状硼酸锂类化合物的质量含量W2之间满足：0.01≤W1/W2≤200。
在任意实施方式中，基于所述电解液的总质量计，所述含有碳碳双键的硅烷化合物的质量含量W1和所述环状硼酸锂类化合物的质量含量W2之间满足：0.1≤W1/W2≤10。
在任意实施方式中，基于所述电解液的总质量计，所述含有碳碳双键的硅烷化合物的质量含量W1和所述环状硼酸锂类化合物的质量含量W2之间满足：0.5≤W1/W2≤5。
控制含有碳碳双键的硅烷化合物和环状硼酸锂类化合物的质量含量之比在合适的范围内，可通过二者协同作用，综合地改善SEI膜的热稳定性和柔韧性，从而兼顾锂二次电池的存储性能和直流阻抗，综合的改善锂二次电池的性能。
在任意实施方式中，基于所述电解液的总质量计，所述环状碳酸酯类化合物的质量含量W3满足：3%≤W3≤20%。
在任意实施方式中，基于所述电解液的总质量计，所述环状碳酸酯类化合物的质量含量W3满足：5%≤W3≤20%。
控制电解液中环状碳酸酯类化合物的含量在合适的范围内，可兼顾SEI膜的形成和电解液的离子电导率，从而改善锂二次电池的循环性能，并降低存储过程中的产气程度。
在任意实施方式中，基于所述电解液的总质量计，所述含有碳碳双键的硅烷化合物的质量含量W1满足：0.01%≤W1≤5%。
在任意实施方式中，基于所述电解液的总质量计，所述含有碳碳双键的硅烷化合物的质量含量W1满足：0.01%≤W1≤3%。
控制电解液中含有碳碳双键的硅烷化合物的含量在合适的范围内，可提高SEI膜的柔韧性，同时减少副反应和产气，提升锂二次电池性能。
在任意实施方式中，基于所述电解液的总质量计，所述环状硼酸锂类化合物的质量含量W2满足：0.01%≤W2≤3%。
在任意实施方式中，基于所述电解液的总质量计，所述环状硼酸锂类化合物的质量含量W2满足：0.1%≤W2≤2%。
控制电解液中环状硼酸锂类化合物的含量在合适的范围内，可而改善SEI膜的热稳定性，从而提升锂二次电池的存储性能。
在任意实施方式中，所述电解液包括第二溶剂，所述第二溶剂包括线状碳酸酯类化合物；所述线状碳酸酯类化合物包括碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、乙酸乙酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯中的至少一种。
在电解液中加入上述类型的第二溶剂，可降低电解液的粘度，提高电解液的电导率，进一步改善电池的快充和循环寿命。
在任意实施方式中，所述电解液包括锂盐，所述锂盐包括六氟磷酸锂、双氟磺酰亚胺锂、氟磺酰（全氟丁基磺酰）亚胺锂、双（三氟甲基磺酰）亚胺锂中的至少一种；所述电解液中所述锂盐的浓度为0.8mol/L~1.3mol/L。
控制电解液中锂盐的浓度在上述范围内，可使电解液的电导率较高，有利于进一步改善电池的循环寿命。
本申请的第二方面提供一种锂二次电池，包括正极极片、负极极片和本申请第一方面的电解液。
在任意实施方式中，所述正极极片包括正极集流体和位于所述正极集流体至少一侧的正极材料层，所述正极材料层包括Lid[NixCoyX1zM11-x-y-z]O2、LiMn2O4、Li2MnO3·(1-a)LiAO2、LiM2X2O4中的一种或多种，其中，0.1≤d≤1，X1包括Mn和/或Al；M1包括Co、Ni、Mn、Mg、Cu、Zn、Al、Sn、B、Ga、Cr、Sr、V、Ti中的一种或多种，0≤x＜1，0≤y≤1，0≤z≤1，x+y+z≤1；A包括Ni、Co、Mn中的一种或多种，0＜a＜1；M2包括Fe、Mn、Ni、Co中的一种或多种；X2O4 h-中的X2包括S、P、As、V、Mo、W中的一种或多种，h=2或3。
在任意实施方式中，所述正极材料层包括Lid[NixCoyX1zM11-x-y-z]O2，其中，0.1≤d≤1，X1包括Mn和/或Al；M1包括Co、Ni、Mn、Mg、Cu、Zn、Al、Sn、B、Ga、Cr、Sr、V、Ti中的一种或多种，0≤x＜1，0≤y≤1，0≤z≤1，x+y+z≤1。
在任意实施方式中，所述负极极片包括负极集流体和位于所述负极集流体至少一侧的负极材料层，所述负极材料层包括人造石墨、天然石墨、软炭、硬炭、中间相微碳球、硅基材料及锡基材料中的至少一种。
在任意实施方式中，所述负极材料层包括人造石墨、天然石墨中的至少一种。
本申请的第三方面提供一种用电装置，包括本申请第二方面的锂二次电池。
使用本申请提供的电解液制成的二次电池具有改善的循环性能和存储性能。相应地，本申请提供的用电装置也具有较好的性能。
附图说明
图1是本申请一实施方式的二次电池的示意图。
图2是图1所示的本申请一实施方式的二次电池的分解图。
图3是本申请一实施方式的二次电池用作电源的用电装置的示意图。
附图标记说明：
5二次电池；51壳体；52电极组件；53盖板。
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电解液、锂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，所述方法包括步骤(a)和(b)，表示所述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，所述提到所述方法还可包括步骤(c)，表示步骤(c)可以任意顺序加入到所述方法，例如，所述方法可以包括步骤(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，所述“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）。
作为电解液中的溶剂成分，环状碳酸酯类化合物（例如碳酸乙烯酯）具有优异的离子电导率和成膜性，但其在氧化过程中产生质子氢会进攻溶剂中的六氟磷酸锂从而破坏SEI膜，导致电解液在正负极不断的氧化还原分解，消耗活性锂，从而恶化电芯性能。同时，环状碳酸酯类化合物（例如碳酸乙烯酯）在正极氧化分解产气，导致电芯膨胀，正负极之间距离变大，锂离子迁移路径变长。为了避免这些缺陷，常用的做法为减少电解液中环状碳酸酯类化合物（例如碳酸乙烯酯）的含量，但减少环状碳酸酯类化合物的含量不仅会影响电解液的离子电导率，还会影响SEI膜的形成。
[电解液]
为了实现上述目的，本申请提供了一种用于锂二次电池的电解液，包括第一溶剂、含有碳碳双键的硅烷化合物和环状硼酸锂类化合物，所述第一溶剂包括环状碳酸酯类化合物，所述环状碳酸酯类化合物包括碳酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯中的至少一种；其中，基于所述电解液的总质量计，所述环状碳酸酯类化合物的质量含量W3、所述含有碳碳双键的硅烷化合物的质量含量W1和所述环状硼酸锂类化合物的质量含量W2之间满足：0.001≤(W1+W2)/W3≤2.67。
在一些实施方式中，基于所述电解液的总质量计，所述环状碳酸酯类化合物的质量含量W3、所述含有碳碳双键的硅烷化合物的质量含量W1和所述环状硼酸锂类化合物的质量含量W2之间满足：0.005≤(W1+W2)/W3≤2。
本申请提供的电解液中，含有碳碳双键的硅烷化合物可以有效的在SEI膜中形成聚合物组分，从而提高SEI膜的柔韧性，并在一定程度上抑制电解液的还原分解；环状硼酸锂类化合物在在SEI膜中形成富含锂盐的组分，可以提高SEI的热稳定性。通过二者协同作用，在提升SEI膜稳定性的同时兼顾其柔韧性，从而减少锂二次电池循环过程中和存储过程中的产气程度，提升锂二次电池的存储性能和快充性能，综合的改善锂二次电池的循环性能。
此外，控制电解液中环状碳酸酯类化合物的含量在合适的范围内，同时通过添加上述含量范围的含有碳碳双键的硅烷化合物和环状硼酸锂类化合物，可有效改善SEI膜的柔韧性和热稳定性，从而兼顾锂二次电池的存储性能和直流阻抗，综合的改善锂二次电池的性能。
在一些实施方式中，所述环状碳酸酯类化合物包括碳酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯中的至少一种。
电解液中采用环状碳酸酯类化合物作为溶剂时，具有优异的离子电导率和成膜性。
在一些实施方式中，所述含有碳碳双键的硅烷化合物包括四乙烯基硅烷、三乙烯基乙基硅烷、二乙烯基二乙基硅烷、乙烯基三甲基硅烷中的至少一种。
在一些实施方式中，所述含有碳碳双键的硅烷化合物包括四乙烯基硅烷。
由于碳碳双键的存在，上述含有碳碳双键的硅烷化合物能够在阳极优先于溶剂还原成膜，并在SEI膜中生成聚合物组分，从而提高SEI膜的柔韧性；同时，该SEI膜能够覆盖在阳极极片表面以降低阳极极片暴露在电解液中的程度，减少副反应和产气，提升锂二次电池性能。
在一些实施方式中，所述环状硼酸锂类化合物包括式I所示结构的化合物，
式I
其中，Y1、Y2、Y3、Y4各自独立地包括氧原子、硫原子中的至少一种。
在一些实施方式中，所述环状硼酸锂类化合物包括、中的至少一种。
在一些优选的实施方式中，式I中，Y1、Y2、Y3、Y4均包括氧原子。
上述环状硼酸锂类化合物能够优先于环状碳酸酯类化合物还原成膜，并在SEI膜中形成富含锂盐的组分，从而改善SEI膜的热稳定性，降低SEI膜整体的氧化分解程度、以及其在电解液溶剂中的溶解度，从而提升锂二次电池的存储性能。
在一些实施方式中，基于所述电解液的总质量计，所述含有碳碳双键的硅烷化合物的质量含量W1和所述环状硼酸锂类化合物的质量含量W2之间满足：0.01≤W1/W2≤200。
在一些实施方式中，基于所述电解液的总质量计，所述含有碳碳双键的硅烷化合物的质量含量W1和所述环状硼酸锂类化合物的质量含量W2之间满足：0.1≤W1/W2≤10。
在一些实施方式中，基于所述电解液的总质量计，所述含有碳碳双键的硅烷化合物的质量含量W1和所述环状硼酸锂类化合物的质量含量W2之间满足：0.5≤W1/W2≤5。
当W1/W2的数值过低时，含有碳碳双键的硅烷化合物的含量过少，难以提高SEI膜的柔韧性；而当W1/W2的数值过高时，环状硼酸锂类化合物的含量过少，难以提高SEI膜的热稳定性。因此，控制含有碳碳双键的硅烷化合物和环状硼酸锂类化合物的质量含量之比在合适的范围内，可通过二者协同作用，综合地改善SEI膜的热稳定性和柔韧性，从而兼顾锂二次电池的存储性能和直流阻抗，综合的改善锂二次电池的性能。
在一些实施方式中，基于所述电解液的总质量计，所述环状碳酸酯类化合物的质量含量W3满足：3%≤W3≤20%。
在一些实施方式中，基于所述电解液的总质量计，所述环状碳酸酯类化合物的质量含量W3满足：5%≤W3≤20%。
当环状碳酸酯类化合物在电解液中的含量低于3%时，电解液电导率过低，从而影响电池的循环性能；而当环状碳酸酯类化合物在电解液中的含量高于20%时，其氧化分解和产气会对电池性能造成损害。因此，控制电解液中环状碳酸酯类化合物的含量在合适的范围内，可兼顾SEI膜的形成和电解液的离子电导率，从而改善锂二次电池的循环性能，并降低存储过程中的产气程度。
在一些实施方式中，基于所述电解液的总质量计，所述含有碳碳双键的硅烷化合物的质量含量W1满足：0.01%≤W1≤5%。
在一些实施方式中，基于所述电解液的总质量计，所述含有碳碳双键的硅烷化合物的质量含量W1满足：0.01%≤W1≤3%。
当含有碳碳双键的硅烷化合物在电解液中的含量低于0.01%时，无法起到有效成膜的效果；当含有碳碳双键的硅烷化合物在电解液中的含量高于5%时，成膜阻抗过大，从而会影响电池的快充性能。因此，控制电解液中含有碳碳双键的硅烷化合物的含量在合适的范围内，可提高SEI膜的柔韧性，同时减少副反应和产气，提升锂二次电池性能。
在一些实施方式中，基于所述电解液的总质量计，所述环状硼酸锂类化合物的质量含量W2满足：0.01%≤W2≤3%。
在一些实施方式中，基于所述电解液的总质量计，所述环状硼酸锂类化合物的质量含量W2满足：0.1%≤W2≤2%。
当环状硼酸锂类化合物在电解液中的含量低于0.01%时，起不到有效成膜的效果；当环状硼酸锂类化合物在电解液中的含量高于3%时，可能会由于电解液粘度的增加，恶化电解液的电导率。因此，控制电解液中环状硼酸锂类化合物的含量在合适的范围内，可而改善SEI膜的热稳定性，从而提升锂二次电池的存储性能。
在一些实施方式中，所述电解液包括第二溶剂，所述第二溶剂包括线状碳酸酯类化合物；所述线状碳酸酯类化合物包括碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、乙酸乙酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯中的至少一种。
在电解液中加入上述类型的第二溶剂，可降低电解液的粘度，提高电解液的电导率，进一步改善电池的快充和循环寿命。
在一些实施方式中，所述电解液包括锂盐，所述锂盐包括六氟磷酸锂、双氟磺酰亚胺锂、氟磺酰（全氟丁基磺酰）亚胺锂、双（三氟甲基磺酰）亚胺锂中的至少一种；所述电解液中所述锂盐的浓度为0.8mol/L~1.3mol/L。
控制电解液中锂盐的浓度在上述范围内，可使电解液的电导率较高，有利于进一步改善电池的循环寿命。
本申请的还提供了一种锂二次电池，包括正极极片、负极极片和本申请第一方面的电解液。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。电解液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。
[正极极片]
正极极片包括正极集流体和位于正极集流体至少一侧的正极材料层。
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，正极材料层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。
在一些实施方式中，所述正极极片包括正极集流体和位于所述正极集流体至少一侧的正极材料层，所述正极材料层包括Lid[NixCoyX1zM11-x-y-z]O2、LiMn2O4、Li2MnO3·(1-a)LiAO2、LiM2X2O4中的一种或多种，其中，0.1≤d≤1，X1包括Mn和/或Al；M1包括Co、Ni、Mn、Mg、Cu、Zn、Al、Sn、B、Ga、Cr、Sr、V、Ti中的一种或多种，0≤x＜1，0≤y≤1，0≤z≤1，x+y+z≤1；A包括Ni、Co、Mn中的一种或多种，0＜a＜1；M2包括Fe、Mn、Ni、Co中的一种或多种；X2O4 h-中的X2包括S、P、As、V、Mo、W中的一种或多种，h=2或3。
在一些实施方式中，所述正极材料层包括Lid[NixCoyX1zM11-x-y-z]O2，其中，0.1≤d≤1，X1包括Mn和/或Al；M1包括Co、Ni、Mn、Mg、Cu、Zn、Al、Sn、B、Ga、Cr、Sr、V、Ti中的一种或多种，0≤x＜1，0≤y≤1，0≤z≤1，x+y+z≤1。
在一些实施方式中，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）、聚苯乙烯（PS）、聚乙烯（PE）等的基材）上而形成。
在一些实施方式中，正极材料层还可选地包括粘结剂。作为示例，所述粘结剂可以包括聚偏氟乙烯（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-六氟丙烯共聚物及含氟丙烯酸酯树脂中的至少一种。
在一些实施方式中，正极材料层还可选地包括导电剂。作为示例，所述导电剂可以包括超导碳、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至少一种。
在一些实施方式中，可以通过以下方式制备正极极片：将上述用于制备正极极片的组分，例如正极材料层、导电剂、粘结剂和任意其他的组分分散于溶剂（例如N-甲基吡咯烷酮）中，形成正极浆料；将正极浆料涂覆在正极集流体上，经烘干、冷压等工序后，即可得到正极极片。
[负极极片]
负极极片包括负极集流体和位于负极集流体至少一侧的负极材料层。
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，所述负极极片包括负极集流体和位于所述负极集流体至少一侧的负极材料层，所述负极材料层包括人造石墨、天然石墨、软炭、硬炭、中间相微碳球、硅基材料及锡基材料中的至少一种。
在一些实施方式中，所述负极材料层包括人造石墨、天然石墨中的至少一种。
在一些实施方式中，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）、聚苯乙烯（PS）、聚乙烯（PE）等的基材）上而形成。
在一些实施方式中，负极材料层还可选地包括粘结剂。所述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）中的至少一种。
在一些实施方式中，负极材料层还可选地包括导电剂。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至少一种。
在一些实施方式中，负极材料层还可选地包括其他助剂，例如增稠剂（如羧甲基纤维素钠（CMC-Na））等。
在一些实施方式中，可以通过以下方式制备负极极片：将上述用于制备负极极片的组分，例如负极材料层、导电剂、粘结剂和任意其他组分分散于溶剂（例如去离子水）中，形成负极浆料；将负极浆料涂覆在负极集流体上，经烘干、冷压等工序后，即可得到负极极片。
[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。
[二次电池]
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。例如，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。二次电池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。
[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二次电池。所述二次电池、电池模块、或电池包可以用作所述用电装置的电源，也可以用作所述用电装置的能量存储单元。所述用电装置可以包括移动设备（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，但不限于此。
作为所述用电装置，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3是作为一个示例的用电装置。该用电装置为纯电动车、混合动力电动车、或插电式混合动力电动车等。为了满足该用电装置对二次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，可以采用二次电池作为电源。
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。
一、制备方法
实施例1
1）电解液
在氩气气氛手套箱中（H2O含量<10 ppm，O2含量<1 ppm），将第一溶剂碳酸乙烯酯(EC)和第二溶剂碳酸甲乙酯(EMC)混合，并溶解1mol/L LiPF6锂盐，然后再加入四乙烯基硅烷和氟丙二酸（二氟）硼酸锂（式I中Y1-Y4均为O），搅拌均匀，制备电解液。基于电解液的总质量计，第一溶剂的质量含量W3为10%，四乙烯基硅烷的质量含量W1为2%，氟丙二酸（二氟）硼酸锂的质量含量W2为1%。
2）正极极片的制备
将正极活性材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、导电剂乙炔黑、粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)按重量比90：5：5在N-甲基吡咯烷酮溶剂体系中充分搅拌混合均匀，获得固含量为50wt%的正极浆料；将正极浆料均匀涂敷在正极集流体铝箔上；将铝箔在室温晾干后转移至85℃烘箱烘干后进行冷压，然后进行切边、裁片、分条后，在85℃的真空条件下烘干4h，制成正极极片。
3）负极极片的制备
将负极活性材料人造石墨与导电剂Super P、增稠剂羧甲基纤维素钠（CMC-Na）、粘接剂丁苯橡胶（SBR）按照质量比为80:15:3:2在去离子水中混合均匀，制成固含量为30wt%的负极浆料。将负极浆料涂布在集流体铜箔上；将铜箔在室温晾干后转移至85℃烘箱烘干后进行冷压、切边、裁片、分条后，在120℃真空条件下烘干12h，制成负极极片。
4）隔离膜
以16μm的聚乙烯（PE）多孔聚合薄膜作为隔离膜。
5）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极片中间起到隔离正负极极片的作用，卷绕得到裸电芯，焊接极耳，将裸电芯置于外包装中，将上述制备的电解液注入到干燥后的电芯中，封装、静置、化成、整形、容量测试等，完成软包锂二次电池的制备（软包锂二次电池的厚度4.0mm、宽度60mm、长度140mm）。
实施例2~21的二次电池和对比例1~4的二次电池与实施例1的二次电池制备方法相似，但是调整了电池极片的组成和产品参数，不同的产品参数详见表1。
二、性能测试
1、电解液
1）离子电导率
电解液的离子电导率测试参照HG-T 4067-2015方法进行，具体操作如下：
前处理：取待测液恒温至待测温度及标液恒温至25℃（偏差±0.1℃）。
测试：测试25℃下两种标液校准标定仪器，标定完成清洗电极后测试样品，电极垂直放入待测液体内，点击开始测试，待数据稳定10s以上记录测试结果。
2）电解液溶剂含量的测量方法
电解液溶剂含量的测试方法检测依据GB/T 9722-2006进行，具体方法如下：配制标液，直接取标液和样品自动进样FID检测，根据出峰位置来判断添加剂种类，根据出峰面积来计算添加剂在电解液中的含量。
3）电解液添加剂（锂盐）含量的测量方法
盐类添加剂含量的测试方法依据是GB/T 6040- 2002，具体方法如下：称取定量电解液（稀释液浓度在标准曲线中间），用超纯水定容至100mL，离子色谱自动进样检测，根据出峰位置来确定添加剂种类，峰面积来确定添加剂含量。
4）、电解液中环状碳酸酯类化合物的质量含量W3、含有碳碳双键的硅烷化合物的质量含量W1和环状硼酸锂类化合物的质量含量W2测试方法
参考标准GB/T9722-2006《化学试剂 气相色谱法通则》通过气相色谱法对电解液中的有机成分进行定性和定量分析，从而获得电解液中环状碳酸酯类化合物的质量含量W3、含有碳碳双键的硅烷化合物的质量含量W1和环状硼酸锂类化合物的质量含量W2。
2、电池
1）直流阻抗
在25℃下，调整单体电池荷电状态至50%SOC，静置30min，记录此时的电池电压为U1(V)，采用4C放电30s，记录此时的电池电压为U2（V），对应电池的放电电流I(mA)为4×电池设计容量(mAh)。直流阻抗DCR(mΩ)=(U1-U2)/I。
2）循环性能
在25℃下，将制得的锂二次电池以1C倍率恒流充电至4.4V，再恒压充电0.05C，之后搁置10分钟，再以1C倍率恒流放电至2.8V，记录下放电容量为C0，按照上述充放电流程进行300个循环，循环300圈后的放电容量为C1，电池的循环容量保持率=C1/C0×100%。
3）存储性能
在25℃下，将制得的锂二次电池以1C倍率恒流充电至4.4V，再恒压充电0.05C，之后搁置5分钟，再以1C倍率恒流放电至2.8V，记录下放电容量为D0；随后将锂二次电池置于60℃下存储30天，取出锂二次电池使其恢复到25℃，以1C倍率恒流放电至2.8V，静置2小时后，以1C充电到4.4V，再恒压充电到0.05C，静置2h，再以1C放电到2.8V，记录放电容量为D1。放电容量保持率=D1/D0×100%。
三、各实施例、对比例测试结果分析
按照上述方法分别制备各实施例和对比例的电池，并测量各项性能参数，结果见下表1。
表1 制备参数
表2 制备参数
表3 制备及性能参数
实施例1~18中的电解液均包括第一溶剂、含有碳碳双键的硅烷化合物、环状硼酸锂类化合物，含有该电解液的锂二次电池均具有较低的直流阻抗、并具有优异的存储性能和循环性能。
对比例1的电解液中不存在含有碳碳双键的硅烷化合物，从实施例1~18与对比例1的对比可见，在电解液中添加含有碳碳双键的硅烷化合物，能有效降低直流阻抗、并提高锂二次电池的存储性能和循环性能。
对比例2的电解液中不存在环状硼酸锂类化合物，从实施例1~18与对比例2的对比可见，在电解液中添加环状硼酸锂类化合物，能有效降低直流阻抗、并提高锂二次电池的存储性能和循环性能。
实施例1~18中的电解液中，环状碳酸酯类化合物的质量含量W3、含有碳碳双键的硅烷化合物的质量含量W1、环状硼酸锂类化合物的质量含量W2之间满足：0.001≤(W1+W2)/W3≤2.67，且满足0.01≤W1/W2≤200，含有该电解液的锂二次电池均具有较低的直流阻抗、并具有优异的存储性能和循环性能。
对比例3的电解液中，(W1+W2)/W3的数值不符合0.001≤(W1+W2)/W3≤2.67的范围，从实施例1~18与对比例3的对比可见，控制电解液中环状碳酸酯类化合物、含有碳碳双键的硅烷化合物、环状硼酸锂类化合物的含量在合适的范围内，可以兼顾锂二次电池的循环性能、存储性能和直流阻抗，综合的改善锂二次电池的性能。
从实施例1~5中可见，控制第一溶剂碳酸乙烯酯的质量含量W3为3%~20%，可以使锂二次电池均具有较低的直流阻抗、较好的存储性能和循环性能。对比例3中碳酸乙烯酯的质量含量W3为2%，从实施例1~5与对比例3的对比可见，控制控制第一溶剂碳酸乙烯酯的质量含量W3在3%~20%范围内，能有效降低直流阻抗、并提高锂二次电池的存储性能和循环性能。
从实施例1、6~9中可见，控制含有碳碳双键的硅烷化合物的质量含量W1为0.01%~5%，可以使锂二次电池均具有较低的直流阻抗、较好的存储性能和循环性能。
从实施例1、10~13中可见，控制环状硼酸锂类化合物的质量含量W2为0.01%~3%，可以使锂二次电池均具有较低的直流阻抗、较好的存储性能和循环性能。
从实施例1、14~17中可见，采用多种不同类型的第一溶剂（例如碳酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯）、或采用多种不同类型的含有碳碳双键的硅烷化合物（例如四乙烯基硅烷、三乙烯基乙基硅烷、乙烯基三甲基硅烷）、或采用多种不同类型的环状硼酸锂类化合物（例如式I中Y1、Y2、Y3、Y4均为氧原子的化合物，式I中Y1和Y2为硫原子、Y3和Y4为氧原子的化合物），可以使锂二次电池均具有较低的直流阻抗、较好的存储性能和循环性能。
从实施例1、18中可见，采用不同类型的负极活性材料（例如人造石墨、中间相微碳球），均可以使锂二次电池均具有较低的直流阻抗、较好的存储性能和循环性能。
需要说明的是，本申请不限定于上述实施方式。上述实施方式仅为示例，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 (16)

1.一种用于锂二次电池的电解液，其特征在于，包括第一溶剂、第二溶剂、含有碳碳双键的硅烷化合物和环状硼酸锂类化合物，
所述第一溶剂为环状碳酸酯类化合物，所述第二溶剂为线状碳酸酯类化合物，所述环状碳酸酯类化合物包括碳酸乙烯酯，所述线状碳酸酯类化合物包括碳酸甲乙酯；
所述含有碳碳双键的硅烷化合物包括四乙烯基硅烷，所述环状硼酸锂类化合物包括式I所示结构的化合物，
其中，Y1、Y2、Y3、Y4各自独立地包括氧原子、硫原子中的至少一种；
其中，基于所述电解液的总质量计，所述环状碳酸酯类化合物的质量含量W3、所述含有碳碳双键的硅烷化合物的质量含量W1和所述环状硼酸锂类化合物的质量含量W2之间满足：0.20≤(W1+W2)/W3≤2.67；
基于所述电解液的总质量计，所述含有碳碳双键的硅烷化合物的质量含量W1和所述环状硼酸锂类化合物的质量含量W2之间满足：0.01≤W1/W2≤200；
基于所述电解液的总质量计，所述环状碳酸酯类化合物的质量含量W3满足：3％≤W3≤15％，所述含有碳碳双键的硅烷化合物的质量含量W1满足：0.01％≤W1≤5％，所述环状硼酸锂类化合物的质量含量W2满足：0.01％≤W2≤3％。
2.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，基于所述电解液的总质量计，所述环状碳酸酯类化合物的质量含量W3、所述含有碳碳双键的硅烷化合物的质量含量W1和所述环状硼酸锂类化合物的质量含量W2之间满足：0.20≤(W1+W2)/W3≤2。
3.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述含有碳碳双键的硅烷化合物包括四乙烯基硅烷。
4.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述环状硼酸锂类化合物包括中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，基于所述电解液的总质量计，所述含有碳碳双键的硅烷化合物的质量含量W1和所述环状硼酸锂类化合物的质量含量W2之间满足：0.1≤W1/W2≤10。
6.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，基于所述电解液的总质量计，所述含有碳碳双键的硅烷化合物的质量含量W1和所述环状硼酸锂类化合物的质量含量W2之间满足：0.5≤W1/W2≤5。
7.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，基于所述电解液的总质量计，所述环状碳酸酯类化合物的质量含量W3满足：5％≤W3≤15％。
8.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，基于所述电解液的总质量计，所述含有碳碳双键的硅烷化合物的质量含量W1满足：0.01％≤W1≤3％。
9.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，基于所述电解液的总质量计，所述环状硼酸锂类化合物的质量含量W2满足：0.1％≤W2≤2％。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的电解液，其特征在于，所述电解液包括锂盐，所述锂盐包括六氟磷酸锂、双氟磺酰亚胺锂、氟磺酰(全氟丁基磺酰)亚胺锂、双(三氟甲基磺酰)亚胺锂中的至少一种；
所述电解液中所述锂盐的浓度为0.8mol/L～1.3mol/L。
11.一种锂二次电池，其特征在于，包括正极极片、负极极片和权利要求1至10中任一项所述的电解液。
12.根据权利要求11所述的锂二次电池，其特征在于，所述正极极片包括正极集流体和位于所述正极集流体至少一侧的正极材料层，所述正极材料层包括Lid[NixCoyX1zM11-x-y-z]O2、LiMn2O4、Li2MnO3·(1-a)LiAO2、LiM2X2O4中的一种或多种，
其中，0.1≤d≤1，X1包括Mn和/或Al；M1包括Co、Ni、Mn、Mg、Cu、Zn、Al、Sn、B、Ga、Cr、Sr、V、Ti中的一种或多种，0≤x＜1，0≤y≤1，0≤z≤1，x+y+z≤1；A包括Ni、Co、Mn中的一种或多种，0＜a＜1；M2包括Fe、Mn、Ni、Co中的一种或多种；X2O4 h-中的X2包括S、P、As、V、Mo、W中的一种或多种，h＝2或3。
13.根据权利要求12所述的锂二次电池，其特征在于，所述正极材料层包括Lid[NixCoyX1zM11-x-y-z]O2，其中，0.1≤d≤1，X1包括Mn和/或Al；M1包括Co、Ni、Mn、Mg、Cu、Zn、Al、Sn、B、Ga、Cr、Sr、V、Ti中的一种或多种，0≤x＜1，0≤y≤1，0≤z≤1，x+y+z≤1。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的锂二次电池，其特征在于，所述负极极片包括负极集流体和位于所述负极集流体至少一侧的负极材料层，所述负极材料层包括人造石墨、天然石墨、软炭、硬炭、中间相微碳球、硅基材料及锡基材料中的至少一种。
15.根据权利要求14所述的锂二次电池，其特征在于，所述负极材料层包括人造石墨、天然石墨中的至少一种。
16.一种用电装置，其特征在于，包括权利要求11至15中任一项所述的锂二次电池。
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