CN117977004A - 电化学装置、电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种电化学装置、电子设备。该电化学装置包括负极极片。负极极片包括负极活性材料；负极活性材料包括硅颗粒和石墨颗粒；基于硅颗粒的质量，硅元素的质量百分含量为A；负极极片中，基于硅颗粒的数量和石墨颗粒的数量之和，硅颗粒的数量占比为D，石墨颗粒的数量占比为E；电化学装置以0.2C的倍率从额定满充电压放电至3.0V时的容量为B mAh、放电至2.75V时的容量为C mAh；[(1.69+8.34A)*D+E]/[(0.42+9.6A)*D+E]>C/B>[(0.56+9.46A)*D+E]/[(0.42+9.6A)*D+E]。该电化学装置提高了循环性能和能量密度，同时兼顾膨胀性能。
Description
技术领域
本申请涉及一种电化学装置、电子设备。
背景技术
锂离子电池由于其能量密度高、工作电压高、负载特性好、充电速度快等优点，迅速在移动电话、微型相机、掌上电脑、笔记本电脑等领域得到了广泛的应用。
然而，随着下游应用对电池能量和功率性能的需求不断提升，对锂离子电池循环性能、能量密度也提出了更高的要求。
硅材料具有高的理论克容量(4200mAh/g)，在锂离子电池中的应用有着广阔的前景。但硅材料在充放电循环过程中，随着Li离子的嵌入和脱出，会发生120％～300％的体积膨胀，导致硅基材料粉化并与集流体脱离，从而导致负极导电性变差，降低锂离子电池的循环性能和能量密度。
发明内容
基于以上考虑，本申请的目的在于提供一种电化学装置、电子设备；以改善循环性能和能量密度，同时兼顾膨胀性能。
本申请的实施例是这样实现的：
第一方面，本申请实施例提供一种电化学装置，电化学装置包括：
负极极片；负极极片包括负极活性材料；负极活性材料包括硅颗粒和石墨颗粒；硅颗粒中含有硅元素，基于硅颗粒的质量，硅元素的质量百分含量为A；
负极极片中，基于硅颗粒的数量和石墨颗粒的数量之和，硅颗粒的数量占比为D，石墨颗粒的数量占比为E；
电化学装置以0.2C的倍率从额定满充电压放电至3.0V时的容量为BmAh；电化学装置以0.2C的倍率从额定满充电压放电至2.75V时的容量为C mAh；
A、B、C、D和E满足如下关系式：
[(1.69+8.34A)*D+E]/[(0.42+9.6A)*D+E]>C/B>[(0.56+9.46A)*D+E]/[(0.42+9.6A)*D+E]。
发明人发现，通过设置负极极片中，硅颗粒的数量占比D、石墨颗粒的数量占比E；以及硅颗粒中硅元素的质量百分含量A、电化学装置放电至3.0V时的容量B；电化学装置放电至2.75V时的容量C；满足上述的关系式时，可以有效地提高含硅的电化学装置的循环性能和能量密度，同时兼顾电池的膨胀性能。
进一步地，上述技术方案中，A、D、E与C/B的值，均与能量密度、循环性能和膨胀性能关系密切。提高A有利于提升能量密度，不利于改善循环性能和膨胀性能；提高D有利于提升能量密度，不利于改善循环性能和膨胀性能；提高E有利于改善循环性能和膨胀性能，不利于改善能量密度；提高C/B，有利于能量密度的提升，不利于改善循环性能。同时，A、D、E与C/B的值之间相互关联，具有密切联系。发明人发现，通过通过设置A、B、C、D满足上述关系式时，有效地提高了含硅的电化学装置的循环性能和能量密度，同时兼顾膨胀性能。
在一些可选的实施方案中，上述的电化学装置，满足以下特征中的至少一者：
(1)0.3≤A≤0.5；
(2)3793≤B≤4256；
(3)3863≤C≤4311；
(4)0.1≤D≤0.6；
(5)0.4≤E≤0.9。
上述技术方案中，通过将硅颗粒的数量占比D、石墨颗粒的数量占比E、硅颗粒中硅元素的质量百分含量A、电化学装置放电至3.0V时的容量B；电化学装置放电至2.75V时的容量C；分别进一步限缩在上述的范围内，有利于进一步改善电化学装置的循环性能和能量密度，同时兼顾膨胀性能。
在一些可选的实施方案中，上述的电化学装置，满足以下特征中的至少一者：
(1)0.35≤A≤0.45；
(2)3821≤B≤4122；
(3)3958≤C≤4212；
(4)0.1≤D≤0.4；
(5)0.6≤E≤0.9。
上述技术方案中，通过进一步将硅颗粒的数量占比D、石墨颗粒的数量占比E、硅颗粒中硅元素的质量百分含量A、电化学装置放电至3.0V时的容量B；电化学装置放电至2.75V时的容量C限缩在上述的范围内，有利于进一步改善电化学装置的循环性能和能量密度，同时兼顾膨胀性能。
在一些可选的实施方案中，硅颗粒的数量占比D与石墨颗粒的数量占比E，满足如下关系式：0.11≤D/E≤1.5。
上述技术方案中，硅颗粒的数量占比D与石墨颗粒的数量占比E满足上述关系，更有利于改善电化学装置的循环性能和能量密度，同时兼顾膨胀性能。
在一些可选的实施方案中，硅元素的质量百分含量A与电化学装置以0.2C的倍率从额定满充电压放电至3.0V时的容量B，满足如下关系式：0.077≤1000A/B≤0.121。
上述技术方案中，硅元素的质量百分含量A与电化学装置以0.2C的倍率从额定满充电压放电至3.0V时的容量B满足上述关系式，更有利于改善电化学装置的循环性能和能量密度，同时兼顾膨胀性能。
在一些可选的实施方案中，电化学装置包括电解液；
电解液包括碳酸酯化合物，碳酸酯化合物包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯或者碳酸亚丙酯中的至少一者；
基于电解液的质量，碳酸酯化合物的质量百分含量为Y％，20≤Y≤55。
在一些可选的实施方案中，电化学装置包括电解液；电解液包括化合物S；化合物S包括二氟磷酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂或者双(氟磺酰)亚胺锂中的至少一者；
基于电解液的质量，化合物S的质量百分含量为X％；0.3≤X≤1.9，可选地，0.3≤X≤1.1。
上述技术方案中，电解液包括二氟磷酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂或者双(氟磺酰)亚胺锂中的至少一者，有利于形成具有韧性的电极保护膜，提高循环及和能量密度，同时兼顾膨胀性能。
进一步地，通过将X控制在上述范围内，有利于形成厚度均匀且具有韧性的电极保护膜，从而有利于提高电化学装置的循环性能和能量密度，同时兼顾膨胀性能。
在一些可选的实施方案中，X与B满足如下关系式：0.08≤1000X/B≤0.49；
可选地，0.08≤1000X/B≤0.28。
上述技术方案中，X与B满足上述关系时，更有利于改善电化学装置的循环性能和能量密度，同时兼顾膨胀性能。
在一些可选的实施方案中，电解液满足以下特征中的至少一者：
(1)包括二氟磷酸锂和双三氟甲烷磺酰亚胺锂；
(2)包括二氟磷酸锂和双(氟磺酰)亚胺锂；
(3)包括双三氟甲烷磺酰亚胺锂和双(氟磺酰)亚胺锂。
第二方面，本申请实施例提供一种电子设备，该电子设备包含前述第一方面提供的电化学装置。
具体实施方式
下面将对本申请技术方案的实施例进行详细的描述。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
在本申请实施例的描述中，技术术语“第一”、“第二”等仅用于区别不同对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量、特定顺序或主次关系。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本申请一些实施方式提供一种电化学装置，电化学装置包括：
负极极片；负极极片包括负极活性材料；负极活性材料包括硅颗粒和石墨颗粒；硅颗粒中含有硅元素，基于硅颗粒的质量，硅元素的质量百分含量为A；
负极极片中，基于硅颗粒的数量和石墨颗粒的数量之和，硅颗粒的数量占比为D，石墨颗粒的数量占比为E；
电化学装置以0.2C的倍率从额定满充电压放电至3.0V时的容量为BmAh；电化学装置以0.2C的倍率从额定满充电压放电至2.75V时的容量为C mAh；
A、B、C、D和E满足如下关系式：
[(1.69+8.34A)*D+E]/[(0.42+9.6A)*D+E]>C/B>[(0.56+9.46A)*D+E]/[(0.42+9.6A)*D+E]。
进一步地，在本申请一些实施方式中，上述的石墨颗粒和硅颗粒的数量之和为100以上。发明人发现，通过设置负极极片中，硅颗粒的数量占比D、石墨颗粒的数量占比E；以及硅颗粒中硅元素的质量百分含量A、电化学装置放电至3.0V时的容量B；电化学装置放电至2.75V时的容量C；满足上述的关系式时，可以有效地提高含硅的电化学装置的循环性能和能量密度，同时兼顾膨胀性能。
在本申请一些实施方式中，上述电化学装置包括，但不限于：所有种类的一次电池、二次电池或电容器。
在本申请一些实施方式中，上述电化学装置是锂二次电池。
进一步地，在本申请一些实施方式中，上述“电化学装置放电至3.0V时的容量为B”是指：将电芯满充到额定满充电压，然后以0.2C进行放电到3.0V,记录容量为C1。再以0.2C1电流满充到额定满充电压，再放电到3.0V，得到的容量值即为B。
进一步地，在本申请一些实施方式中，上述“电化学装置放电至2.75V时的容量为C”是指：将电芯满充到额定满充电压，然后以0.2C进行放电到2.75V,记为C1。再以0.2C1电流满充到额定满充电压，再放电到2.75V，得到的容量值即为C。
进一步地，在本申请一些实施方式中，上述“硅颗粒的数量占比D、石墨颗粒的数量占比E”可以通过扫描电镜背散射模式对负极极片中的硅颗粒和石墨颗粒进行区分和计数得到。
示例性地，在本申请一些实施方式中，采用扫描电镜，在10kV,10mA条件下进行检测。通过背散射模式对负极极片中的硅颗粒和石墨颗粒进行区分和计数(例如，可以通过背散模式下的硅颗粒与石墨颗粒的亮度区别来区分硅颗粒与石墨颗粒。硅颗粒较亮，石墨颗粒较暗)。
进一步地，在本申请一些实施方式中，上述的负极极片包括负极集流体。在一些实施例中，负极集流体包括：铜箔、铝箔、镍箔、不锈钢箔、钛箔、泡沫镍、泡沫铜、覆有导电金属的聚合物基底或其任意组合。
进一步地，在本申请一些实施方式中，上述的负极活性材料形成负极活性物质层，负极活性物质层设置在集流体至少一侧。
在一些实施例中，负极活性物质层还包括粘结剂，粘结剂包括，但不限于：聚丙烯酸酯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚酰胺酰亚胺、聚偏氟乙烯、丁苯橡胶、海藻酸钠、聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素钾、羟甲基纤维素钠、羟甲基纤维素钾中的至少一种。
在一些实施例中，负极活性物质层还包括导电剂，导电剂包括，但不限于：基于碳的材料、基于金属的材料、导电聚合物和它们的混合物。在一些实施例中，基于碳的材料选自天然石墨、人造石墨、碳黑、乙炔黑、科琴黑、碳纤维或其任意组合。在一些实施例中，基于金属的材料选自金属粉、金属纤维、铜、镍、铝或银。在一些实施例中，导电聚合物为聚亚苯基衍生物。
本申请的负极极片可以采用本领域的公知方法进行制备。通常，将负极材料以及可选的导电剂(例如碳黑等碳素材料和金属颗粒等)、粘结剂(例如SBR)、其他可选添加剂(例如PTC热敏电阻材料)等材料混合在一起分散于溶剂(例如去离子水)中，搅拌均匀后均匀涂覆在负极集流体上，烘干后即得到负极极片。可以使用金属箔或多孔金属板等材料作为负极集流体。
进一步地，在本申请一些实施方式中，负极极片的制备：将负极活性材料(硅颗粒和石墨颗粒)以一定的质量比混合均匀，然后加入粘接剂、导电剂、水、分散剂等，分散搅匀，然后将得到的负极浆料涂布在集流体上干燥，然后冷压，则得到了含硅的负极极片。
进一步地，在本申请一些实施方式中，上述的负极活性材料中的“硅颗粒”是指硅碳材料颗粒。
进一步可选地，在本申请一些实施方式中，上述的硅颗粒可以采用以下方法制备：
将碳前驱体放入炉内，通入一定体积分数的硅烷/氩气混合气，在一定温度下下沉积一段时间，便可得到硅碳材料。
进一步可选地，在本申请一些实施方式中，上述的碳前驱体包括：
葡萄糖、蔗糖、果糖、纤维素、乙炔黑、沥青、碳纳米管、淀粉、柠檬酸、聚丙烯酸或者多巴胺中的至少一种。
示例性地，在本申请一些实施方式中，上述的碳前驱体选择：葡萄糖、蔗糖、果糖、纤维素、乙炔黑、沥青、碳纳米管、淀粉、柠檬酸、聚丙烯酸或者多巴胺中的任意一种；或者上述的碳前驱体选择：葡萄糖、蔗糖、果糖的混合物；二者可以以任意比例混合。
在本申请其他可选的实施方式中，上述的“硅颗粒”也可以通过本领域其他公知方法制备；或者上述的“硅颗粒”也可以通过市售购买获得。
进一步地，在本申请一些实施方式中，上述的硅颗粒的尺寸可以是0.2μm-30μm。
进一步可选地，在本申请一些实施方式中，上述的硅颗粒的尺寸可以是0.3μm-29μm。
示例性地，在本申请一些实施方式中，上述的硅颗粒的尺寸可以是0.3μm、0.5μm、0.8μm、1μm、2μm、3μm、5μm、10μm、15μm、20μm或者前述任意两个数值之间的范围。
进一步地，在本申请一些实施方式中，上述的“石墨”包括天然石墨、人造石墨或者中间相碳微球中的至少一种。
示例性地，在本申请一些实施方式中，上述的“石墨”选择天然石墨、人造石墨或者中间相碳微球中的任意一种；或者在本申请一些实施方式中，上述的“石墨”选择天然石墨和人造石墨的混合物，二者可以以任意比例混合；或者在本申请一些实施方式中，上述的“石墨”选择天然石墨、人造石墨、中间相碳微球的混合物，三者可以以任意比例混合。
进一步地，在本申请一些实施方式中，上述电化学装置，满足以下特征中的至少一者：
(1)0.3≤A≤0.5；
(2)3793≤B≤4256；
(3)3863≤C≤4311；
(4)0.1≤D≤0.6；
(5)0.4≤E≤0.9。
上述技术方案中，通过将硅颗粒的数量占比D、石墨颗粒的数量占比E、硅颗粒中硅元素的质量百分含量A、电化学装置放电至3.0V时的容量B；电化学装置放电至2.75V时的容量C；分别进一步限缩在上述的范围内，有利于进一步改善电化学装置的循环性能。
示例性地，在本申请一些实施方式中，上述电化学装置，满足以下特征：0.3≤A≤0.5；3793≤B≤4256；3863≤C≤4311；0.1≤D≤0.6；0.4≤E≤0.9。
示例性地，在本申请一些实施方式中，上述电化学装置，满足以下特征：0.3≤A≤0.5。
示例性地，在本申请一些实施方式中，上述电化学装置，满足以下特征：0.3≤A≤0.5；3793≤B≤4256。
示例性地，在本申请一些实施方式中，上述电化学装置，满足以下特征：0.3≤A≤0.5；3793≤B≤4256；3863≤C≤4311。
示例性地，在本申请一些实施方式中，上述电化学装置，满足以下特征：0.3≤A≤0.5；3793≤B≤4256；3863≤C≤4311；0.1≤D≤0.6。
进一步地，在本申请一些实施方式中，上述电化学装置，满足以下特征中的至少一者：
(1)0.35≤A≤0.45；
(2)3821≤B≤4122；
(3)3958≤C≤4212；
(4)0.1≤D≤0.4；
(5)0.6≤E≤0.9。
上述技术方案中，通过将硅颗粒的数量占比D、石墨颗粒的数量占比E、硅颗粒中硅元素的质量百分含量A、电化学装置放电至3.0V时的容量B；电化学装置放电至2.75V时的容量C；分别进一步限缩在上述的范围内，有利于进一步改善电化学装置的循环性能。
进一步可选地，示例性地，在本申请一些实施方式中，上述电化学装置中，A为0.35、0.36、0.37、0.38、0.39、0.40、0.41、0.42、0.43、0.44、0.45或者前述任意两个数值之间的范围。
进一步可选地，示例性地，在本申请一些实施方式中，上述电化学装置中，B为3821、3830、3840、3850、3860、3870、3880、3890、3990、4100、4122或者前述任意两个数值之间的范围。
进一步可选地，示例性地，在本申请一些实施方式中，上述电化学装置中，C为3958、3960、3970、3980、3990、4210、4212或者前述任意两个数值之间的范围。
进一步可选地，示例性地，在本申请一些实施方式中，上述电化学装置中，D为0.1、0.15、0.2、0.25、0.30、0.35、0.40或者前述任意两个数值之间的范围。
进一步可选地，示例性地，在本申请一些实施方式中，上述电化学装置中，E为0.60、0.65、0.70、0.75、0.80、0.85、0.90或者前述任意两个数值之间的范围。
进一步地，在本申请一些实施方式中，硅颗粒的数量占比D与石墨颗粒的数量占比E，满足如下关系式：0.11≤D/E≤1.5。
进一步可选地，示例性地，在本申请一些实施方式中，D/E为0.11、0.12、0.15、0.2、0.5、0.6、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5或者前述任意两个数值之间的范围。
进一步地，在本申请一些实施方式中，硅元素的质量百分含量A与电化学装置以0.2C的倍率从额定满充电压放电至3.0V时的容量B，满足如下关系式：0.077≤1000A/B≤0.121。
进一步可选地，示例性地，在本申请一些实施方式中，1000A/B为0.077、0.085、0.090、0.095、0.112、0.118、0.120、0.121或者前述任意两个数值之间的范围。
进一步地，在本申请一些实施方式中，前述的电化学装置还包括电解液。
进一步地，在本申请一些实施方式中，电解液包括碳酸酯化合物，碳酸酯化合物包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯或者碳酸亚丙酯中的至少一者。
基于电解液的质量，碳酸酯化合物的质量百分含量为Y％，20≤Y≤55。示例性地，在本申请一些实施方式中，Y为20、22、25、30、35、40、45、48、50、55或者前述任意两个数值之间的范围。
示例性地，在本申请一些实施方式中，电解液包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯或者碳酸亚丙酯中的任意一个。
示例性地，在本申请一些实施方式中，电解液包括碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯的混合物；二者可以按照任意比例混合。
示例性地，在本申请一些实施方式中，碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯、碳酸亚丙酯三个的混合物；三者可以按照任意比例混合。
进一步地，在本申请一些实施方式中，电解液包括六氟磷酸锂或者四氟硼酸锂中的至少一者。
示例性地，在本申请一些实施方式中，电解液包括六氟磷酸锂或者四氟硼酸锂中的任意一者。
示例性地，在本申请一些实施方式中，电解液包括六氟磷酸锂和四氟硼酸锂的混合物；二者可以按照任意比例混合。
进一步地，在本申请一些实施方式中，电化学装置包括电解液；电解液包括化合物S；化合物S包括二氟磷酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂或者双(氟磺酰)亚胺锂中的至少一者。
示例性地，在本申请一些实施方式中，化合物S为二氟磷酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂或者双(氟磺酰)亚胺锂中的任意一者。
示例性地，在本申请一些实施方式中，化合物S为二氟磷酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂的混合物；二者可以按照任意比例混合。
示例性地，在本申请一些实施方式中，化合物S为双三氟甲烷磺酰亚胺锂和双(氟磺酰)亚胺锂的混合物；二者可以按照任意比例混合。
示例性地，在本申请一些实施方式中，化合物S为二氟磷酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂和双(氟磺酰)亚胺锂的混合物；三者可以按照任意比例混合。
进一步地，在本申请一些实施方式中，基于电解液的质量，化合物S的质量百分含量为X％，0.3≤X≤1.9。
进一步可选地，在本申请一些实施方式中，0.3≤X≤1.1。
示例性地，在本申请一些实施方式中，X为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1或者前述任意两个数值之间的范围。
进一步地，在本申请一些实施方式中，X与B满足如下关系式：0.08≤1000X/B≤0.49。
上述技术方案中，通过限定X与B满足上述的关系式，有利于改善电化学装置的循环性能。
进一步可选地，在本申请一些实施方式中，0.08≤1000X/B≤0.28。
示例性地，在本申请一些实施方式中，1000X/B为0.1、0.12、0.15、0.2、0.25、0.28或者前述任意两个数值之间的范围。
进一步地，在本申请一些实施方式中，电解液满足以下特征中的至少一者：
(1)包括二氟磷酸锂和双三氟甲烷磺酰亚胺锂；
(2)包括二氟磷酸锂和双(氟磺酰)亚胺锂；
(3)包括双三氟甲烷磺酰亚胺锂和双(氟磺酰)亚胺锂。
进一步可选地，在本申请一些实施方式中，电解液包括二氟磷酸锂和双三氟甲烷磺酰亚胺锂。
进一步可选地，在本申请一些实施方式中，电解液包括二氟磷酸锂和双(氟磺酰)亚胺锂。
进一步可选地，在本申请一些实施方式中，电解液包括双三氟甲烷磺酰亚胺锂和双(氟磺酰)亚胺锂。
进一步地，在本申请一些实施方式中，负极极片包括集流体。在一些实施例中，集流体包括：铜箔、铝箔、镍箔、不锈钢箔、钛箔、泡沫镍、泡沫铜、覆有导电金属的聚合物基底或其任意组合。
进一步地，在本申请一些实施方式中，前述的电化学装置还包括正极极片。
进一步地，在本申请一些实施方式中，正极极片包括正极集流体和位于该正极集流体上的正极活性材料层。在本申请一些实施方式中，正极活性材料包括能够吸收和释放锂的正极材料。释放锂的正极材料包括但不限于钴酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、锰酸锂、磷酸锰铁锂、磷酸钒锂、磷酸钒氧锂、磷酸铁锂、钛酸锂和富锂锰基材料。在本申请一些实施方式中，集流体可以包括，但不限于：铝箔。
在本申请一些实施方式中，正极活性材料层还包括粘合剂，并且可选地包括导电材料。粘合剂提高正极活性材料颗粒彼此间的结合，并且还提高正极活性材料与集流体的结合。
在本申请一些实施方式中，粘合剂包括，但不限于：聚乙烯醇、羟丙基纤维素、二乙酰基纤维素、聚氯乙烯、羧化的聚氯乙烯、聚氟乙烯、含亚乙基氧的聚合物、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚偏1，1二氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丁苯橡胶、丙烯酸(酯)化的丁苯橡胶、环氧树脂或尼龙等。
在本申请一些实施方式中，导电材料包括，但不限于：基于碳的材料、基于金属的材料、导电聚合物和它们的混合物。在一些实施例中，基于碳的材料选自天然石墨、人造石墨、碳黑、乙炔黑、科琴黑、碳纤维或其任意组合。在一些实施例中，基于金属的材料选自金属粉、金属纤维、铜、镍、铝或银。在一些实施例中，导电聚合物为聚亚苯基衍生物。
正极极片可以通过本领域公知的制备方法制备。例如，正极极片可以通过如下方法获得：在溶剂中将活性材料、导电材料和粘合剂混合，以制备活性材料组合物，并将该活性材料组合物涂覆在集流体上。在一些实施例中，溶剂可以包括，但不限于：N甲基吡咯烷酮。本申请的电化学装置具有更高的能量密度、循环性能，能够满足应用要求。
进一步地，在本申请一些实施方式中，前述的电化学装置还包括隔离膜。
进一步地，在本申请一些实施方式中，隔离膜可包括基材层和表面处理层。基材层为具有多孔结构的无纺布、膜或复合膜，基材层的材料选自聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺中的至少一种。具体的，可选用聚丙烯多孔膜、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。
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。无机物层包括无机颗粒和粘结剂，无机颗粒选自氧化铝、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、氢氧化钙和硫酸钡中的至少一种。粘结剂选自聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯的共聚物、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯烷氧、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯和聚六氟丙烯中的至少一种。聚合物层中包含聚合物，聚合物的材料选自聚酰胺、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、聚乙烯烷氧、聚偏氟乙烯和聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)中的至少一种。
进一步地，在本申请一些实施方式中，锂离子电池的制备包括：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中间起到隔离的作用，并卷绕得到裸电芯。将裸电芯置于外包装中，注入配好的电解液后进行封装，经过化成，脱气，切边等工艺流程得到锂离子电池(锂二次电池)。
本申请一些实施方式提供一种用电设备，该用电设备包括前述任一实施方式提供的电化学装置。
下面列举了一些具体实施例以更好地对本申请进行说明。
【硅碳复合材料的制备】
将碳前驱体树脂碳放入回转炉内，通入硅烷和氩气的混合气体，并控制上述混合气体中硅烷的体积分数，在一定的沉积温度下气相沉积一定沉积时间，便得到硅碳复合材料。
各个实施例和对比例的制备工艺参数见表1。
【负极极片的制备】
将硅碳复合材料和人造石墨混合均匀作为负极活性材料。将上述负极活性材料、负极粘结剂丁苯橡胶(SBR)、负极导电剂碳纳米管(CNT)、负极分散剂羧甲基纤维素(CMC)按照质量比95.8:2.9:0.5:0.8进行混合，然后加入去离子水作为溶剂并搅拌均匀，调配成固含量为45wt％的负极浆料。将负极浆料均匀涂覆于厚度为6μm的负极集流体铜箔的一个表面上，烘干处理4小时，得到单面涂覆负极合剂层的负极极片。经过冷压、裁片、分切后，在120℃的真空条件下干燥12小时，得到负极极片，规格为76.6mm×875mm。
各个实施例和对比例的硅碳复合材料和人造石墨混合按照一定摩尔比称重混合，所述一定摩尔比按照表3中D与E调整。
【电解液的制备】
在干燥氩气气氛手套箱中，将碳酸丙烯酯和丙酸乙酯按照质量比1:1混合得到第一混合液，向第一混合液中加入其他组分(如有)，然后加入锂盐LiPF6，混合均匀后获得电解液。
对比例1、对比例2和实施例1-1至实施例1-19中，没有加入其他组分，基于电解液的质量，锂盐的质量百分含量为12.5％，余量为第一混合液
实施例2-1至实施例2-12中，基于电解液的质量，锂盐的质量百分含量为12.5％，其他组分的质量百分含量如表2所示，余量为第一混合液。
【正极极片的制备】
将正极活性材料钴酸锂(LCO)、正极导电剂乙炔黑、正极粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按照质量比96.3:2.2:1.5进行混合，加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂并搅拌均匀，调配成固含量为75wt％的正极浆料。将正极浆料均匀涂覆在厚度为13μm的正极集流体铝箔的一个表面上，烘干，得到单面涂布正极合剂层的正极极片。经过冷压、裁片、分切后，在85℃的真空条件下干燥4小时，得到正极极片，规格为74mm×867mm。
【锂离子电池的制备】
采用前述制得的负极极片、正极极片；以PE多孔聚合薄膜作为隔离膜。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。将电极组件置于铝塑膜包装袋中，注入前述配制的电解液后进行封装，经过化成，脱气，切边等工艺流程得到锂离子电池。
【性能测试】
1、对前述制得的负极极片的性能进行测试。
SEM测试：扫描电镜表征由PhilipsXL-30型场发射扫描电子显微镜记录，在10kV,10mA条件下进行检测。通过背散射模式对负极极片中的硅颗粒和石墨颗粒进行区分和计数(硅颗粒区域较亮，石墨颗粒区域较暗)。
具体为，将极片截面中的活性物质层平均分为8个部分，极片截面用氩离子抛光法制得，然后选取其中任意2块区域进行计数后求算数平均值。确定参数D和E。
A参数测量方法：
通过Philips XL-30型场发射扫描电子显微镜(SEM)观察负极极片的氩等离子抛光截面(CP截面)并对CP截面进行X射线能谱分析(EDS分析)。将负极极片裁切为1cm×1cm的尺寸，然后使用Ar等离子体进行对极片进行切割，从而制得CP截面样品。在1k的放大倍数下对CP截面进行EDS点扫描。EDS点扫描的具体方式为：在CP截面中选取硅颗粒，在硅颗粒中心部随机选取16个点进行点扫描，以获得硅元素的质量浓度，对所获取的16个硅元素的质量浓度进行算数平均，所述算数平均值即为，基于所述硅颗粒的质量，硅元素的质量百分含量A。其中，硅颗粒中心部指距离硅颗粒边缘大于2μm的区域；所述硅元素的质量浓度指，在点扫区域中，基于所有元素质量之和，硅元素的质量百分比。
B参数测量方法：将电芯满充到额定满充电压，然后以0.2C的放电速率进行放电至3.0V,此时的容量为C1。再以0.2C1充电速率充电至额定满充电压，再放电至3.0V，得到的容量值即为B；
C参数测量方法：将电芯满充到额定满充电压，然后以0.2C的放电速率进行放电到2.75V,此时的容量为C1。再以0.2C1充电速率充电至额定满充电压，再放电到2.75V，得到的容量值即为C。
2、锂离子电池性能测试
(1)循环性能
将各个实施例和对比例的锂离子电池在25℃±1℃的恒温箱中静置30分钟，以0.5C电流恒流充电至4.45V，再以4.45V恒压充电至0.025C，静置5分钟，然后以0.5C放电至3.0V，此为一次充放电循环过程，记录锂离子电池的首次循环放电容量C0，之后，按照上述循环过程循环500圈。记录第500圈的循环放电容量C1。500圈循环容量保持率＝C1/C0×100％。
(2)膨胀率测试
将各个实施例和对比例的锂离子电池以0.5C流恒流充电至3.95V，此时锂离子电池为初始半充状态，用螺旋千分尺测试初始半充状态下锂离子电池的厚度，记为H0。以0.5C充电速率恒流充电至3.95V，0.5C放电速率恒流放电至3.0V，以此为一圈循环。循环至500圈时，将锂离子电池以0.5C流恒流充电至4.45V，为满充状态，再用螺旋千分尺测试此时锂离子电池的厚度为H1。500圈循环膨胀率＝(H1-H0)/H0×100％。
(3)能量密度
能量密度＝放电容量×放电平台/电芯厚度/电芯长/电芯宽。
放电容量和放电平台通过以下方法测得：将电芯满充到额定满充电压，然后以0.2C进行放电到3.0V,容量记为C1。再以0.2C1电流满充到额定满充电压，再放电到3.0V。此时的容量记为放电容量，此过程得到的放电平台记为放电平台。
电芯厚度/电芯长/宽可通过电池领域通用的尺寸测量方式进行。各个实施例或者对比例的性能测试结果见表3。
表1
表2
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从上述表格可以看出：
本申请实施例的方案可以在改善循环性能和能量密度的同时兼顾电芯的膨胀性能。
进一步地，对比例1的方案，其C/B＜[(0.56+9.46A)*D+E]/[(0.42+9.6A)*D+E]；不在本申请范围内，此时电池的能量密度显著下降；不能实现改善循环性能和能量密度的同时兼顾电芯的膨胀性能的效果。
进一步地，对比例2的方案，其C/B＞[(1.69+8.34A)*D+E]/[(0.42+9.6A)*D+E]；不在本申请范围内，此时电池的膨胀性能显著恶化，不能实现改善循环性能和能量密度的同时兼顾电芯的膨胀性能的效果。
进一步地，实施例18与其他实施例相比，可以看出，当A小于30％，D小于10％，E小于40％，B小于3793，C小于3863时，电池的能量密度降低较多。
进一步地，实施例19与其他实施例相比，可以看出，当A大于50％，D大于60％，E大于90％，B大于4256，C大于4311时，不利于电池的膨胀性能。
进一步地，实施例2-1、实施例2-6与实施例2-2～实施例2-5相比，可以看出，0≤Y≤55时，可以更好地兼顾电化学装置的循环性能、能量密度和膨胀性能。
进一步地，实施例2-9与实施例2-7～实施例2-8以及实施例2-10～2-12相比，可以看出，0.08≤1000X/B≤0.28时，可以更好地兼顾电化学装置的循环性能、能量密度和膨胀性能。
以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
Claims (10)
1.一种电化学装置，其特征在于，所述电化学装置包括：
负极极片；所述负极极片包括负极活性材料；所述负极活性材料包括硅颗粒和石墨颗粒；所述硅颗粒中含有硅元素，基于所述硅颗粒的质量，所述硅元素的质量百分含量为A；
所述负极极片中，基于所述硅颗粒的数量和所述石墨颗粒的数量之和，所述硅颗粒的数量占比为D，所述石墨颗粒的数量占比为E；
所述电化学装置以0.2C的倍率从额定满充电压放电至3.0V时的容量为B mAh；所述电化学装置以0.2C的倍率从额定满充电压放电至2.75V时的容量为C mAh；
A、B、C、D和E满足如下关系式：
[(1.69+8.34A)*D+E]/[(0.42+9.6A)*D+E]>C/B>[(0.56+9.46A)*D+E]/[(0.42+9.6A)*D+E]。
2.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，满足以下特征中的至少一者：
(1)0.3≤A≤0.5；
(2)3793≤B≤4256；
(3)3863≤C≤4311；
(4)0.1≤D≤0.6；
(5)0.4≤E≤0.9。
3.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，满足以下特征中的至少一者：
(1)0.35≤A≤0.45；
(2)3821≤B≤4122；
(3)3958≤C≤4212；
(4)0.1≤D≤0.4；
(5)0.6≤E≤0.9。
4.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，
所述硅颗粒的数量占比D与所述石墨颗粒的质量占比E，满足如下关系式：0.11≤D/E≤1.5。
5.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，
所述硅元素的质量百分含量A与所述电化学装置以0.2C的倍率从额定满充电压放电至3.0V时的容量B，满足如下关系式：0.077≤1000A/B≤0.121。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电化学装置，所述电化学装置包括电解液；其特征在于，
所述电解液包括碳酸酯化合物，所述碳酸酯化合物包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯或者碳酸亚丙酯中的至少一者；
基于电解液的质量，所述碳酸酯化合物的质量百分含量为Y％，20≤Y≤55。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的电化学装置，所述电化学装置包括电解液；其特征在于，
所述电解液包括化合物S，化合物S包括二氟磷酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂或者双(氟磺酰)亚胺锂中的至少一者；
基于所述电解液的质量，所述化合物S的质量百分含量为X％；
0.3≤X≤1.9，可选地，0.3≤X≤1.1。
8.根据权利要求7所述的电化学装置，其特征在于，
所述X与B满足如下关系式：0.08≤1000X/B≤0.49；
可选地，0.08≤1000X/B≤0.28。
9.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述电解液满足以下特征中的至少一者：
(1)包括二氟磷酸锂和双三氟甲烷磺酰亚胺锂；
(2)包括二氟磷酸锂和双(氟磺酰)亚胺锂；
(3)包括双三氟甲烷磺酰亚胺锂和双(氟磺酰)亚胺锂。
10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包含权利要求1-9任一项所述的电化学装置。
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