CN117996156A - 一种电化学装置及电子装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种电化学装置及电子装置，电化学装置包括正极极片和电解液，正极极片包括正极材料层，正极材料层包括正极活性材料和腈类物质，正极活性材料包括钴元素和镍元素，基于正极材料层的质量，镍元素的质量百分含量为A％，0.1≤A≤20；基于正极材料层的质量，腈类物质的质量百分含量为B％，0.1≤B≤1.5。正极材料层包括钴元素、镍元素和腈类物质并调控镍元素和腈类物质的质量百分含量在本申请的范围内，有利于提高电化学装置的能量密度，同时还有利于改善电化学装置的高温循环性能，使得电化学装置的能量密度和高温循环性能得以兼顾，提高了电化学装置的综合性能。

Description

一种电化学装置及电子装置
技术领域
本申请涉及电化学技术领域，特别是涉及一种电化学装置及电子装置。
背景技术
电化学装置(例如锂离子电池)具有能量密度高、质量轻、循环寿命长等优点，在消费类电池中广泛应用。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、高温循环及充电速度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，可在正极活性材料中掺杂其他元素，例如在正极活性材料LiCoO2中掺杂镍元素。掺杂镍元素后可以提升正极活性材料的克容量，从而提高锂离子电池的能量密度；同时镍元素价格低廉，绿色环保。但掺杂镍后，锂镍原子混合排列会阻碍Li+的迁移并加速充放电过程中正极活性材料的结构坍塌，从而影响锂离子电池的高温循环性能。
发明内容
本申请的目的在于提供一种电化学装置及电子装置，以提高电化学装置的能量密度和高温循环性能。具体技术方案如下：
本申请的第一方面提供了一种电化学装置，其包括正极极片和电解液，正极极片包括正极材料层，正极材料层包括正极活性材料和腈类物质；正极活性材料包括钴元素和镍元素，基于正极材料层的质量，镍元素的质量百分含量为A％，0.1≤A≤20，优选为0.5≤A≤10；基于正极材料层的质量，腈类物质的质量百分含量为B％，0.1≤B≤1.5，优选为0.1≤B≤1.3。正极材料层包括钴元素、镍元素和腈类物质并调控镍元素和腈类物质的质量百分含量在本申请的范围内，镍元素掺杂可提高正极活性材料的克容量，腈类物质中的氰基可直接在正极与高价镍离子(例如Ni2+、Ni3+)、钴离子等过渡金属离子快速络合，减少高价镍离子、钴离子等过渡金属离子的溶出，有利于提高电化学装置的能量密度，还有利于改善电化学装置的高温循环性能，使得电化学装置的能量密度和高温循环性能得以兼顾，提高了电化学装置的综合性能。在本申请中，“高温”是指温度大于或等于35℃。
在本申请的一些实施方案中，0.4≤A/B≤88.2，优选为1.7≤A/B≤33.4。通过调控A/B的值在本申请范围内，可更好的发挥腈类物质中氰基对镍的络合作用，减少镍离子的溶出，可进一步提高电化学装置的能量密度和高温循环性能。
在本申请的一些实施方案中，腈类物质包括式I化合物：
其中，n选自1或2，Q独立选自各个Q可以相同或不同，各个R3可以相同或不同；R1、R2、R3独立地选自共价单键、经取代或未经取代的C1-C10的亚烷基、经取代或未经取代的C2-C10的亚烯基、经取代或未经取代的C2-C10的亚炔基、经取代或未经取代的C6-C10的亚芳基、经取代或未经取代的C3-C10的亚脂环烃基、经取代或未经取代的C1-C10的亚杂环基，当经取代时，取代基选自卤素；亚杂环基包括吡啶基、噻吩基或噻唑基；其中，表示与相邻原子的结合位点。腈类物质选自本申请范围内的式I化合物可更好的发挥腈类物质中氰基对镍的络合作用，减少镍离子的溶出，可进一步提高电化学装置的能量密度和高温循环性能。
在本申请的一些实施方案中，式I化合物包括以下化合物中的至少一种：
在本申请的一些实施方案中，基于正极材料层的质量，钴元素的质量百分含量为C％，38.8≤C≤58.8。通过调控钴元素的质量百分含量C％在本申请的范围内，可使正极活性材料具有较高的克容量和较好的结构稳定性，进一步提高电化学装置的能量密度和高温循环性能。
在本申请的一些实施方案中，正极活性材料包括LiαCo1-x-yNixMyOβ，其中，0.95≤α≤1.4，0.0005≤x≤0.4，0≤y≤0.02，1.9≤β≤2.1，M包括Mn、Al、Mg、Ca、Ti、Zr、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Rb或Sn中的至少一种。通过选择本申请范围内的正极活性材料，可使正极活性材料具有较高的克容量，也可使正极材料层的结构更加稳定，进一步提高电化学装置的能量密度和高温循环性能。
在本申请的一些实施方案中，正极材料层还包括锂盐，锂盐包括含磷类锂盐或含硼类锂盐中的至少一种，含磷类锂盐包括二氟磷酸锂或六氟磷酸锂中的至少一种，含硼类锂盐包括四氟硼酸锂、双草酸硼酸锂或二氟草酸硼酸锂中的至少一种；基于正极材料层的质量，锂盐的质量百分含量为D％，0.1≤D≤1.8。正极材料层中直接包括本申请范围内的锂盐并调控锂盐的质量百分含量D％的值在本申请范围内，有利于降低正极界面膜的阻抗，减少极化，提高正极活性材料的克容量；同时，锂盐中的硼或磷可以与正极活性材料中的氧结合，稳定正极活性材料的结构，进一步改善电化学装置的高温循环性能。
在本申请的一些实施方案中，电解液包括腈类化合物，腈类化合物包括丙二腈、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、戊烯二腈、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-戊三甲腈或1,2,6-己三甲腈中的至少一种；基于电解液的质量，腈类化合物的含量为E％，0.1≤E≤8。电解液包括本申请范围内的腈类化合物并调控腈类化合物的质量百分含量E％在本申请的范围内，有利于提高正极电解质界面膜(CEI膜)的抗氧化能力，同时还可以稳定正极活性材料中的过渡金属，减少电解液中的副反应，改善电解液在高温下的氧化分解产气，进一步提高电化学装置的高温循环性能。
本申请的第二方面提供了一种电子装置，其包括本申请第一方面提供的电化学装置，本申请提供的电化学装置具有较高的能量密度和较好的高温循环性能，从而本申请提供的电子装置具有良好的使用性能。
本申请的有益效果：
本申请提供了一种电化学装置及电子装置，电化学装置包括正极极片和电解液，正极极片包括正极材料层，正极材料层包括正极活性材料和腈类物质，正极活性材料包括钴元素和镍元素，基于正极材料层的质量，镍元素的质量百分含量为A％，0.1≤A≤20；基于正极材料层的质量，腈类物质的质量百分含量为B％，0.1≤B≤1.5。正极材料层包括钴元素、镍元素和腈类物质并调控镍元素和腈类物质的质量百分含量在本申请的范围内，镍元素掺杂可提高正极活性材料的克容量，腈类物质中氰基可直接在正极与高价镍离子、钴离子等过渡金属离子快速络合，减少高价镍离子、钴离子等过渡金属离子的溶出，有利于提高电化学装置的能量密度，同时还有利于改善电化学装置的高温循环性能，使得电化学装置的能量密度和高温循环性能得以兼顾，提高了电化学装置的综合性能。
当然，实施本申请的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
具体实施方式
下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域技术人员基于本申请所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的具体实施例中，以锂离子电池作为电化学装置的例子来解释本申请，但是本申请的电化学装置并不仅限于锂离子电池。
本申请的第一方面提供了一种电化学装置，其包括正极极片和电解液，正极极片包括正极材料层，正极材料层包括正极活性材料和腈类物质；正极活性材料包括钴元素和镍元素，基于正极材料层的质量，镍元素的质量百分含量为A％，0.1≤A≤20，优选为0.5≤A≤10，例如，镍元素的质量百分含量A％可以为0.1％、0.5％、1％、3％、5％、8％、10％、13％、15％、18％、20％或为其中任意两个数值组成的范围。基于正极材料层的质量，腈类物质的质量百分含量为B％，0.1≤B≤1.5，优选为0.1≤B≤1.3，例如腈类物质的质量百分含量可以为为0.1％、0.3％、0.5％、0.8％、1％、1.2％、1.5％或为其中任意两个数值组成的范围。
本申请提供的电化学装置，在正极活性材料中掺杂镍并调控镍元素的质量百分含量在本申请的范围内，可提高正极活性材料的克容量，从而有利于提高电化学装置的能量密度。但正极活性材料掺杂镍后，锂镍原子混合排列会阻碍Li+的迁移以及加速循环中正极活性材料的结构坍塌，从而影响锂离子电池的高温循环性能。本申请研究人员发现，同时在正极活性材料层中直接引入腈类物质，一方面腈类物质中的氰基可直接在正极与高价镍离子(例如Ni2+、Ni3+)、钴离子等过渡金属锂离子快速络合，减少过渡金属离子溶出，并减少高价镍离子占据Li+位点，提高正极活性材料的结构稳定性，并且减少过渡金属离子在负极还原成金属沉积在负极界面，提高负极界面的稳定性；另一方面腈类物质直接添加在正极材料层中，可避免腈类物质添加在电解液中导致的电解液粘度过大，从而避免其对电化学装置动力学性能的影响，另外，还可避免腈类物质在负极发生副反应，破坏负极界面结构。从而改善电化学装置的高温循环性能。当镍元素的质量百分含量过低时，例如低于0.1％，无法有效提高电化学装置的能量密度；当镍元素的质量百分含量过高时，例如高于20％，正极活性材料的结构稳定性下降且过渡金属容易溶出，影响电化学装置的高温循环性能。当腈类物质的质量百分含量过低时，例如低于0.1％，无法有效络合正极活性材料中的镍离子、钴离子等过渡金属离子，导致过渡金属离子溶出，影响电化学装置的能量密度和高温循环性能；当腈类物质的质量百分含量过高时，例如大于1.5％，导致正极活性材料层中正极活性材料的质量百分含量降低，不利于提高电化学装置的能量密度。正极材料层包括钴元素、镍元素和腈类物质并调控镍元素和腈类物质的质量百分含量在本申请的范围内，有利于提高电化学装置的能量密度，同时还有利于改善电化学装置的高温循环性能，使得电化学装置的能量密度和高温循环性能得以兼顾，提高了电化学装置的综合性能。
在本申请的一些实施方案中，0.4≤A/B≤88.2，优选为1.7≤A/B≤33.4。例如A/B的值可以为0.4、1、10、20、30、40、50、60、70、80、88.2或为其中任意两个数值组成的范围。通过调控A/B的值在本申请范围内，可更好的发挥腈类物质中氰基对镍的络合作用，减少镍离子的溶出，可进一步提高电化学装置的能量密度和高温循环性能。
在本申请的一些实施方案中，腈类物质包括式I化合物：
其中，n选自1或2，Q独立选自各个Q可以相同或不同，各个R3可以相同或不同；R1、R2、R3独立地选自共价单键、经取代或未经取代的C1-C10的亚烷基、经取代或未经取代的C2-C10的亚烯基、经取代或未经取代的C2-C10的亚炔基、经取代或未经取代的C6-C10的亚芳基、经取代或未经取代的C3-C10的亚脂环烃基、经取代或未经取代的C1-C10的亚杂环基，当经取代时，取代基选自卤素；亚杂环基包括吡啶基、噻吩基或噻唑基；其中，表示与相邻原子的结合位点，如P和碳原子的结合位点。腈类物质选自本申请范围内的式I化合物可更好的发挥腈类物质中氰基对镍的络合作用，减少镍离子的溶出，可进一步提高电化学装置的能量密度和高温循环性能。
在本申请的一些实施方案中，式I化合物包括以下化合物中的至少一种：
腈类物质选自上述式I-1至式I-25范围内的化合物可更好的发挥腈类物质中氰基对镍的络合作用，减少镍离子的溶出，可进一步提高电化学装置的能量密度和高温循环性能。所述正极极片中的腈类物质可以包括式I化合物中的一种、两种、三种或三种以上。
本申请的一些实施方案中，基于正极材料层的质量，钴元素的质量百分含量为C％，38.8≤C≤58.8。例如钴元素的质量百分含量为C％的值可以为38.8％、40％、42％、45％、48％、50％、52％、55％、58.8％或为其中任意两个数值组成的范围，通过调控钴元素的质量百分含量C％在本申请的范围内，可使正极活性材料具有较高的克容量和较好的结构稳定性，进一步提高电化学装置的能量密度和高温循环性能。
在本申请的一些实施方案中，正极活性材料包括LiαCo1-x-yNixMyOβ，其中，0.95≤α≤1.4，0.0005≤x≤0.4，0≤y≤0.02，1.9≤β≤2.1，M包括Mn、Al、Mg、Ca、Ti、Zr、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Rb或Sn中的至少一种。例如α的值可以为0.95、1、1.1、1.2、1.3、1.4或为其中任意两个数值组成的范围。例如x的值可以为0.0005、0.001、0.01、0.1、0.2、0.3、0.4或为其中任意两个数值组成的范围。例如y的值可以为0、0.0005、0.001、0.005、0.01、0.02或为其中任意两个数值组成的范围。例如β的值可以为1.9、1.92、1.95、1.98、2.0、2.02、2.05、2.08、2.1或为其中任意两个数值组成的范围。通过选择本申请范围内的正极活性材料，可使正极活性材料具有较高的克容量，也可使正极材料层的结构更加稳定，进一步提高电化学装置的能量密度和高温循环性能。
在本申请的一些实施方案中，正极材料层还包括锂盐，锂盐包括含磷类锂盐或含硼类锂盐中的至少一种，含磷类锂盐包括二氟磷酸锂或六氟磷酸锂中的至少一种，含硼类锂盐包括四氟硼酸锂、双草酸硼酸锂或二氟草酸硼酸锂中的至少一种；基于正极材料层的质量，锂盐的质量百分含量为D％，0.1≤D≤1.8。例如锂盐的质量百分含量为D％的值可以为0.1％、0.2％、0.5％、0.8％、1％、1.2％、1.5％、1.8％或为其中任意两个数值组成的范围。正极材料层中直接包括本申请范围内的锂盐并调控锂盐的质量百分含量D％的值在本申请范围内，有利于降低正极界面膜的阻抗，减少极化，提高正极活性材料的克容量；同时，锂盐中的硼或磷可以与正极活性材料中的氧结合，稳定正极活性材料的结构，进一步改善电化学装置的高温循环性能。
在本申请的一些实施方案中，电解液包括腈类化合物，腈类化合物包括丙二腈、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、戊烯二腈、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-戊三甲腈或1,2,6-己三甲腈中的至少一种；基于电解液的质量，腈类化合物的含量为E％，0.1≤E≤8。例如腈类化合物的含量为E％的值可以为0.1％、0.5％、1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％或为其中任意两个数值组成的范围。电解液包括本申请范围内的腈类化合物并调控腈类化合物的质量百分含量在本申请的范围内，有利于提高正极电解质界面膜(CEI膜)的抗氧化能力，同时还可以稳定正极活性材料中的过渡金属，减少电解液中的副反应，改善电解液在高温下的氧化分解产气，进一步提高电化学装置的高温循环性能。
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。含镍化合物可以包括但不限于NiCO3、NiO或Ni(OH)2中的至少一种。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。通常情况下，可以通过改变含镍化合物与LiCoO2的质量比来调控正极活性材料中Co和Ni的质量百分含量。例如，增大含镍化合物与LiCoO2的质量比，Ni的质量百分含量增大、Co的质量百分含量减小；减小含镍化合物与LiCoO2的质量比，Ni的质量百分含量减小、Co的质量百分含量增大。
当正极活性材料中包含上述M元素，在制备正极活性材料时可以在加入含镍化合物的同时加入含M元素的化合物。例如，当M元素为Mn、Al、Mg、Ca、Ti、Zr、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Rb、Sn时，对应加入的含M元素的化合物可以为含M元素的氧化物、含M元素的氢氧化物和含M元素的碳酸盐化合物。正极活性材料中M元素的含量可以通过调控含M元素的化合物的加入量来进行调控。
本申请的正极极片包括正极集流体和设置在正极集流体至少一个表面上的正极材料层。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，正极集流体可以包含铝箔、铝合金箔或复合集流体(例如铝碳复合集流体)等。在本申请中，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。单面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。在本申请中，正极材料层可以设置于正极集流体厚度方向上的一个表面上，也可以设置于正极集流体厚度方向上的两个表面上。需要说明，这里的“表面”可以是正极集流体的全部区域，也可以是正极集流体的部分区域，本申请没有特别限制，只要能实现本申请目的即可。
本申请的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、丁苯橡胶或聚偏氟乙烯中的至少一种。
本申请的电解液还可以包括锂盐和非水有机溶剂。本申请对电解液中锂盐的种类没有特别限制，只要能实现本申请的目的即可。例如，锂盐可以包括但不限于六氟磷酸锂、双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、二氟磷酸锂、四氟硼酸锂、硝酸锂、六氟锑酸锂、六氟砷酸锂、二(三氟甲基磺酰)亚胺锂、二(五氟乙基磺酰)亚胺锂、三(三氟甲基磺酰)甲基锂、二氟草酸磷酸锂或四氟草酸磷酸锂中的至少一种。本申请对锂盐的质量百分含量没有特别限制，只要能实现本申请的目的即可。本申请对非水有机溶剂的种类没有特别限制，只要能实现本申请的目的即可，例如可以包括但不限于碳酸酯化合物、羧酸酯化合物、醚化合物或其它有机溶剂中的至少一种。上述碳酸酯化合物可以包括但不限于链状碳酸酯化合物或环状碳酸酯化合物中的至少一种。上述链状碳酸酯化合物可以包括但不限于碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯或碳酸甲乙酯中的至少一种。上述环状碳酸酯化合物可以包括但不限于碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸亚丁酯或碳酸乙烯亚乙酯中的至少一种。上述羧酸酯化合物可以包括但不限于甲酸甲酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丙酯、乙酸叔丁酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、γ-丁内酯、癸内酯、戊内酯或己内酯中的至少一种。上述醚化合物可以包括但不限于乙二醇二甲醚、二丁醚、四甘醇二甲醚、二甘醇二甲醚、1,2-二甲氧基乙烷、1,2-二乙氧基乙烷、1-乙氧基-1-甲氧基乙烷、2-甲基四氢呋喃或四氢呋喃中的至少一种。上述其它有机溶剂可以包括但不限于二甲亚砜、1,2-二氧戊环、环丁砜、甲基环丁砜、1,3-二甲基-2-咪唑烷酮、N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、乙腈、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯或磷酸三辛酯中的至少一种。
在本申请中，电化学装置还包括负极极片，负极极片包括负极集流体以及设置于负极集流体至少一个表面上的负极材料层。上述“负极材料层设置于负极集流体至少一个表面上”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。
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。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正极材料层中可选的导电剂和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，单面负极材料层的厚度为30μm至170μm。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15μm。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36μm至350μm。
在本申请中，电化学装置还包括隔膜，其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。本申请对隔膜没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可。例如，隔膜的材料可以包括但不限于聚乙烯(PE)、聚丙烯为主的聚烯烃(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。在本申请中，隔膜的厚度没有特别限制，只要能实现本申请的目的即可，例如隔膜的厚度可以为5μm至50μm。
在一些实施方案中，隔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。
本申请的第二方面提供了一种电子装置，其包括本申请第一方面提供的电化学装置。本申请第一方面提供的电化学装置具有高能量密度和良好的高温循环性能，从而本申请第二方面提供的电子装置具有较长的使用寿命。
实施例
以下，举出实施例及对比例来对本申请的实施方式进行更具体地说明。各种的试验及评价按照下述的方法进行。另外，只要无特别说明，“份”、“％”为质量基准。
测试方法和设备：
正极材料层中镍元素和钴元素质量百分含量的测试：
将锂离子电池在0.2C下放电至3V，拆解得到正极极片。用DMC(碳酸二甲酯)清洗后的正极极片的正极材料层用刮刀刮下，得到正极材料层粉末，取0.4g上述粉末用12mL混合溶剂溶解，上述混合溶剂由王水和HF按照体积比5:1混合得到。然后稀释定容至100mL，使用电感耦合等离子光谱发生仪(ICP)测试溶液中Co、Ni等金属元素的含量。从而计算得到正极材料层中Ni的质量百分含量A％和Co的质量百分含量C％。其中，王水由浓硝酸与浓盐酸按照体积比为1:1混合得到。
正极材料层中腈类物质和锂盐的种类及质量百分含量的测试：
(1)将锂离子电池在0.2C下放电至3V，拆解得到正极极片，用碳酸二乙酯(DEC)清洗后烘干，并进行裁剪。
(2)将一部分正极极片浸泡在有机溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)中24h，之后将上述NMP溶液样品进行离子色谱(IC)测试，可测得正极材料层中腈类物质和锂盐种类。
(3)将另一部分正极极片进行扫描电镜能谱(EDS)测试，测得正极极片中的N、P、B、F元素含量，再结合(2)中测得的正极材料层中腈类物质的种类和锂盐的种类，从而计算得到正极材料层中腈类物质和锂盐的质量百分含量。
电解液中各组分含量测试：
将锂离子电池在0.2C下放电至3V进行拆解，收集电解液，并将拆出的正极极片、负极极片、隔膜进行离心，将离心后得到的液体和上述电解液混合均匀，得到液体样品，将液体样品进行离子色谱(IC)测试，测得电解液中锂盐的含量。将上述液体样品通过气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)进行测试，测得电解液中各组分的质量比，结合上述测得的锂盐的含量进行计算得到电解液中各组分的质量百分含量。
放电克容量测试：
以锂离子电池的放电克容量评价锂离子电池的能量密度，放电克容量越大，能量密度越高，放电克容量越小，能量密度越低。将锂离子电池在0.2C下放电至3V，拆解得到正极极片，将正极极片裁切为直径14mm的圆片，得到单面涂布正极材料层的正极极片，以锂金属片为对电极，隔膜和电解液的组成与相应的实施例或对比例中的隔膜和电解液相同。锂离子扣式电池的制备：在手套箱中，将负极壳、垫片、锂金属片、隔膜、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、隔膜、正极极片后，都需滴加电解液，锂金属片的直径为16mm，隔膜的直径为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，再在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，测得锂离子电池的放电容量。锂离子电池的放电克容量＝锂离子电池的放电容量/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。
高温循环性能测试：
以45℃下的容量保持率评价锂离子电池的高温循环性能，容量保持率越高，高温循环性能越好，容量保持率越低，高温循环性能越差。在45℃条件下，将锂离子电池以0.7C恒流充电至4.52V，然后以4.5V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，此时为首次循环，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。45℃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％。
实施例1-1
<正极活性材料的制备>
将碳酸镍(NiCO3)和LiCoO2按照质量比0.24:97.7进行混合，在高速混合机中以300r/min混合20min，得到混合物，将上述混合物置于空气窑炉中，以5℃/min升温至820℃，保持24h，自然冷却后取出，过300目筛后得到正极活性材料。
<正极极片的制备>
将上述制备得到的正极活性材料、导电剂碳纳米管(CNT)、粘结剂聚偏氟乙烯，腈类化合物按照质量比(98.1-B):0.5:1.4:B进行混合，其中B为0.3，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均匀，得到固含量为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×862mm的规格并焊接极耳后待用。
<负极极片的制备>
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。
<电解液的制备>
在含水量小于10ppm的氩气气氛手套箱中，将有机溶剂碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)按重量比3:7均匀混合，之后向有机溶剂中加入锂盐LiPF6搅拌均匀，形成基础电解液，其中锂盐LiPF6的质量百分含量为12.5％，余量为有机溶剂。
<隔膜>
以厚度为15μm的聚乙烯多孔薄膜(厂商：美国Celgard隔膜有限公司)作为隔膜。
<锂离子电池的制备>
将制备的正极极片、隔膜、负极极片按顺序叠好，使隔膜处于正极极片和负极极片中间起到隔离的作用，然后卷绕成电极组件，将电极组件装入铝塑膜包装袋中，放置在85℃真空烘箱中干燥12h脱去水分，注入上述配好的电解液，经过真空封装、静置、化成(以0.05C恒流充电至充4.3V，再以0.2C恒流放电至2.8V)、整形、容量测试、二次封装等工序，得到锂离子电池。
实施例1-2至实施例1-24
除了表1调整相关制备参数以外，其余与实施例1-1相同。其中，当腈类物质的质量百分含量变化时，正极活性材料的质量百分含量随之改变，导电剂和粘结剂的质量百分含量不变，其中，在正极材料制备过程中通过调整碳酸镍(NiCO3)和LiCoO2质量比调整镍元素质量百分含量A和钴元素质量百分含量C。
实施例2-1
<正极活性材料的制备>
将LiCoO2、碳酸镍(NiCO3)、MnCO3按照摩尔比0.83:0.15:0.02进行混合，在高速混合机中以300r/min混合20min，得到混合物，将上述混合物置于空气窑炉中，以5℃/min升温至820℃，保持24h，自然冷却后取出，过300目筛后得到正极活性材料。
除了按照上述步骤制备正极活性材料以外，其余与实施例1-10相同。
实施例2-2
<正极活性材料的制备>
将LiCoO2、碳酸镍(NiCO3)、Al2(CO3)3按照摩尔比0.83:0.15:0.02进行混合，在高速混合机中以300r/min混合20min，得到混合物，将上述混合物置于空气窑炉中，以5℃/min升温至820℃，保持24h，自然冷却后取出，过300目筛后得到正极活性材料。
除了按照上述步骤制备正极活性材料以外，其余与实施例1-10相同。
实施例2-3
<正极活性材料的制备>
将LiCoO2、碳酸镍(NiCO3)、MgCO3按照摩尔比0.83:0.15:0.02进行混合，在高速混合机中以300r/min混合20min，得到混合物，将上述混合物置于空气窑炉中，以5℃/min升温至820℃，保持24h，自然冷却后取出，过300目筛后得到正极活性材料。
除了按照上述步骤制备正极活性材料以外，其余与实施例1-10相同。
实施例3-1至实施例3-5
除了在<正极极片的制备>中按照表3所示加入锂盐并按照表3调整锂盐的质量百分含量，正极活性材料的质量百分含量随之改变，导电剂、粘结剂、腈类物质的质量百分含量不变以外，其余与实施例1-10相同。
实施例4-1至实施例4-13
除了在<电解液的制备>中按照表4所示加入腈类化合物a和/或b(a和b分别代表不同的腈类化合物)，并按照表4调整腈类化合物的质量百分含量(即腈类化合物a和b的总含量)，有机溶剂的质量百分含量随之改变，锂盐LiPF6的质量百分含量不变以外，其余与实施例1-10相同。
实施例4-14至实施例4-15
除了在<电解液的制备>中按照表4所示加入腈类化合物并按照表4调整腈类化合物的质量百分含量，有机溶剂的质量百分含量随之改变，锂盐LiPF6的质量百分含量不变以外，其余与实施例3-1相同。
对比例1、对比例3
除了按照表1调整相关制备参数以外，其余与实施例1-1相同。其中，正极活性材料为LiCoO2，且当腈类物质的质量百分含量变化时，正极活性材料的质量百分含量随之改变，导电剂和粘结剂的质量百分含量不变。
对比例2
除了按照表1调整相关制备参数以外，其余与实施例1-1相同。其中，当腈类物质的质量百分含量变化时，正极活性材料的质量百分含量随之改变，导电剂和粘结剂的质量百分含量不变。
各实施例和对比例的制备参数及性能参数如表1至表4所示。
表1
注：表1中“/”表示不存在对应的物质或参数。
从实施例1-1至实施例1-24、对比例1至对比例3可以看出，本申请正极材料层包括钴元素、镍元素和腈类物质并调控镍元素的质量百分含量A％和腈类物质的质量百分含量B％在本申请的范围内，得到的锂离子电池具有较高的放电克容量和较高的45℃容量保持率，说明锂离子电池的能量密度和高温循环性能同时得到提高，也即锂离子电池具有良好的综合性能。
镍元素的质量百分含量A％与腈类物质的质量百分含量B％的比值A/B通常会影响锂离电池的能量密度和高温循环性能，从实施例1-1至实施例1-13可以看出，通过调控A/B的值在本申请的范围内，得到的锂离子电池具有较高的放电克容量和较高的45℃容量保持率，说明锂离子电池具有较高的能量密度和良好的高温循环性能。
腈类物质的种类通常会影响锂离子电池的的能量密度和高温循环性能，从实施例1-10、实施例1-14至实施例1-24、对比例1、对比例2可以看出，当正极材料层中包括本申请范围内的腈类物质时，得到的锂离子电池具有较高的放电克容量和较高的45℃容量保持率，说明锂离子电池具有较高的能量密度和良好的高温循环性能。
表2
注：表2中“/”表示不存在对应的物质或参数。
正极活性材料的种类通常会影响锂离子电池的能量密度和高温循环性能，从实施例1-10、实施例2-1至实施例2-3可以看出，当正极活性材料的种类在本申请的范围内时，得到的锂离子电池具有较高的放电克容量和较高的45℃容量保持率，说明锂离子电池具有较高的能量密度和良好的高温循环性能。
表3
注：表3中“/”表示不存在对应的物质或参数。
从实施例1-10、实施例3-1至实施例3-5可以看出，正极材料层在包括镍元素、钴元素和腈类物质的基础上，进一步引入锂盐，可进一步提高锂离子电池的放电克容量和45℃容量保持率，正极材料层中直接引入锂盐可进一步提高锂离子电池的能量密度，并进一步改善锂离子电池的高温循环性能。
正极材料层中锂盐的种类通常会影响锂离子电池的能量密度和高温循环性能，从实施例3-1至实施例3-3可以看出，当正极材料层中锂盐的种类在本申请的范围内时，得到的锂离子电池具有较高的放电克容量和较高的45℃容量保持率，说明锂离子电池具有较高的能量密度和良好的高温循环性能。
正极材料层中锂盐的质量百分含量通常会影响锂离子电池的能量密度和高温循环性能，从实施例3-1、实施例3-4、实施例3-5可以看出，通过调控正极材料层中锂盐的质量百分含量在本申请的范围内，得到的锂离子电池具有较高的放电克容量和较高的45℃容量保持率，说明锂离子电池具有较高的能量密度和良好的高温循环性能。
表4
注：表4中“/”表示不存在对应的物质或参数。
从实施例1-10、实施例4-1至实施例4-13可以看出，正极材料层在包括镍元素、钴元素和腈类物质的基础上，在电解液中进一步引入腈类化合物，可进一步提高锂离子电池的45℃容量保持率，放电克容量基本无变化，说明在电解液中进一步引入腈类化合物可进一步改善锂离子电池的高温循环性能。
从实施例3-1、实施例4-14、实施例4-15可以看出，正极材料层在包括镍元素、钴元素、腈类物质、锂盐的基础上，在电解液中进一步引入腈类化合物，可进一步提高锂离子电池的45℃容量保持率，放电克容量基本无变化，说明在电解液中进一步引入腈类化合物可进一步改善锂离子电池的高温循环性能。
腈类化合物的种类通常会影响锂离子电池的高温循环性能，从实施例1-10、实施例4-2、实施例4-4至实施例4-7可以看出，当电解液中包括本申请范围内的腈类化合物时，可进一步提高锂离子电池的45℃容量保持率，放电克容量基本无变化，说明锂离子电池的高温循环性能得到进一步改善。
腈类化合物的质量百分含量通常会影响锂离子电池的高温循环性能，从实施例1-10、实施例4-1至实施例4-3、实施例4-8至实施例4-13可以看出，通过调控电解液中腈类化合物的质量百分含量在本申请的范围内，可进一步提高锂离子电池的45℃容量保持率，放电克容量基本无变化，说明锂离子电池的高温循环性能得到进一步改善。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种电化学装置，其包括正极极片和电解液，所述正极极片包括正极材料层，所述正极材料层包括正极活性材料和腈类物质；
所述正极活性材料包括钴元素和镍元素，基于所述正极材料层的质量，所述镍元素的质量百分含量为A％，0.1≤A≤20；
基于所述正极材料层的质量，所述腈类物质的质量百分含量为B％，0.1≤B≤1.5。
2.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，0.4≤A/B≤88.2。
3.根据权利要求1所述的电化学装置，腈类物质包括式I化合物：
其中，n选自1或2，Q独立选自各个Q可以相同或不同，各个R3可以相同或不同；R1、R2、R3独立地选自共价单键、经取代或未经取代的C1-C10的亚烷基、经取代或未经取代的C2-C10的亚烯基、经取代或未经取代的C2-C10的亚炔基、经取代或未经取代的C6-C10的亚芳基、经取代或未经取代的C3-C10的亚脂环烃基、经取代或未经取代的C1-C10的亚杂环基，当经取代时，取代基选自卤素；
所述亚杂环基包括吡啶基、噻吩基或噻唑基；
其中，表示与相邻原子的结合位点。
4.根据权利要求3所述的电化学装置，所述式I化合物包括以下化合物中的至少一种：
5.根据权利要求1所述的电化学装置，其满足以下特征中的至少一者：
(1)0.5≤A≤10；
(2)0.1≤B≤1.3；
(3)1.7≤A/B≤33.4。
6.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，基于所述正极材料层的质量，所述钴元素的质量百分含量为C％，38.8≤C≤58.8。
7.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述正极活性材料包括LiαCo1-x-yNixMyOβ，其中，0.95≤α≤1.4，0.0005≤x≤0.4，0≤y≤0.02，1.9≤β≤2.1，M包括Mn、Al、Mg、Ca、Ti、Zr、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Rb或Sn中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的电化学装置，所述正极材料层还包括锂盐，所述锂盐包括含磷类锂盐或含硼类锂盐中的至少一种，所述含磷类锂盐包括二氟磷酸锂或六氟磷酸锂中的至少一种，所述含硼类锂盐包括四氟硼酸锂、双草酸硼酸锂或二氟草酸硼酸锂中的至少一种；基于所述正极材料层的质量，所述锂盐的质量百分含量为D％，0.1≤D≤1.8。
9.根据权利要求1所述的电化学装置，所述电解液包括腈类化合物，所述腈类化合物包括丙二腈、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、戊烯二腈、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-戊三甲腈或1,2,6-己三甲腈中的至少一种；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E％，0.1≤E≤8。
10.一种电子装置，其包括权利要求1至9中任一项所述的电化学装置。
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