本发明涉及一种锂离子电池及其应用，属于锂离子电池
技术领域：
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背景技术：
：目前，人们对移动装置的需求不断增加，对作为能量存储单元的电池的需求也逐渐增加。现有技术中，对作为能量存储单元的锂离子电池的使用寿命和能量密度进行了广泛的研究。锂离子电池指的是电解液中含有锂离子的电池，锂离子电池包括：正极片，正极片包括正极活性层，正极活性层含有能够嵌入和脱嵌锂离子的正极活性材料；负极片负极片包括负极活性层，负极活性层包括能够嵌入/脱嵌锂离子的负极活性材料；以及设置在正极片与负极片之间的微孔隔膜。然而，现有的锂离子电池存在循环性能、热冲击性能以及低温放电性能差的缺点。技术实现要素：本发明提供一种锂离子电池，该锂离子电池具有良好的循环性能、热冲击性能以及低温放电性能。本发明提供一种电子设备，该电子设备的驱动源和/或能量存储源具有良好的循环性能、热冲击性能以及低温放电性能。本发明提供一种锂离子电池，包括正极片和电解液；其中，所述正极片包括正极集流体和设置在所述正极集流体至少一个功能表面的正极活性层；所述电解液包括腈类化合物和氟代碳酸乙烯酯；对所述锂离子电池以0.02c的倍率进行充电或放电至3.0-3.5v的电压时，所述电解液中氰基的质量百分含量a、所述电解液中所述氟代碳酸乙烯酯的质量百分含量b、所述正极活性层中锂元素与钴元素的数量比为c满足以下关系：0.003≤a/c≤0.07；1≤b/a；b≤25％；0.8≤c≤0.9。如上所述的锂离子电池，其中，1≤b/a≤10。如上所述的锂离子电池，其中，所述正极活性层包括正极活性物质；所述正极活性物质包括钴酸锂。如上所述的锂离子电池，其中，基于电解液的初始总质量，氟代碳酸乙烯酯的初始质量百分含量为2-30％。如上所述的锂离子电池，其中，基于电解液的初始总质量，腈类化合物的初始质量百分含量为1-10％。如上所述的锂离子电池，其中，所述腈类化合物选自丁二腈、戊二腈、己二腈、1,5-二氰基戊烷、1,6-二氰基己烷、1,7-二氰基庚烷、1,8-二氰基辛烷、1,9-二氰基壬烷、1,10-二氰基癸烷、1,12-二氰基十二烷、四甲基丁二腈、2-甲基戊二腈、2,4-二甲基戊二腈、2,2,4,4-四甲基戊二腈、1,4-二氰基戊烷、2,6-二氰基庚烷、2,7-二氰基辛烷、2,8-二氰基壬烷、1,6-二氰基癸烷、1,2-二氰基苯、1,3-二氰基苯、1,4-二氰基苯、3,5-二氧杂-庚二腈、1,4-二(氰基乙氧基)丁烷、乙二醇二(2-氰基乙基)醚、二乙二醇二(2-氰基乙基)醚、三乙二醇二(2-氰基乙基)醚、四乙二醇二(2-氰基乙基)醚、3,6,9,12,15,18-六氧杂二十烷酸二腈、1,3-二(2-氰基乙氧基)丙烷、1,4-二(2-氰基乙氧基)丁烷、1,5-二(2-氰基乙氧基)戊烷、乙二醇二(4-氰基丁基)醚、1,4-二氰基-2-丁烯、1,4-二氰基-2-甲基-2-丁烯、1,4-二氰基-2-乙基-2-丁烯、1,4-二氰基-2,3-二甲基-2-丁烯、1,4-二氰基-2,3-二乙基-2-丁烯、1,6-二氰基-3-己烯、1,6-二氰基-2-甲基-3-己烯、1,6-二氰基-2-甲基-5-甲基-3-己烯、1,3,5-戊三甲腈、1,2,3-丙三甲腈、1,3,6-己烷三腈、1,2,6-己烷三腈、1,2,3-三(2-氰基乙氧基)丙烷、1,2,4-三(2-氰基乙氧基)丁烷、1,1,1-三(氰基乙氧基亚甲基)乙烷、1,1,1-三(氰基乙氧基亚甲基)丙烷、3-甲基-1,3,5-三(氰基乙氧基)戊烷、1,2,7-三(氰基乙氧基)庚烷、1,2,6-三(氰基乙氧基)己烷和1,2,5-三(氰基乙氧基)戊烷中的至少一种。如上所述的锂离子电池，其中，所述电解液还包括有机溶剂；所述有机溶剂选自碳酸酯、羧酸酯、磷酸酯、醚、砜、磺酸酯、硫酸酯和亚硫酸酯中的至少一种。如上所述的锂离子电池，其中，所述电解液还包括锂盐；所述锂盐选自六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、双草酸硼酸锂、双氟草酸硼酸锂、双氟双草酸磷酸锂、四氟草酸磷酸锂、二氟磷酸锂、高氯酸锂、双氟磺酰胺锂和双三氟甲基磺酰亚胺锂中的至少一种。如上所述的锂离子电池，其中，所述锂盐的浓度为0.5-2mol/l。本发明还提供一种电子设备，其中，所述电子设备的驱动源和/或能量存储源包括上述的锂离子电池。本发明的锂离子电池，以0.02c的倍率进行充电或放电至3-3.5v的电压时，电解液中氰基的质量百分含量a、电解液中氟代碳酸乙烯酯的质量百分含量b、正极活性层中锂元素与钴元素的数量比为c满足以下关系：0.003≤a/c≤0.07；1≤b/a；b≤25％和0.8≤c≤0.9。当a、b和c满足上述的特定条件时，锂离子电池具有良好的循环性能、热冲击性能以及低温放电性能。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明的第一方面提供一种锂离子电池，包括正极片和电解液；其中，正极片包括正极集流体和设置在正极集流体至少一个功能表面的正极活性层；电解液包括腈类化合物和氟代碳酸乙烯酯；对锂离子电池以0.02c的倍率进行充电或放电至3.0-3.5v的电压时，电解液中氰基的质量百分含量a、电解液中氟代碳酸乙烯酯的质量百分含量b、正极活性层中锂元素与钴元素的数量比为c满足以下关系：0.003≤a/c≤0.07；1≤b/a；b≤25％；0.8≤c≤0.9。可以理解的是，本发明的锂离子电池包括正极片和电解液。还包括负极片、隔离膜和外包装。将正极片、隔离膜和负极片层叠设置得到电芯或将正极片、隔离膜和负极片层叠设置后，再进行卷绕设置得到电芯，将电芯置于外包装中，向外包装中注入电解液可以得到本发明的锂离子电池。本发明对负极片、隔离膜和外包装的具体结构不做特别限定，可以选自本领域的常规负极片、隔离膜和外包装。本发明中，功能表面指的是集流体中面积最大的且相对设置的两个表面。本发明可以在正极集流体的一个功能表面设置正极活性层得到正极片，也可以在正极集流体的两个功能表面设置正极活性层得到正极片。本发明的电解液包括腈类化合物和氟代碳酸乙烯酯。本发明中腈类化合物指的是含有氰基的化合物，电解液中的氰基来自于腈类化合物。电解液中的氰基的质量百分含量a，指的是对锂离子电池以0.02c的倍率进行充电或放电至3.0-3.5v的电压时，电解液中氰基的质量在电解液总质量中的占比。电解液中氟代碳酸乙烯酯的质量百分含量b，指的是对锂离子电池以0.02c的倍率进行充电或放电至3.0-3.5v的电压时，电解液中氟代碳酸乙烯酯(fec)的质量在电解液总质量中的占比。在一些实施方式中，当锂离子电池以0.02c的倍率进行充电或放电至3.0-3.5v的电压时，抽取锂离子电池中的电解液，使用气相色谱测试电解液，可以得到电解液中氰基的质量百分含量a以及电解液中氟代碳酸乙烯酯的质量百分含量b。正极活性层中锂元素与钴元素的数量比c，指的是对锂离子电池以0.02c的倍率进行充电或放电至3.0-3.5v的电压时，正极活性层中钴元素与锂元素的数量比。在一些实施方式中，可以使用电感耦合等离子体发射光谱仪(icp)测试获得。可以理解的是，本发明中，无论对锂离子电池进行多少次充放电循环，只要对锂离子电池以0.02c的倍率进行充电或放电至3-3.5v的电压时，a、b和c在上述的范围之内，都属于本发明要保护的范围之内。根据本发明提供的方案，当以0.02c的倍率进行充电或放电至3-3.5v的电压时，a、b和c满足以下特定关系：0.003≤a/c≤0.07；1≤b/a；b≤25％；0.8≤c≤0.9，则锂离子电池具有良好的循环性能、热冲击性能以及低温放电性能。进一步地，满足上述方案的锂离子电池可以实现在以下电压范围的充放电行为：2.5-4.6v、2.75-4.6v、3.0-4.6v、3.0-4.55v、3.0-4.53v、3.0-4.5v、3.0-4.48v、3.0-4.45v、3.0-4.43v、3.0-4.4v、3.0-4.35v、2.75-4.5v、2.75-4.48v、2.75-4.45v、2.75-4.43、2.75-4.4v和2.75-4.35v。发明人进行了分析，认为锂离子电池性能改善的原因可能在于：电解液中的腈类化合物可以在正极活性层的表面形成界面保护膜，避免高压下正极活性层与电解液接触，减少在充放电过程中正极活性层中的钴离子溶出，防止正极活性层在充放电过程中的产生变形，提高锂离子电池的循环性能和低温放电性能；电解液中的fec可以在负极活性层的表面形成稳定的保护膜，抑制锂离子电池在高温存储时产气，提高锂离子电池的高温循环性能和热冲击性能。进一步地，以0.02c的倍率对锂离子电池进行充电或放电至3-3.5v的电压，当a、b和c满足0.003≤a/c≤0.07；1≤b/a；b≤25％和0.8≤c≤0.9时，可以充分发挥电解液中腈类化合物和氟代碳酸乙烯酯的作用，充分发挥正极活性层中锂元素和钴元素的作用，电解液中腈类化合物的含量与正极活性层中钴元素和锂元素的含量相匹配，不仅可以避免由于腈类化合物的含量相对于正极活性层中钴元素和锂元素的含量过高而导致的锂离子电池循环性能和低温放电性能劣化的问题，而且会使电解液中的氰基更为充分的络合正极活性层中的钴元素，进一步防止正极活性层中的钴元素溶出，提高锂离子电池的循环性能和低温放电性能；电解液中腈类化合物的含量与电解液中fec的含量相匹配，不仅可以避免由于电解液中fec的含量相对于腈类化合物的含量过多而产生的锂离子电池的热冲击性能劣化的现象，而且会使电解液中的fec在负极活性层的表面形成稳定的sei膜，避免锂离子电池在高温存储过程中发生严重的产气，提高锂离子电池的热冲击性能；电解液中锂元素与钴元素的含量相匹配，也可以进一步提高锂离子电池的低温放电性能。进一步地，为了更好的提高锂离子电池的热冲击性能，1≤b/a≤10。本发明不限定锂离子电池的制备方法，也不限定未进行充电或放电时，锂离子电池的具体状态，凡是以0.02c的倍率充电或放电至3-3.5v的电压时，a、b和c满足以上的条件，都属于本发明保护的范围之内。在本发明的一些实施方式中，正极活性层包括正极活性物质；正极活性物质包括钴酸锂。钴酸锂的分子式可以为lixco1-amao2，其中，m掺杂元素，具体可以为al、mg、ti、zr、co、ni、mn、y、la、sr、w、sc中的一种或多种，0.7≤x＜0.98，0≤a≤0.10。使用上述分子式的钴酸锂制备的锂离子电池，当对其以0.02c的倍率充电或放电至3-3.5v的电压时，可以获得相匹配的锂元素和钴元素的含量，进而提高锂离子电池的循环性能和低温充放电性能。进一步地，lixco1-amao2的d50为8-15μm。本发明中，d50是lixco1-amao2的粒度分布数达到50％时所对应的粒径，即粒度小于此粒径的lixco1-amao2的体积占全部lixco1-amao2总体积的50％。本发明中的lixco1-amao2是由大颗粒的lixco1-amao2和小颗粒的lixco1-amao2混合得到，其中，大颗粒的lixco1-amao2的d50为8-18μm，小颗粒的lixco1-amao2的d50为2-6μm。在本发明的一些实施方式中，基于电解液的初始总质量，氟代碳酸乙烯酯的初始质量百分含量为2-30％。本发明中，电解液的初始总质量指的是在制备锂离子电池时，电解液的总质量，氟代碳酸乙烯酯的初始质量百分含量指的是在制备锂离子电池时，氟代碳酸乙烯酯的质量百分含量。氟代碳酸乙烯酯的初始质量百分含量为2-30％时，可以与电解液中的腈类化合物的含量相匹配，提高锂离子电池的热冲击性能。在本发明的一些实施方式中，基于电解液的初始总质量，腈类化合物的初始质量百分含量为1-7％。本发明中，腈类化合物的初始质量百分含量指的是在制备锂离子电池时，腈类化合物的质量百分含量。腈类化合物的初始质量百分含量为1-7％时，可以与电解液中的腈类化合物的含量以及正极活性层中钴元素和锂元素的含量相匹配，提高锂离子电池的循环性能和低温放电性能。本发明对腈类化合物不做特别限定，凡是含有氰基的化合物都属于本发明的保护范围之内，在一些实施方式中，腈类化合物可以选自丁二腈、戊二腈、己二腈、1,5-二氰基戊烷、1,6-二氰基己烷、1,7-二氰基庚烷、1,8-二氰基辛烷、1,9-二氰基壬烷、1,10-二氰基癸烷、1,12-二氰基十二烷、四甲基丁二腈、2-甲基戊二腈、2,4-二甲基戊二腈、2,2,4,4-四甲基戊二腈、1,4-二氰基戊烷、2,6-二氰基庚烷、2,7-二氰基辛烷、2,8-二氰基壬烷、1,6-二氰基癸烷、1,2-二氰基苯、1,3-二氰基苯、1,4-二氰基苯、3,5-二氧杂-庚二腈、1,4-二(氰基乙氧基)丁烷、乙二醇二(2-氰基乙基)醚、二乙二醇二(2-氰基乙基)醚、三乙二醇二(2-氰基乙基)醚、四乙二醇二(2-氰基乙基)醚、3,6,9,12,15,18-六氧杂二十烷酸二腈、1,3-二(2-氰基乙氧基)丙烷、1,4-二(2-氰基乙氧基)丁烷、1,5-二(2-氰基乙氧基)戊烷、乙二醇二(4-氰基丁基)醚、1,4-二氰基-2-丁烯、1,4-二氰基-2-甲基-2-丁烯、1,4-二氰基-2-乙基-2-丁烯、1,4-二氰基-2,3-二甲基-2-丁烯、1,4-二氰基-2,3-二乙基-2-丁烯、1,6-二氰基-3-己烯、1,6-二氰基-2-甲基-3-己烯、1,6-二氰基-2-甲基-5-甲基-3-己烯、1,3,5-戊三甲腈、1,2,3-丙三甲腈、1,3,6-己烷三腈、1,2,6-己烷三腈、1,2,3-三(2-氰基乙氧基)丙烷、1,2,4-三(2-氰基乙氧基)丁烷、1,1,1-三(氰基乙氧基亚甲基)乙烷、1,1,1-三(氰基乙氧基亚甲基)丙烷、3-甲基-1,3,5-三(氰基乙氧基)戊烷、1,2,7-三(氰基乙氧基)庚烷、1,2,6-三(氰基乙氧基)己烷和1,2,5-三(氰基乙氧基)戊烷中的至少一种。在本发明的一些实施方式中，电解液还包括有机溶剂；有机溶剂选自碳酸酯、羧酸酯、磷酸酯、醚、砜、磺酸酯、硫酸酯和亚硫酸酯中的至少一种。在本发明的一些实施方式中，电解液还包括锂盐；锂盐选自六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、双草酸硼酸锂、双氟草酸硼酸锂、双氟双草酸磷酸锂、四氟草酸磷酸锂、二氟磷酸锂、高氯酸锂、双氟磺酰胺锂和双三氟甲基磺酰亚胺锂中的至少一种。在本发明的一些实施方式中，为了在保证锂离子电池的循环性能、热冲击性能以及低温放电性能的前提下，提高锂离子电池的充放电性能，锂盐的浓度为0.5-2mol/l。本发明的第二方面提供一种电子设备，上述电子设备的驱动源和/或能量存储源包括上述的锂离子电池。上述锂离子电池可以用作电子设备的电源，也可以作为电子设备的能量存储单元。上述电子设备可以包括但不限于移动设备(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。该电子设备由于包括上述锂离子电池，所以具有较长的使用寿命和安全性能。以下，结合具体的实施例进一步说明本发明的技术方案。实施例及对比例实施例及对比例的锂离子电池通过以下步骤制备得到：1)正极片制备将正极活性材料钴酸锂、粘结剂聚偏氟乙烯(pvdf)、n-甲基吡咯烷酮(nmp)、导电剂(导电炭黑和碳纳米管的混合物)搅拌混合得到正极活性浆料，将正极活性浆料均匀涂覆于铝箔的两个功能表面，辊压、干燥后得到正极活性层，分切得到正极片；其中，正极活性层中，钴酸锂：pvdf：导电炭黑：碳纳米管的质量比为96:2:1.5:0.5。2)负极片制备将负极活性材料石墨、增稠剂羧甲基纤维素钠(cmc-na)、粘结剂丁苯橡胶(sbr)、导电剂(导电炭黑和单壁碳纳米管的混合物)和去离子水搅拌混合获得负极活性浆料；将负极活性浆料均匀涂覆在铜箔的两个功能表面，辊压、干燥后得到负极活性层，分切得到负极片；其中，负极活性层中，石墨：cmc-na：sbr：导电炭黑：单壁碳纳米管的质量比为96:1.5:1.5:0.9:0.1。3)电解液的制备在充满氩气且含水量小于10ppm的手套箱中，将碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯，按照质量百分比25:5:70混合均匀得到混合液，然后向混合液中快速加入充分干燥的六氟磷酸锂，六氟磷酸锂的浓度为1m，形成基础电解液；在基础电解液中分别加入不同含量的腈类化合物和fec，得到电解液。4)锂离子电池的制备将步骤1)的正极片、步骤2)的负极片和隔离膜按照正极片、隔离膜和负极片的顺序层叠设置后，再进行卷绕得到电芯；将电芯置于外包装铝箔中，将步骤3)的电解液注入外包装中，经过真空封装、静置、化成、整形、分选等工序，获得锂离子电池；其中，分选充放电范围为3-4.45v。具体的制备参数见表1。对实施例和对比例获得的锂离子电池分别进行以下测试。1)锂元素和钴元素的数量比测试对表1中的锂离子电池以0.02c的倍率放电至3.0～3.5v，然后静置30min测试其电压u；将锂离子电池拆解，保留拆解后的正极片，将正极片置于碳酸二甲酯(dmc)的溶液中浸泡，浸泡30min后取出，放入120℃烘箱中干燥6h；将干燥后的正极片置于管式炉中，对其进行高温烧结，设定管式炉烧结温度为300℃，烧结时间设定为4h，烧结结束后自然冷却，将冷却后的正极片置于密封的玻璃瓶中；将容置有正极片的玻璃瓶置于超声机中超声15min，取出轻轻剥离正极活性层，得到正极活性层粉末；使用电感耦合等离子体发射光谱仪(icp)测试正极活性层粉末中各元素的含量，根据换算得到li元素和co元素的数量比，c，测试结果见表2。2)电解液成分的测试对表1中的锂离子电池以0.02c的倍率放电至3.0～3.5v，然后静置30min测试其电压u，使用夹板夹住表1中的锂离子电池，施加一定的压力挤压锂离子电池，使用注射器，扎破锂离子电池的外包装抽出电解液；使用离子色谱测试电解液中的导电锂盐的含量；使用气相色谱测试电解液中的有机组分的含量；根据导电锂盐和有机组分的含量进行归一，得到电解液中氰基官能团的质量百分含量a和电解液中氟代碳酸乙烯酯的质量百分含量b，结果见表2。3)循环性能测试将表1的锂离子电池在25℃下按照1c的倍率充放电循环100周；第100周的容量与第1周的容量之比为循环容量保持率，结果见表3。4)低温放电性能测试将表1的锂离子电池在室温下以1c倍率进行5次充放电循环，然后以1c倍率充到4.45v，记录1c容量q0。将满电状态下的电池在-20℃下搁置4h后，以0.2c倍率放电到3v，记录放电容量q3，计算可得低温放电容量保持率，结果见表3；低温放电容量保持率计算方式为下式：5)热冲击性能测试将表1的锂离子电池充电或放电至4.45v状态时，置于烘箱中，以5℃/min的速度将烘箱的温度从室温升至130℃，并在130℃条件下静置1h，观察是否起火爆炸，测试结果见表3。表1表2表3序号25℃循环100周容量保持率性能-20℃低温放电容量保持率温度冲击实施例175.71％75.84％pass实施例275.19％77.99％pass实施例372.78％72.51％pass实施例472.24％73.76％pass实施例572.45％76.84％pass实施例672.73％75.82％pass实施例776.68％75.12％pass实施例872.26％74.16％pass实施例974.15％75.82％pass实施例1074.73％75.42％pass实施例1172.75％72.88％pass实施例1273.32％71.72％pass实施例1372.82％72.85％pass实施例1473.45％72.72％pass实施例1572.26％71.38％pass实施例1674.15％72.51％pass实施例1762.46％52.31％pass对比例143.01％62.32％起火对比例242.87％52.81％pass对比例343.76％61.56％pass对比例463.43％62.85％起火对比例544.01％62.71％pass对比例642.29％51.07％pass从表3可以看出，本发明实施例的锂离子电池与对比例的锂离子电池相比，本发明实施例的锂离子电池具有很好的循环性能、低温放电性能和热冲击性能好。最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。当前第1页12