具有二硫化鐵陰極的鋰電池的製作方法
2023-06-21 10:59:16
專利名稱：具有二硫化鐵陰極的鋰電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有優選地由鋰合金構成的陽極和由二硫化鐵構成的陰極的一次鋰電池單元。
背景技術：
具有鋰陽極的一次(非可再充電的)電化學電池為人們所已知，並且具有廣泛的商業用途。陽極基本上由鋰金屬組成。此類電池通常具有包含二氧化錳的陰極和包含溶解於有機溶劑中的諸如三氟甲基磺酸鋰(LiCF3SO3)的鋰鹽的電解質。該電池在本領域中被稱為一次鋰電池(一次Li/Mn02電池)並且一般不旨在為可充電的。作為另外一種選擇， 具有鋰金屬陽極但具有不同陰極的另外一種一次鋰電池單元也為人們所知。例如，此類電池具有包含二硫化鐵(FeS2)的陰極並被稱作電池。二硫化鐵(FeS2)也被稱作黃鐵礦。Li/MnA電池或電池通常為圓柱形電池形式，通常為AA型號或AAA型號電池，但是也可為其它尺寸的圓柱形電池。Li/MnA電池具有約3.0伏的電壓，這個電壓是常規Si/MnA鹼性電池的兩倍，並且所述電池還具有高於鹼性電池的能量密度(瓦特-小時/ cm3電池體積)。電池具有介於約1. 2和1. 8伏之間的電壓(新制的)，其大約與常規的Si/MnA鹼性電池相同。然而，電池的能量密度(瓦特-小時/cm3電池體積) 卻高於差不多大小的Si/MnA鹼性電池。鋰金屬的理論比容量高，為3861. 4毫安-小時/ 克，而1 的理論比容量為893. 6毫安-小時/克。1 的理論容量基於每個1 分子從 4個Li轉移4個電子，以產生元素鐵！^和2個Li2S的反應產物。即4個電子中的2個將 FeS2中的!^f2的氧化態從+2轉變為元素鐵(Fe°)中的0，而剩餘的2個電子將硫的氧化態從FeS2中的-1轉變成Li2S中的-2。總體上，Li/FeS2電池比相同尺寸的^1/ !! 鹼性電池能量大得多。也就是說，對於給定的連續耗用電流，尤其是在超過200毫安的較高耗用電流下，電池比Si/MnA 鹼性電池的電壓下降得平緩而持續時間更長，如可在電壓對時間的放電特徵圖中明顯看到的那樣。這導致由Li/FeS2電池可獲得的能量輸出比由相同尺寸的鹼性電池可獲得的更高。 Li/FeS2電池的較高能量輸出在能量(瓦特-小時)對在恆定功率(瓦特)連續放電的繪製圖中較清楚地並較直接地顯示，其中新電池在低至0. 01瓦特至5瓦特的固定連續功率輸出下放電至耗盡。(因為電池在放電期間的電壓降低，負載電阻逐漸降低，提高了耗用電流以保持固定的恆定功率輸出。電池的能量(瓦特-小時)對功率輸出(瓦特)繪製圖高於相同尺寸的鹼性電池。儘管兩種電池(新制)的起始電壓大致相同，即介於約1.2 和1.8伏之間。因此，LiZ^M2電池優於相同尺寸的鹼性電池，例如AAA、AA、C或D型號或任何其它型號電池，因為電池可與常規的Si/MnA鹼性電池互換使用，並且將具有更長的使用壽命，尤其是在較高功率要求的情況下。同樣，為一次(非再充電)電池的電池也可用來替換相同尺寸的可再充電的鎳金屬氫化物電池，所述鎳金屬氫化物電池具有與 Li/FeS2電池大約相同的電壓(新制)。因此，一次電池可用於給需要在高脈衝功率要求下操作的數位照相機供電。
用於Li/FeS2電池的陰極材料最初可製備成諸如漿料混合物(陰極漿料)的形式， 其能夠通過常規的塗敷方法容易地塗敷在金屬基板上。添加到電池中的電解質必須為用於 Li/Fe&體系的合適的有機電解質，使得在所需的高功率輸出範圍內有效地發生必需的電化學反應。所述電解質必須表現出良好的離子傳導性，還要對未放電的電極材料(陽極和陰極組分)足夠穩定(即不反應)，並且還不與放電產物反應。這是因為電解質與電極材料 (已放電的或未放電的)之間不可取的氧化/還原副反應可能會逐漸汙染電解質並將降低其有效性或導致過量放氣。這繼而會導致災難性的電池損壞。因此，用於Li/FeS2電池中的電解質除了促進必需的電化學反應之外，還應對已放電的和未放電的電極材料穩定。此外， 所述電解質應當能夠具有良好的離子遷移率，並且能夠將鋰離子(Li+)從陽極傳送至陰極， 以便它能夠參與陰極中必需的還原反應而產生LK2產物。用一片鋰、一片包含1 活性材料的陰極複合材料以及介於其間的分隔體形成電極複合材料。電極複合材料可螺旋卷繞並且插入到電池殼體中，例如美國專利4，707，421 中的螺旋卷繞鋰電池所示。用於Li/FeS2電池的陰極塗層混合物描述於美國專利6，849，360 中。通常將陽極片的一部分電連接到電池殼體上，其形成電池的負端子。使用與殼體絕緣的端帽來封閉電池。可將陰極片電連接到端帽上，其形成電池的正端子。通常將殼體捲曲在端帽的周邊邊緣之上以密封殼體的開口端。電池可內部裝配有PTC(正熱係數)裝置或者類似裝置，以在電池暴露於濫用條件如短路放電或過熱等情況下切斷電池。用於一次電池單元中的電解質由溶解於「有機溶劑」中的「鋰鹽」形成。 在用於—次電池的電解質中可用的代表性鋰鹽在相關領域中提到，例如在美國專利5，290, 414中提到它們，包括下列鹽三氟甲基磺酸鋰，LiCF3SO3(LiTFS)；雙三氟甲基磺醯亞胺鋰，Li (CF3SO2)2N(LiTFSI)；碘化鋰，LiI ；溴化鋰，LiBr ；四氟硼酸鋰，LiBF4 ；六氟磷酸鋰，LiPF6 ；六氟砷酸鋰，LiAsF6 ；Li (CF3SO2)3C,以及各種混合物。在電化學領域中， 鋰鹽作為與特定電解質溶劑混合物作用最佳的特定鹽類並不總是可替換的，並且具有某種鋰鹽的特定溶劑混合物能夠導致顯著改善的性能。在美國專利5，四0，414 (Marple)中報導了用於1 電池的有益電解質的使用， 其中所述電解質包含溶解於溶劑中的鋰鹽，所述溶劑包含與第二溶劑混合的1，3_ 二氧雜環戊烷(DX)，所述第二溶劑為無環(非環)醚基溶劑。所提及的無環(非環)醚基溶劑可以為二甲氧基乙烷(DME)、乙二醇二乙醚、二甘醇二甲醚和三甘醇二甲醚，其中優選的是1， 2-二甲氧基乙烷(DME)。如實施例中所給出的，二氧雜環戊烷和1，2-二甲氧基乙烷(DME) 以基本量存在於電解質中，即50 %體積的1，3- 二氧雜環戊烷(DX)和40 %體積的二甲氧基乙烷(DME)或25%體積的1，3_ 二氧雜環戊烷(DX)和75%體積的二甲氧基乙烷(DME)(第 7欄，第47巧4行)。在實施例中所給出的溶劑混合物中的可離子化的具體鋰鹽為三氟甲基磺酸鋰，LiCF3SO30在第7欄第18-19行中也提到了另一種鋰鹽，即雙三氟甲基磺醯亞胺鋰 (Li (CF3SO2)2N)。所述參考文獻教導了可任選添加第三溶劑，所述溶劑選自3，5_ 二甲基異 PS唑(DMI)、3_甲基-2-P惡唑烷酮、碳酸亞丙酯(PC)、碳酸亞乙酯(EC)、碳酸亞丁酯(BC)、 四氫呋喃(THF)、碳酸二乙酯(DEC)、乙二醇亞硫酸酯(EGS)、二 H惡烷、硫酸二甲酯(DMS)、以及環丁碸(權利要求19)，優選的是3，5- 二甲基異嗯唑。在美國專利6，218，0 (Webber)中，公開了其中二氧雜環戊烷基溶劑和二甲氧基乙烷基溶劑以約1 3的重量比(1重量份二氧雜環戊烷對3重量份二甲氧基乙烷)存在的電解質溶劑體系。在美國專利6，849，360B2 (Marple)中，公開了用於電池的電解質，其中所述電解質包含溶解於有機溶劑混合物中的碘化鋰鹽，所述有機溶劑混合物包含1，3_ 二氧雜環戊烷(DX)、1，2-二甲氧基乙烷(DME)、以及少量的3，5-二甲基異P惡唑(DMI)。(第6 欄，第44-48行。)該文獻公開了一種鋰鋁合金陽極。在美國專利2007/020M09 Al (Yamakawa)中，關於用於1^/! 電池的電解質溶劑在第33節有這樣的敘述「有機溶劑的實例包括碳酸亞丙酯、碳酸亞乙酯、1，2_ 二甲氧基乙烷、Y-丁內酯、四氫呋喃、2-甲基四氫呋喃、1，3_ 二氧雜環戊烷、環丁碸、乙腈、碳酸二甲酯、以及碳酸二丙酯，並且它們中的任一種或者它們中的兩種或更多種可獨立使用，或者以混合溶劑的形式使用。」這樣的陳述容易使人誤解，因為該技術僅僅提出根據要溶解在溶劑中的具體鋰鹽，電解質溶劑的特定組合將可用於電池。(參見例如以上的美國專利5，290, 414 和美國專利6，849，360) Yamakawa的參考文獻未提出來自以上列表的哪種溶劑組合將可用於任何所給出的鋰鹽。在美國專利2006/0046152 (Webber)中，公開了用於鋰電池的電解質體系，所述鋰電池可具有其中包含1 和FeS的陰極。所公開的電解質包含溶於溶劑體系中的碘化鋰鹽，所述溶劑體系包含1，2_ 二甲氧基丙烷和1，2_ 二甲氧基乙烷的混合物。選擇具體的有機溶劑或不同有機溶劑的混合物，用來與任何一種或多種鋰鹽聯合以製備適用於Li/FeS2電池的電解質，是具有挑戰性的。這不是說具有多種鋰鹽和溶劑混合物組合的電池根本不工作，而是說其工作可能不足以具有實用性。與此類電池(該電池使用鋰鹽和適於溶解並離子化該鹽的已知有機溶劑的任何組合形成的電解質)相關的挑戰是遇到的所述問題將可能是非常顯著的，因此致使所述電池投入商業使用是不現實的。鋰電池(一般來講無論是鋰一次電池，例如不可再充電的1^/^1102或1^汗必2電池或者可再充電鋰或鋰離子電池)的開發歷史表明僅僅鋰鹽與有機溶劑的任何組合不被認為能得到優良的電池，即表現出良好的、可靠的性能。因此，僅提供了電池可能用到的有機溶劑長列表的參考文獻並不一定提出溶劑的組合或在具體溶劑混合物中具體鋰鹽的組合，這些組合表現出特殊的或意料不到的有益效果。因此，所需的是使用有效的電解質生產一種電池，所述電解質可促進電解質中鋰鹽的離子化，並且足夠穩定，使得不隨時間降解並且不使陽極或陰極組件降解。所期望的是包含溶解於有機溶劑中的鋰鹽的電解質提供良好的鋰離子通過電解質的離子遷移率，以便使鋰離子可以良好的傳送速率從陽極通過分隔體到達陰極。期望延遲陽極表面上有害鈍化層的形成，該鈍化層能夠妨礙電池放電時達到最佳性能。希望生產具有良好高速容量的一次(不可充電)電池，所述電池可用於代替為數位照相機供電的可再充電電池。發明_既述本發明涉及一次電化學電池，所述電池具有陽極和陰極，所述陽極包含鋰金屬，優選地鋰合金作為陽極活性材料，並且所述陰極包含二硫化鐵(FeS2)作為陰極活性材料。該電池本文稱為電池。當陽極由鋰合金構成而不是由純鋰金屬構成時，已經確認能夠在電池性能方面有優勢。陽極和陰極通常為螺旋卷繞的，在它們之間具有分隔體膜片，以形成電極組件。在將卷繞電極組件插入到電池殼體中之後，將電解質溶液加入到電池中。電解質通常包含溶解於有機溶劑混合物中的鋰鹽。當陽極由鋰合金構成時，優選的電池電解質包含溶解在二氧戊環(DX)和二甲氧基乙烷(DME)混合物中的碘化鋰(LiI)鹽，優選地具有小量加入以延遲二氧戊環聚合的組分。理想狀態下電解質中存在的鋰鹽濃度可為約0. 5至1. 2摩爾/升， 通常約0. 8摩爾/升。優選的電解質可由碘化鋰鹽(0. 5至1. 2摩爾/升，通常約0. 8摩爾 /升)混合物形成，在混合物中較小量的三氟甲磺酸鋰鹽LiCF3SO3(LiTFS)(約0. 05至重量，通常約0.1%重量)溶解在電解質溶劑中。二氧戊環優選為1，3-二氧雜環戊烷。應理解術語二氧戊環可包括烷基取代的二氧戊環。優選的二甲氧基乙烷為1，2_ 二甲氧基乙烷。二氧戊環和二甲氧基乙烷可以例如約0. 82至2. 33的二氧戊環對二甲氧基乙烷的重量比存在。溶劑混合物通常包含按重量計約50%至90%的1，3_ 二氧雜環戊烷。可用於延遲二氧戊環聚合的組分可為例如3，5- 二甲基異Jg唑，其加入量可為約0. 1至5%重量，按重量計通常佔總電解質重量的約百分之0. 1至百分之1，例如約0. 2%。此類組分延遲二氧戊環聚合併也可能與陰極中的非期望材料反應。因此，當電池陽極(或至少陽極表面)由鋰合金形成時，代表性的優選電解質可由溶解在1，3_ 二氧雜環戊烷(DX)和1，2_ 二甲氧基乙烷(DME)的溶劑混合物中的碘化鋰(0. 8摩爾/升)和LiCF3SO3 (LiTFS)(約0. 1 % 重量)的混合鹽形成，約70/30的DX/DME重量比加入約0. 2%重量的3，5- 二甲基異g唑 (DMI)。陽極理想狀態下可由鋰金屬與小量其他金屬的合金構成，優選元素周期表IIA、 IIIA、IVA組的金屬或類似金屬元素，從而形成鋰合金。(如本文所用，術語合金將具有其標準詞典定義，即兩種或更多種金屬的固體或液體混合物或者金屬與某種準金屬的固體或液體混合物。如本文所用，術語鋰合金將被理解為鋰金屬和較小部分其他金屬(通常其他元素金屬或某些準金屬)的混合物形成的固體混合物或固體複合材料。例如，鋰合金可由鋰金屬與鋁、鈣、鋇、鎂、錫、銦、鎵、碲的合金形成。(鈣和鋇技術上歸類為鹼土元素。)鋁自身可與常見鋁合金如鎂、銅、和鋅形成合金。鋰能夠與兩種、三種或更多種金屬形成合金。 在一些情況下，鋰能夠與準金屬形成合金(例如準金屬物質或半導體組分)，例如矽、鍺、或銻。鋰合金能夠包含與一種或多種準金屬(準金屬物質或半導體組分)、以及一種或多種其他金屬的合金化的鋰。小量與鋰形成合金的元素優選地佔鋰合金小於約1或2%重量，甚至至多約5%重量。合金元素可佔鋰合金約0. 05至5%重量，例如約0. 1至5%重量，通常約0. 1至2%重量。如果其他元素也存在於鋰合金中，通常合金元素或組分將佔鋰合金小於 0. 5%重量。因此，如果其他元素也存在於鋰合金中，其中一種合金元素可佔鋰合金約0. 05 至0. 5%重量，例如約0. 1至0. 5%重量。當鋰合金組合物在整個陽極片材中保持一致時， 鋰合金可能本質上是冶金學的產物。作為另外一種選擇，鋰合金可鍍在或形成於鋰陽極片材表面。假如那樣的話，表面鋰合金可為來自批量陽極的不同組合物，其中所述批量陽極可為純鋰(例如最低99. 9%的鋰)或不同於表面合金的鋰合金。陽極通常可為片材或金屬薄片形式，通常適用於卷繞。當電池具有由鋰合金而不是純鋰(例如99. 9%重量的純鋰)形成的陽極時，能夠改善電池性能。當鋰接觸有機電解質(或電解質雜質)時，它是熱力學不穩定的。因此，稱為固體電解質界面(SEI)的界面塗層能夠在電池貯藏和放電期間逐漸形成於與有機電解質接觸的鋰表面。固體電解質界面(SEI)能夠幹擾電池放電期間需要達到的鋰氧化速率，尤其是當電解質包含痕量水分時更是如此。鋰表面上有害固體電解質界面層(鈍化層)的形成從而能夠顯著幹擾獲得最佳電池性能。已經確定，當鋰與其他金屬形成合金時， 甚至即使合金可能僅小量存在，例如小於約5%重量，通常小於約2%重量，存在的合金也能夠降低鋰的化學活性。這實際上減少了鋰與有機電解質(或電解質雜質)反應的趨勢， 繼而減慢了鋰合金表面上的有害固體電解質界面(SEI)的形成。據推理，合金的存在可甚至影響固體電解質界面的組成和性質，致使其對降低電池放電期間鋰氧化速率的有害影響較小。本文報導的研究表明針對指定的電解質，使用鋰-鋁合金而不是純鋰金屬作為Li/ FeS2電池的陽極具有優勢。這些研究已經加強了假定電池陽極中的鋰也可與本文所述的其他金屬形成合金以幫助獲得增強的電池性能的理論基礎。本發明的另一方面(其中也有本文所公開的提交於2008年2月14日的、共同轉讓的美國專利序列12/069953的共同主題)也涉及具有包含鋰或鋰合金作為陽極活性材料的陽極和包含二硫化鐵(FeS2)作為陰極活性材料的陰極的一次電化學電池。陽極和陰極通常為螺旋卷繞的，在它們之間具有分隔體膜片，以形成電極組件。在將卷繞電極組件插入到電池殼體中之後，將電解質溶液加入到電池中。電解質通常包含溶解於有機溶劑混合物中的鋰鹽。優選地電解質溶液可包括溶解於二氧戊環(DX)、二甲氧基乙烷(DME)和環丁碸的混合物中的碘化鋰(LiI)鹽。二氧戊環優選為1，3-二氧雜環戊烷。應理解術語二氧戊環可包括烷基取代的二氧戊環。優選的二甲氧基乙烷為1，2_甲氧基乙烷。儘管環丁碸是優選的溶劑，但是具有類似較高介電常數的其它溶劑能夠代替環丁碸被採用。此類溶劑為碳酸亞丙酯、碳酸亞乙酯、3-甲基-2-P惡唑烷酮、γ-丁內酯、二甲基亞碸、二甲基亞硫酸酯、 亞硫酸乙二酯、乙腈、N-甲基吡咯烷酮或它們的組合。鋰合金的應用也能夠有利地與包括環丁碸的上述電解質製劑一起使用。在本發明的一個方面，其中環丁碸是其中一種電解質溶劑，電解質包含溶解在具有二氧戊環、二甲氧基乙烷、和環丁碸的溶劑混合物中的碘化鋰鹽，其中二氧戊環對二甲氧基乙烷的重量比為約0. 82至9. 0，理想狀態下為約0. 82至2. 3。二氧戊環優選地為1，3- 二氧雜環戊烷，但是也可包括烷基取代的二氧戊環。優選的二甲氧基乙烷為1，2_ 二甲氧基乙烷，但是也可採用其它甘醇二甲醚。本發明的電解質配方中的環丁碸含量優選為溶劑混合物的大於約4. 8%重量。優選地，環丁碸的含量為溶劑混合物的約4. 8至約6.0%重量。然而，環丁碸也可以較高量存在，例如至多約25%重量的上述溶劑混合物，其中二氧戊環對二甲氧基乙烷的重量比為約0.82至9.0。電解質也任選地包括3，5_ 二甲基異Iff惡唑(DMI)，其量佔溶劑混合物的約0. 1至重量。(類似於其他路易斯鹼的二甲基異(！惡唑有助於延遲二氧戊環的聚合。)碘化鋰通常以約0.8摩爾/升的濃度存在於溶劑混合物中。期望電解質具有介於約0. 9和1. 5釐泊之間的粘度。本發明的用於電池的電解質中的水含量可通常小於約100份水/百萬份總電解質。然而，基於本文報導的利用本發明電解質配方的有利測試結果，總電解質中的水含量可大於lOOppm。據信也可向電解質溶劑中添加水(去離子的)，使得用於Li/FeS2電池的電解質中的水含量最多可以為約lOOOppm，並且甚至最多為約2000ppm。(參見2008年1 月23日提交的共同轉讓的專利申請序列12/009858。)因此據信，本文提供的電解質中的水含量可介於約100和IOOOppm之間，例如介於約200和IOOOppm之間，或者介於約300和 IOOOppm之間，並且至多為約2000ppm。具體地講，當Li/FeS2電池陽極由鋰合金形成時(或至少陽極表面由鋰合金形成時)，可加水到本文提供的電解質中以便電解質中的水含量可介於約100和2000ppm之間，例如介於約200和IOOOppm之間，或者介於約300和IOOOppm 之間。水含量通常可介於約100和500ppm之間，或者介於約200和500ppm之間，或者介於約300和450ppm之間。在本發明的一個方面，電池具有包含陰極活性材料二硫化鐵(FeS2)(常稱為「黃鐵礦」)的陰極。電池可以紐扣(硬幣)電池或平板電池形式存在。期望電池可以為螺旋卷繞電池的形式，所述螺旋卷繞電池包括螺旋卷繞的陽極片和陰極複合材料片，分隔體位於其間。陰極片使用漿料方法來製備，將包括二硫化鐵(FeS2)和碳顆粒的陰極混合物塗覆到基板優選地導電金屬基板上。理想地，使用彈性體將1 和碳顆粒粘結到基板上， 所述彈性體優選苯乙烯-乙烯/ 丁烯-苯乙烯(SEBQ嵌段共聚物，諸如Kraton G1651彈性體(Kraton Polymers, Houston, Texas)。這種聚合物為成膜劑，並且對陰極混合物中的 1 顆粒以及導電性碳粒添加劑具有良好的親和力和粘結性。所述聚合物可耐受電解質的化學侵蝕。陰極由陰極漿料形成，所述漿料包含二硫化鐵(FeS2)粉末、導電性碳粒、粘合劑材料和溶劑。(如本文所用的術語「漿料」將具有其普通字典的含義並且因此被理解為表示包含固體顆粒的含水混合物。)將溼陰極漿料塗覆到到基板上，所述基板優選地為導電的諸如鋁片或不鏽鋼片。基板用作陰極集電器。然後將溶劑蒸發，從而留下由乾燥陰極塗層混合物形成的陰極複合材料，所述混合物包含二硫化鐵材料和彼此以粘合方式粘結的碳顆粒優選地包括碳黑，並且其中乾燥塗層優選地粘結到基板的兩個側面上。隨後形成包括鋰或鋰合金片、陰極複合片材、以及位於其間的分隔體的電極組件。優選將電極組件螺旋卷繞並插入到電池殼體中。然後將電解質溶液注入到電池殼體中，並且將電池封閉地捲曲到端帽上。附圖概述
圖1為本發明的改善的LiZ^K2電池(如圓柱形電池實施方案中所列出的)的等軸視圖。圖IA為以紐扣電池實施方案顯示的本發明改善的電池的剖面圖。圖2為沿圖1的視準線2-2截取的電池的局部橫截面立視圖，以示出所述電池的頂部和內部。圖3為沿圖1的視準線2-2截取的電池的局部橫截面立視圖，以示出螺旋卷繞的電極組件。圖4為顯示包括電極組件的各層設置的示意圖。圖5為圖4的電極組件的平面圖，其各層中的每層都被部分剝離，以示出下面的層。發明詳述本發明的電池可為平板紐扣電池100或螺旋卷繞電池10。紐扣(硬幣) 電池100構型用作測試電池，它具有鋰陽極150和包含二硫化鐵(FeS2)的陰極170，在兩極之間有分隔體160，如圖IA所示。
如同電池100的電池具有以下基本放電反應(一步機理)陽極4Li =式 1陰極FeS2+4Li++4e" = Fe+2Li2S 式 2總反應FeS2+4Li = Fe+2Li2S 式 3紐扣電池描述圖IA中所示的1^汗必2紐扣電池100用作實驗測試載體並且可為一次(非再充電的)電池形式。所謂「非再充電的」是指電池旨在已放電之後被丟棄。在紐扣電池100(圖 1A)中，形成了盤形的圓柱形陰極外殼130，其具有開口端132和封閉端138。陰極外殼130 優選由鍍鎳鋼形成。將電絕緣構件140(優選為具有空核的塑料圓柱形構件)插入外殼130 中，使得絕緣構件140的外表面鄰接並且襯在外殼130的內表面上。作為另外一種選擇，外殼130內表面可塗覆有聚合材料，其固化成鄰接外殼130內表面的絕緣體140。絕緣體140 可由多種熱穩定的絕緣材料形成，例如聚丙烯。可將包含金屬網格的陰極集電器115插入電池以便它鄰接外殼130的封閉端138 的內表面。陰極集電器115理想狀態下可由不鏽鋼金屬網薄片組成，其中具有多個開口， 從而形成不鏽鋼網格或篩網。膨脹不鏽鋼金屬箔以商品名EXMET箔316L-SS得自Dexmet Corp.。然後優選地陰極集電器115由鋁片材組成，它導電性較強。(陰極集電器115可為鋁與常見鋁合金金屬如鎂、銅、和鋅的合金片材。)此類鋁集電器片材115其中也可具多個小開口，從而形成鋁網格。可將陰極集電器115焊接到外殼130封閉端138的內表面上。 (任選地也可將相同類型的集流體網格，優選其中具有開口的膨脹不鏽鋼金屬箔，焊接到陽極罩120封閉端的內表面上。)任選的導電性碳基底層172包含石墨和聚四氟乙烯(PTFE) 粘合劑的混合物，能夠將其壓縮到陰極集電器115中。陰極170包含1 活性顆粒，也可隨後將其壓縮到此類導電性基底層172中。可將其稱為「分期的」陰極構造。因此，包含二硫化鐵(FeS2)或包括二硫化鐵(FeS2)的任何混合物作為活性陰極材料的陰極材料170可插在任選的導電性基底層172之上，以便它覆蓋集流體片115。陰極層170中的陰極活性材料(即發生有用的電化學反應的材料)可全部由二硫化鐵(FeS2)組成。包含分散在其內的二硫化鐵(FeS2)粉末的陰極170可以漿液的形式製備，所述漿液可塗覆到導電性金屬箔(優選鋁箔或不鏽鋼箔)的兩側上。此類鋁箔或不鏽鋼箔可具有穿過其的開口，從而形成網格或篩網。作為另外一種選擇，包含分散在其中的二硫化鐵(FeS2)粉末的陰極170能夠以漿料形式製備，將其塗覆在面向分隔體160的鋁或不鏽鋼箔的一面上。 在另一種情況下，可使用如上文所述的導電性基底層172，其中將陰極170插入電池中以便它上覆導電性基底層172，如圖IA所示。作為另外一種選擇，包含分散於其內的二硫化鐵(FeS2)粉末的陰極170可以漿液的形式製備，所述漿液可直接塗覆到導電性基板片115上以形成陰極複合材料。優選地，導電性基板片115由如上所述的鋁(或鋁合金)片形成，並且可在其內具有多個小孔，從而形成網格。作為另外一種選擇，導電性基板片115可為不鏽鋼片，理想地為其內具有多個小孔的膨脹不鏽鋼金屬箔形式。
陰極漿液包含2至4%重量的粘合劑(Kraton G1651彈性體粘合劑，得自Kraton Polymers, Houston Texas. ) ；50%至70%重量的活性1 粉末；4%至7%重量的導電性碳(炭黑與石墨)；以及25%至40%重量的溶劑。(炭黑可包括全部或部分乙炔黑碳顆粒。因此，如本文所用，術語炭黑應被理解為延伸至並包括炭黑和乙炔黑碳顆粒。)Kraton G1651粘合劑是彈性體嵌段共聚物(苯乙烯-乙烯/ 丁烯(SEBQ嵌段共聚物)，其是成膜劑。該粘合劑對於活性1 及炭黑顆粒具有足夠的親和力，以有利於溼陰極漿液的製備並保持這些顆粒在溶劑蒸發之後彼此接觸。1 粉末可具有介於約1和100微米之間，理想地介於約10和50微米之間的平均粒度。所期望的1 粉末以商品名Pyrox Red 325粉末得自ChemetallGmbH，其中1 粉末具有足夠小的粒度，使得顆粒將通過Tyler目尺寸 325 (0.045mm的篩孔)的篩網。(剩餘的通不過325目篩網的!顆粒的量最多為10%。) 石墨為可以商品名Timrex KS6石墨得自TimcalLtd.。Timrex石墨是高度結晶的人造石墨。 (其它可使用的石墨選自天然、人造、或者膨脹石墨以及它們的混合物，但是優選Timrex石墨，這是因為其具有高純度。)炭黑以商業命名Super P導電性炭黑(62m2/g的BET表面積)得自 Timcal Co.。溶劑優選地包括以商品名ShellSol AlOO烴溶劑(Shell Chemical Co.)購得的 C9-C11 (主要為C9)芳烴的混合物、以及以商品名ShellSol OMS烴類溶劑(Shell Chemical Co.)購得的主要異鏈烷烴(平均分子量166，芳族含量小於0.25%重量)的混合物。 ShellSol AlOO與ShellSol OMS溶劑的重量比理想地為4 6。ShellSol AlOO溶劑為主要包含芳烴(超過90%重量的芳烴)，主要為C9至C11芳烴的烴混合物。SieIlSol OMS溶劑為異鏈烷烴(98%重量的異鏈烷烴，分子量約166)的混合物，其具有小於0.25%重量的芳族烴含量。可利用雙行星攪拌器分散漿料製劑。乾粉在添加到攪拌缽內的粘合劑溶液中之前首先共混以確保均勻性。優選的陰極漿料混合物列於表1中M I陰極組合物
權利要求
1.一種一次電化學電池，所述電池包括外殼；正端子和負端子；包含鋰合金的陽極；包含二硫化鐵(FeS2)和導電性碳的陰極，所述電池還包括插入其中的電解質，所述電解質包含溶解於溶劑混合物中的鋰鹽，所述溶劑混合物包含二氧戊環和二甲氧基乙烷，其中所述電解質中的水含量為約100至2000重量份的水每百萬重量份電解質。
2.如權利要求1所述的電池，其中所述二氧戊環包括1，3_二氧雜環戊烷。
3.如權利要求1所述的電池，其中所述二甲氧基乙烷包括1，2-二甲氧基乙烷。
4.如權利要求1所述的電池，其中所述鋰鹽包括碘化鋰(LiI)。
5.如權利要求1所述的電池，其中所述鋰鹽包括碘化鋰(LiI)與三氟甲基磺酸鋰 (LiCF3SO3)的混合物。
6.如權利要求1所述的電池，其中所述鋰合金包含與至少一種其他組分合金化的鋰。
7.如權利要求6所述的電池，其中所述其他組分為金屬或準金屬。
8.如權利要求7所述的電池，其中所述準金屬選自由下列組成的組矽、鍺和銻、以及它們的混合物。
9.如權利要求6所述的電池，其中所述其他組分可為鹼土元素，所述鹼土元素選自由下列組成的組鋇和鈣、以及它們的混合物。
10.如權利要求6所述的電池，其中所述其他組分為元素金屬。
11.如權利要求6所述的電池，其中所述其他組分按重量計佔所述鋰合金的約0.05% 至5%。
12.如權利要求10所述的電池，其中所述元素金屬選自由下列組成的組鋁、鎂、錫、 銦、鎵、鉍和鋅、以及它們的混合物。
13.一種一次電化學電池，所述電池包括外殼；正端子和負端子；包含鋰合金的陽極； 包含二硫化鐵(FeS2)的陰極，和插入其中的電解質，所述鋰合金包含與至少一種其他組分合金化的鋰，所述其他組分選自由下列組成的組鍺、銻、鋇、銦、鎵、鉍、鋅、以及它們的混合物。
14.如權利要求13所述的電池，其中所述電解質包含溶解在溶劑混合物中的鋰鹽，所述溶劑混合物包含二氧戊環和二甲氧基乙烷。
15.如權利要求14所述的電池，其中所述電解質具有的水含量為約100至2000重量份的水每百萬重量份電解質。
全文摘要
本發明公開了一次電池，該電池具有包含鋰或鋰合金的陽極以及包含二硫化鐵(FeS2)和碳顆粒的陰極。電解質包含溶解於有機溶劑混合物中的優選為碘化鋰(LiI)的鋰鹽。溶劑混合物優選包含二氧戊環和二甲氧基乙烷。每百萬重量份(ppm)電解質中通常包含約100至2000重量份的水。陽極可為鋰金屬或優選地為鋰合金。製備包含二硫化鐵粉末、碳、粘合劑和液體溶劑的陰極漿料。將所述混合物塗覆到導電基板上，然後溶劑蒸發從而在基板上留下幹陰極塗層。可將陽極與陰極螺旋卷繞，分隔體位於其間，然後插入電池殼體中，隨後加入電解質。
文檔編號H01M6/16GK102318113SQ201080007317
公開日2012年1月11日 申請日期2010年1月27日 優先權日2009年2月12日
發明者M·波津, N·N·伊薩夫 申請人:吉列公司