具有核加强件的锂-二硫化铁电池设计制造技术

公开了一种电化学电池设计，尤其适用于锂-二硫化铁电池的设计。所述电池包括螺旋形缠绕的电极装配件，所述电极装配件具有中心核。所述核引起阴极内的均匀膨胀。所述核还可以塌下和/或具有不同于用于容纳所述电极装配件的圆柱形容器的剖面形状的剖面形状。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及具有卷芯(jellyroll)电极装配件的电化学一次电池，所述电极装配件包括基于锂的负极、具有涂覆层的正极、以及聚合物隔板，所述涂覆层包括沉积在集电器上的二硫化铁。所述隔板、阳极、和阴极围绕坚硬的或实心的中心核缠绕成卷芯配置，该配置使得电池的内部体积(其中卷芯可以膨胀)最小化，和/或控制膨胀发生的方式。得到的电池设计在低消耗率(low drain rate)试验中具有更好的可靠性和容量，同时维持了较好的高消耗率容量。
技术介绍
对于各种用户设备，电化学电池是当前提供成本较低的便携电能的优选方法。用户设备市场要求在这种电池中提供仅仅少量的标准化电池尺寸(例如，AA或AAA)和特定标称电压(一般地，1.5V)。此外，诸如数码相机的用户电子设备被设计为具有相对高的电能操作需求。市场中的用户通常愿意且选择使用一次电池，这是因为一次电池相比于当前可用的充电(即，二次)电池更方便、更可靠、寿命更持续、且单价更经济。在1.5V系统的范围内，相比于碱性电池、碳锌电池、或其它电池系统，锂-二硫化铁(也称为LiFeS2、锂黄铁矿、或锂铁黄铁矿)电池提供更高的能量密度，尤其是在高消耗率下提供更高的能量密度。对任何电化学系统给予的设计和工程方面的相对考虑(尤其是在锂-二硫化铁和其它1.5V系统之间)是截然不同的。例如，锂-二硫化铁一次电池的阴极不会像锂离子电池和其它二次锂电池中的阴极那样出现热击穿问题，锂离子和其它二次锂电池的放电机制、电池成分、和安全考虑对锂-二硫化铁一次系统是大体无影响的和/或不适用的。即便锂-二硫化铁电池对于高电能设备具有固有优点，电池设计也需要在以下要素之间平衡考虑:使用材料的成本、必要的安全设备和整体可靠性的结合(incorporation )、输出容量和被设计电池的使用用途。例如，卷芯设计使电极之间的表面面积最大化，并且给予更大的放电效率，但是这样可能牺牲低功率和低速率放电时的容量，这是因为该设计使用更不具活性的材料，诸如隔板和集电器(两者都占据内部体积，由此需要从电池设计中移除活性材料)。除了改进容量之外，电池设计者还必须考虑其它重要特性，诸如安全性和可靠性。安全的设备通常包括排气机制和热激活的“关闭”元件，诸如正热电路(PTC)。对可靠性的改进主要集中在防止内部短路。在这两个情况中，这些特性还需要一些占据了内部体积的元件和/或需要一些设计考虑，这些设计考虑常常与电池内部电阻、效率和放电容量相悖逆。运输条例进一步构成限制，这是因为这些条例可能限制在进行热循环期间可以损失的锂的量和锂电池重量百分比的量，这意味着AA和AAA等较小的容器尺寸仅能损失数毫克的总电池重量。此外，活性材料和非水的有机电解质的反应特征和易变特征严重地限制了潜在的可用材料的通用性。对锂 -二硫化铁一次电池系统独有的最困难的挑战之一是在放电期间阴极的膨胀，其在低消耗率(例如，连续<20mA)期间和/或升温(例如，>45°C，尤其地，>70°C)时会恶化。该系统的累积反应的产物已知比原始的活性材料具有明显更低的密度。因此，即使在放电期间锂阳极被消耗，包含在电池内的所有材料的整体体积也会增加，由此向电池容器施加了向外的膨胀力。这些力可能是每平方英寸上数千磅压力的级别，并且已知会引起所述容器的凸起甚至开裂。即使使用高环形强度的圆柱形容器(与棱柱式要素相比)，施加在内部成分(尤其是隔板)上的力也可能足够强以物理地使这些材料受到损害，由此引起直接短路和/或使电池无法输出其期望的容量。事实上，锂-二硫化铁电池的膨胀问题可能比二次电池系统中观测到的“隆起”问题大得多，这进一步证实了锂二次电池设计对于锂-二硫化铁一次系统所存在的独有问题的不适用性。处理这些问题的一种建议方式是在理想的内部体积利用和可接受的LiFeS2电池容量/性能之间找到适当的平衡。例如，美国专利N0.4，379，815公开了一种可行方案，通过将一种或多种其它活性材料(诸如CuO、Bi203、Pb2Bi2O5, P3O4, CoS2)与黄铁矿混合，在阴极膨胀和阳极收缩之间进行平衡，尽管一相比于与之相当的纯锂-二硫化铁的电池一这些额外的材料可能对所期望的电池放电特性和电池的容量和效率有负面影响。调节阴极膨胀的另一方式是在所述容器的屈服强度和所述容器内的空隙空间或阴极中的活性材料的量之间进行平衡。例如，在2003年11月21日提交的美国专利公开N0.2005/0112462和2004年12月22日提交的美国专利公开N0.2005/0233214中，随着所设计的电极空隙容积量的减小(彼处表示为随图2中的卷芯的剖面空隙而变化)，而发生隔板的物理完整性受损，其中隔板的物理完整性自身取决于网和交叉网方向这两者中的拉伸强度。接着，隔板的受损引起电池的期望容量/设计容量损失。在2008年10月17日提交的美国专利公开N0.2009/0104520中，将阴极混合的干式混合密度和/或阴极组成成分的重量百分比选择为达到用于容器材料的屈服强度的预定范围。在任一种情况中，都必须维持电池空隙的某一最小级别以允许阴极膨胀。因此，诸如美国专利N0.4，259，416或美国专利公开N0.2010/0021801所公开的、包含内建的卷芯或安全“针脚装配件”的电池设计仅限于锂二次系统。处理锂-二硫化铁一次电池中的空隙空间还有其它原因。例如，如美国专利公开N0.2010/0086833所公开的，技术人员可能有动机增加电解质(或其它活性的电池成分)的体积，以处理由锂-二硫化铁电池的放电产物引起的现象。
技术实现思路
本专利技术至少部分地基于这样的理解，S卩，对容量的改进代表了基本良好的电池设计。也就是说，为了输出更大容量，需要仔细考虑锂-二硫化铁放电时的径向膨胀力和其它工作中的动态情况。例如，如果设计中设置了不足的隔板(或任何其它基本的电池成分)厚度，那么在放电期间阴极中的径向膨胀力可能引起硬短路和/或物理断开或切断一个或两个电极。硬短路形成显著的安全问题并且将立即毁掉电池效用，同时电池将停止输出容量而不考虑发生断电时活性材料是否被放电完毕。在考虑维持电连接的整体性、电池的关闭/排气机制等时也会出现类似情况。因此，电池的容量可以是针对电池设计的整体耐久性和鲁棒性的重要度量，尤其是当电池设计 者被限制为使用标准尺寸的用户电池(例如，AA或FR6 ;AAA 或 FR03 ;等)时。作为容量是电池设计的实际度量的必然结果，本领域技术人员将理解，必须在考虑整体的电池系统的情况下做出设计的选择，尤其是特定成分的选择。特定合成物可能对电池中的其它成分和合成物具有不可思议的或未预料的效果。类似地，在标准尺寸电池中，特定元件的选择必然会占据容器内的体积，而该体积原本可用于其它元件。因此，设计选择的互相依赖说明了，容量的任何增加，尤其是在于其它方面对电池的安全或性能没有负面影响的情况下的增加，比简单地添加更多活性材料要复杂得多。专利技术人非常惊奇地发现，通过减少和/或特别限制某些种类LiFeS2电池的容器内可用于阴极膨胀的空隙空间量，得到的电池可以维持延长的容量和使用寿命。该发现在低消耗、高温条件下(此条件下黄铁矿的阴极膨胀通常最为糟糕)是最明显的。因此，用于电化学电池的结构、制造这种电池的方法、及对这种本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·W·马普尔，M·F·曼苏托，M·T·温德林，黄维维，J·X·吴，
申请(专利权)人：永备电池有限公司，
类型：
国别省市：