锂-二硫化铁电池设计制造技术

本发明专利技术涉及具有胶辊电极组装件的电化学电池，所述胶辊电极组装件包括锂基负极、具有涂层的正极，所述涂层包含大于大约94wt％的二硫化铁。

【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胶辊电极组装件(jellyroll electrode assembly)的一次电化学电池(primary electrochemical cell)，所述胶辊电极组装件包括基于锂的负极、具有涂层的正极和聚合物隔离物，其中所述涂层包含沉积在集电器上的二硫化铁。更特别地，本专利技术涉及经改进的电池设计，该电池设计相较于容器强度最优化了电化学活性材料和内部电池空隙，从而改进电池容量而不明确地影响安全或可靠性。
技术介绍
电化学电池是目前对各种消费装置提供有成本效率的便携式电力的优选方法。消费装置市场规定仅提供少量的标准化电池大小(即，AA或AAA)和特定的标称电压(典型地1. 5V)。而且，越来越多的消费电子装置，比如数字静态照相机，被设计为具有较高电力运行要求。正如已经在市场内所实践的，相较于可比的当前可获得的可充电(即，二次)电池组，消费者常常因为其便利性、可靠性和长的保质期而更喜欢并选择使用一次电池组。在该上下文范围内，相当明显的是，一次(即，非可充电)电池组制造商的设计选择极端有限。例如，使用规定的标称电压的必要性显著地限制了潜在的电化学材料的选择， 而使用标准化的电池大小则制约了可用于活性材料、安全装置及该类消费产品中典型所期望的其它元件的总的可用内部体积。而且，消费装置的多样性和那些装置的工作电压的范围使得较小的标称电压电池(其可以单独或串联地提供，从而给予装置制造者更多的设计选项)有利于较高电压电化学配对。因此，1. 5V系统(比如碱性或锂-二硫化铁系统)要比其它(比如3. OV和更高的锂-二氧化锰)重要得多。相应地，对于每个电化学系统(即， 碱性的v.锂-二硫化铁等)的设计考虑全部都显著不同。在1. 5V系统的范畴内，锂-二硫化铁电池组(也称为，锂黄铁矿或锂铁黄铁矿)相较于碱性、碳锌或其它系统，提供更高的能量密度，尤其在高电耗率(drain rate) 下。然而，目前一次电池组中对锂的量上的规定限制使得FR 03 (AAA Lii^S电池)和FR6 (AA LiFeS2电池)大小在消费者市场内尤其重要。锂-二硫化铁和其它化学系统之间的其它不同引起该类电池组的各自设计中的其它差异。例如，碱性和镍氧-氢氧化物(nickel oxy-hydroxide)系统依赖于含水且高苛性的电解质，该电解质具有渗漏倾向，导致在内部材料的选择方面和/或与容器和盖的相容性上有极为不同的方法。在可充电的1.5V系统(其不包括锂-二硫化铁系统)中，可以使用多种高度专业化的电化学和/或电解质组合物。这里，这类高成本成分并不是关键的设计关注点，因为二次系统典型地要比它们的一次电池组等同物以更高的零售价销售。而且，该放电机制、电池设计和安全考虑大体上不适用于一次系统。但是即使锂-二硫化铁电池对于高功率装置具有固有的优点(相较于一次碱性电池)，LiFeS2电池设计仍然必须在所用材料的成本、必要的安全装置和总体可靠性的引入、 以及所设计电池的释放容量和意欲用途之间实现平衡。正常地，低功率设计着重于活性材料的数量，而高功率设计则更多集中于构造以提高放电效率。例如，最大化了电极间表面面积的胶辊设计(jellyroll design)允许更大的放电效率，但是牺牲了低功率和低放电率放电时的容量，因为该设计必需采用更多非活性材料，比如隔离物和集电器(两者均占用内部体积，从而需要从电池设计中除去活性材料)。尽管希望改进放电容量，但是电池设计者也必须包括和改进其它电池组特征，比如安全性和可靠性。正常地，安全装置包括通风机制和热激活的“关断”元件，比如正热电路(positive thermal circuit，PTC)。对可靠性的改进主要集中在防止内部短路。在两者情况中，这些特征最终均需要占用内部体积的元件和/或通常对电池内电阻、效率和放电容量起相反作用的设计考虑。而且，还存在另外的挑战，因为运输规定限制了锂电池组在热循环过程中可以损失的重量百分量，意味着对于较小的容器大小如AA和AAA来说，电池设计只能损失毫克数的总电池重量(通常通过电解质的蒸发)。另外，相较于其它电化学系统，非水性的有机电解质的反应性和挥发性性质严重地限制了潜在可用材料的普适性(特别是顾及到提供于电池中的电解质与电池盖、隔离物和/或集电器之间的相互作用)。最后，最大化锂-二硫化铁电池组中活性材料的量则可能是最困难的挑战。对于这类电池而言基本的、最终的电化学反应是 4Li+FeS2 — 2Li2S+Fe 因为反应终产物比进料占用更多体积，故电极组装件随电池组放电而膨胀。进而， 膨胀产生能够引起电池容器的不期望凸起的径向力，以及如果隔离物受损则会发生短路。 之前处理这些问题的方式包括使用坚固的(常常更厚的)材料用于电池外壳和电池内的非活性成分。然而，更厚的非活性材料限制了可用的内部体积；且在性能方面更厚、更坚固的电极并不必然是所希望的，因为它们使得在胶辊上允许更少的可能的缠绕，导致电极间更小的表面面积并且在较高电耗率下出现较低性能的可能。已进行了许多其它方法来设法在最佳内部体积利用率和可接受的Lii^S电池容量/性能之间获得适当的平衡。例如，由膨胀造成的问题的可能解决方法公开在U. S.专利No. 4，379，815中，意欲通过将一种或多种其它活性材料(比如Cu0、Bi203、！n32Bi205、P304、 CoS2)与黄铁矿混合来平衡阴极膨胀和阳极收缩，但是这些另外的材料能够不良地影响电池的放电特征，并且电池总的容量和效率也可能会受损。其它改进Lii^K2电池中放电容量的方式考虑使用更薄的隔离物和/或特殊的阴极涂层混合物以及涂层技术，如U. S.专利公开No. 2005/0112462(提交于2003年11月21 日)，和2005/0233214(提交于2004年12月22日)，两者均由本专利技术人所构思。值得注意的是，如该'462公开的图2所表明的，当所设计的电极空隙容积的量减少(该处表示为胶辊截面空隙的函数)时，则发生隔离物物理完整性的破坏和最终电池组容量/利用率的损失，所述隔离物物理完整性依赖于网幅方向和垂直网幅方向两者之上的拉伸强度。此外，U. S.专利No. 6，849，360和7，157，185考虑使用特殊的阴极涂层配制物与固定比率的阳极-阴极界面活性材料(即，理论的界面输入容量比)的组合以提高电池性能。
技术实现思路
此处所记载的本专利技术提供电化学电池，其具有改进的能量密度，且不会损害之前设计中建立起来的安全性或可靠性基准。该电池的隔离物拉伸强度、容器强度、胶辊径向膨胀和内部空隙体积均被最大化以获得下述电池组其对FR6、FR03和其它锂-二硫化铁圆柱电池组大小(依赖于胶辊电极组装件)都具有优异的服务寿命(service)。本领域技术人员可以通过参照权利要求书、附图和此处提供的其它记载而认识到另外的或可替换的优点ο 因此，本专利技术的一个方面考虑下述电池组(battery)，其具有缠绕成胶辊组装件中的锂阳极、隔离物、和阴极。所述阴极包含多于集电器和涂层。所述涂层具有至少4. 4g/cm3 的不包括集电器的干混合密度，该电池组的放电过程中(此时预计径向力为其最大值)所述胶辊组装件施加不超过50-80%的所述容器的屈服强度(例如参见图1)。可本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．电池组，其包含：ａ．胶辊电极组装件，该组装件包含锂阳极、具有１６－２２微米厚度的微孔隔离物、和包含集电器与涂层的阴极，其中所述涂层具有至少４．４ｇ／ｃｃ的干混合密度；ｂ．有机电解质，包含１，３－二氧戊环和１，２－二甲氧基乙烷；ｃ．圆柱形容器，该容器具有屈服强度、高度和直径，所述高度超过所述容器的直径；和ｄ．其中，在任意放电条件下，所述胶辊电极组装件施加大于５０％但不超过８０％的所述容器的屈服强度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2007.10.19 US 60/9811251.电池组，其包含a.胶辊电极组装件，该组装件包含锂阳极、具有16-22微米厚度的微孔隔离物、和包含集电器与涂层的阴极，其中所述涂层具有至少4. 4g/cc的干混合密度；b.有机电解质，包含1，3_二氧戊环和1，2_ 二甲氧基乙烷；c.圆柱形容器，该容器具有屈服强度、高度和直径，所述高度超过所述容器的直径；和d.其中，在任意放电条件下，所述胶辊电极组装件施加大于50%但不超过80 %的所述容器的屈服强度。2.权利要求1所述的电池组，其中对于FR6电池组而言，所述电池组在200mA连续电耗下具有至少4000mAh的容量，或对于FR03电池组而言在IOOmA连续电耗下具有至少 1950mAh的容量。3.权利要求2所述的电池组，其中所述涂层进一步包含导体、粘合剂、加工助剂、或它们的组合。4.权利要求3所述的电池组，其中所述涂层包含小于2wt.%的导体。5.权利要求4所述的电池组，其中所述涂层包含2wt.%或更少的粘合剂、加工助剂、或它们的组合。6.权利要求1所述的电池组，其中所述圆柱形容器由冷轧钢形成。7.权利要求6所述的电池组，其中所述圆柱形容器在该电池是FR6电池时具有厚度 7-10密耳的壁，在该电池是FR03电池时具有厚度6-9密耳的壁。8.FR6锂-二硫化铁电池组，其包含a.胶辊电极组装件，该组装件包含螺旋缠绕的阳极、隔离物和阴极，所述阳极基本由锂或锂合金构成，所述阴极基本由干燥于金属性箔集电器上的浆料涂层构成，所述涂层基本由(i)95. 0-98. 0财％的佝&，(ii)2. 0-5. Owt. %的非活性材料构成，其中全部所述均基于干燥涂层的总重量但不包括集电器的重量，且其中所述非活性材料是选自由下述构成的组的至少一种导体、粘合剂和加工助剂；和b.有机电解质；c.圆柱形容器；和d.其中该电池提供以下性能特征中的至少一种(i)以IOOOmW恒功率直到1.0V截止电压，大于约270Wh/kg的能量密度；(ii)以200mA恒流直到1.0V的截止电压，大于约 315ffh...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·马普尔，
申请(专利权)人：永备电池有限公司，
类型：发明
国别省市：US