本发明专利技术涉及具有卷芯电极组件的一次电化学电池单体，所述组件包括锂基负电极、含有涂层的正电极和聚合物隔离件，其中所述涂层包括沉积在集电器上的二硫化铁。更具体地，本发明专利技术涉及电池单体设计和阴极配方，该配方中并入了指定种类的导体用以提高电池单体性能。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本申请涉及具有卷芯电极组件的一次电化学电池单体，所述组件包括锂基负电极、含有涂层的正电极和聚合物隔离件，其中所述涂层包括沉积在集电器上的二硫化铁。更具体地，本专利技术的一个实施方案涉及一种电池单体设计和阴极配方，该配方并入了指定填充百分比的指定种类的导体，用以提供改善的电化学电池单体。第二个实施方案涉及电池 单体设计和阴极配方，该配方并入了指定量的石墨化碳、指定形式的炭黑，从而提高了所述电池单体的高倍率性能特性。
技术介绍
电化学电池单体是目前为各种消费性装置提供低成本的便携式能源的优选方法。所述消费性装置市场显示只提供少量标准的电池单体型号(例如，AA或AAA)和指定的额定电压(通常为I. 5V)。而且，越来越多的消费性电子装置(如数码相机)被设计带有相对高功率的工作要求。市场上目前的实际情况是，消费者通常喜欢并趋于使用一次电池，因为它们的方便性、可靠性、持续的贮藏寿命和更经济的单价，所述特性均优于目前可用的可再充电(即二次)电池。在这个背景下，很明显对于一次(即不可再充电的)电池生产商来说，设计选择是极其有限的。例如，使用特定的额定电压的必要性严重限制了对潜在的电化学材料的选择，并且所述标准化化的电池单体型号的使用限制了整体可用的内部容积，其中该内部容积可用于活性材料、安全性装置和其它通常预期在这样的消费性产品中的元件。而且，所述消费性装置的品种和用于那些装置的运行电压的范围使较小额定电压的电池单体(可以将其分别或串联装配，从而给装置制造者更多的设计选择)与通常伴随着二次电池较高电压的电化学对(electrochemical pairings)相比更加多用途化。因此,I. 5V系统(如碱性或锂-二硫化铁系统)比其它如3. OV和更高的锂-二氧化锰系统要占主导得多。在I. 5V系统的范畴内，锂-二硫化铁电池(也称为LiFeS2,锂硫化铁或锂铁硫化物)与碱性、碳锌或其它系统相比，提供更高的能量密度，尤其在高消耗速率下。然而，目前在锂(所述阳极中优选的电化学活性材料)的量上的监管限制使FR03型(AAA LiFeS2电池单体)和FR6型(AA LiFeS2电池单体)成为这种化学电池在所述消费性市场中最重要的电池单体型号。对于I. 5V电化学系统(例如，碱性对锂-二硫化铁等)的设计考虑是非常不同的。例如，碱性和氢氧化镍(nickel oxy-hydroxide)系统依赖于具有气体膨胀和/或泄露倾向的含水和高腐蚀性的电解液，这使得在选择内部材料和/或与容器和封闭件的兼容性方面采取非常不同的方案。在可再充电的I. 5V系统中(注意，目前不认为锂-二硫化铁系统适合于消费性基础的可再充电的系统)，各种高度专用的电化学和/或电解液组合物可以用来最好地适应锂离子充电/放电循环。在这里，这样的高成本部件不是关键的设计考虑要素，因为二次系统通常比其一次电池等同物卖出更高的零售价。而且，所述放电机构、电池单体设计和安全性考虑，总的来说，对一次系统是不重要的和/或不适用的。对容量的改善代表了基本良好的电池设计。即为了传递更大的容量，对于在锂-二硫化铁电池放电过程中起作用的径向膨胀力和其它动力必须进行仔细的考虑。例如，如果所述设计提供的所述阳极或所述阴极集电器的厚度不够，那么在放电过程中的径向力可能会将卷芯压缩到导致一个或两个电极的断开连接的程度，一旦发生这种断开连接，不管所述活性材料是否已经全部放电，所述电池都可能终止传递容量。对于孔隙体积(在所述阴极涂层和作为整体的电池单体的内部中)、贯穿所述电池的电连接、所述隔离件、用于所述电池的封闭件/排气机构等也会发生类似的情况。因此，LiFeS2电池单体的容量对于电池单体设计的整体可行性和耐用性是重要的量度，尤其当所述电池单体的设计者被限制使用标准型号的消费性电池的时候(例如，AA或FR6 ；AAA或FR03等)。作为对于容量这一电池设计的实际量度的推论，那些本领域技术人员将会理解为设计选择(尤其是对指定部件的选择)必须在考虑到所述整个电池的前提下来进行。指定的组合物可能对所述电池单体内的其它部件和组合物产生令人惊讶的、意想不到的或非预期的效果。类似地，在标准型号的电池中，所选择的特定元件占据容器内的容积，该容积否则可能已经用于其它元件。因此，这个设计选择的相互依赖性必然意味着任何容量上的增力口，尤其是没有对安全性或所述电池在其它方面的性能造成消极影响的增加，比简单的添加更多活性材料的措施更有意义。然而电池单体设计者对于LiFeS2系统的另一个重要的考虑涉及将所述电池单体的内电阻最小化。总体来说，所述内电阻由制造所述电池单体的部件产生，并可以表达如下 R电鮮体=R容器+R电极组件来自容器部件的电阻(Rlm)包括由罐壳(包括外部接触端子)、内部电连接(例如，焊接或压接)、内部安全装置(例如，PTC)等引发的电阻。通常地，来自这些容器部件的电阻将表现为相对可预期的并容易控制的方式，从而使其相对容易将这部分的贡献最小化。然而，由所述电极组件(R__)导致的电阻可以是所述设计的整体质量的指标，因为这个电阻更难预期和控制。而且，在阳极基本由高导电性锂或锂基合金组成的锂电池单体中，所述电极组件的电阻将几乎完全取决于隔离件和阴极的选择并基于所述选择而改变。因此，怎样和将什么涂覆于阴极集电器上以及合适的隔离件的选择，可以被视为对电池单体的整体电阻具有直接的、可测量的影响。更进一步延伸这个概念，在所述容器的部件和所述隔离件基本相同的一系列电池单体中，所述电池单体的整体电阻将作为比较那些电池单体的阴极的理想度的优秀指标。即使具有锂-二硫化铁电池单体用于高功率装置的固有优势(与一次碱性电池单体相比)JMLiFeS2电池单体设计必须在使用材料的成本、必要的安全性装置和总体可靠性的整合、所述设计的电池单体的传递的容量和预期用途之间建立平衡。一般地，低功率设计强调活性材料的量，而高功率设计更关注配置以提高放电效率。例如，卷芯设计将所述电极之间的表面积最大化并允许较大的放电效率，但这样做可能牺牲在低功率和低速率放电时的容量，因为它使用更加惰性的材料，如隔离件和集电器(两者都占据内部容积，从而需要从所述电池单体设计中移出活性材料)。除了改善的容量，电池单体设计者也必须考虑其它重要的特性，如安全性和可靠性。安全性装置一般包括排气机构和热致动的“关 闭”元件，如正热电路(PTC)。对可靠性的改善基本集中在防止内部短路方面。在这两个例子中，这些特性最终需要占据内部容积的元件和/或需要通常对电池单体内电阻、效率和放电容量产生不良后果的设计考虑。而且，另外的挑战在于，因为传输规则限制锂电池可以在热循环过程中失去的重量的百分含量，意味着对于较小的容积型号，像AA和AAA的电池单体设计可能仅失去电池单体总重量中的几毫克(通常以电解液蒸发的形式)。另外，与其它电化学系统相比，所述非水的有机电解液的反应活性的和易挥发的性质严重地限制了潜在的可用的材料的范围(尤其是在电解液与装配在电池单体内的电池单体封闭件、隔离件和/或集电器之间的相互作用方面)。最后，将锂-二硫化铁电池中活性材料(尤其是阴极)的量最大化同时保持最优的特性可能是最困难的挑战。如上述注意到的，所述卷芯电极组件是LiFeS2系统中优选的配置。为了最有效本文档来自技高网...
【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：杰克·W·马普尔，黄薇薇，迈克尔·W·维姆普莱，
申请(专利权)人：永备电池有限公司，
类型：发明
国别省市：
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