[发明专利]锂电池

说明书

发明领域

本发明涉及具有阳极、阴极和电解质的一次锂电池，所述阳极包含锂金属或锂合金，所述阴极包含二硫化铁，所述电解质包含锂盐和有机溶剂，所述有机溶剂优选包含混合的二氧戊环、二甲氧基乙烷和环丁砜。

发明背景

具有锂阳极的一次(不可充电)电化学电池为众人所知并具有广泛的商业用途。阳极基本上由锂金属组成。此类电池通常具有包含二氧化锰的阴极、以及包含溶解于有机溶剂中的诸如三氟甲基磺酸锂(LiCF₃SO₃)的锂盐的电解质。该电池在本领域中被称为一次锂电池(一次Li/MnO₂电池)，一般不旨在为可再充电的。具有锂金属阳极但具有不同阴极的另外一种一次锂电池也为人们所知。例如，此类电池具有包含二硫化铁(FeS₂)的阴极并被称作Li/FeS₂电池。二硫化铁(FeS₂)也称硫铁矿。Li/MnO₂电池或Li/FeS₂电池通常为圆柱形电池形式，通常为AA型号或AAA型号的电池，但是也可为其它型号的圆柱形电池。Li/MnO₂电池具有约3.0伏的电压，这个电压是常规Zn/MnO₂碱性电池的两倍，Li/MnO2电池还具有高于碱性电池的能量密度(瓦特-小时/cm³电池体积)。Li/FeS₂电池具有介于约1.2和1.8伏之间的电压(新制的)，大约与常规的Zn/MnO₂碱性电池相同。然而，Li/FeS₂电池的能量密度(瓦特-小时/cm³电池体积)却高于类似型号的Zn/MnO₂碱性电池。锂金属的理论比容量高，为3861.4毫安时/克，而FeS₂的理论比容量为893.6毫安时/克。FeS₂理论容量是基于每个FeS₂分子由4Li的4电子转移，所得反应产物为元素铁Fe和2Li₂S。也就是说，4个电子中的2个使FeS₂中的Fe⁺²的+2氧化态改变为元素铁(Fe⁰)中的0价，而余下的2个电子使硫的氧化态从FeS₂中的-1改变为Li₂S中的-2。为了实现电化学反应，在阳极上产生的锂离子Li⁺必须透过分隔体和电解质介质传送并到达阴极。

整体Li/FeS₂电池比相同型号的Zn/MnO₂碱性电池能量大得多。也就是说，对于给定的连续耗用电流，尤其是在超过200毫安的较高耗用电流下，Li/FeS₂电池比Zn/MnO₂碱性电池的电压下降得平缓因而持续时间更长，如可在电压对时间的特征图中明显看出的那样。这导致可由Li/FeS₂电池得到的能量输出比可由相同型号的碱性电池得到的更高。Li/FeS₂电池较高的能量输出更清楚且更直接地示于能量(瓦特-小时)对恒定功率(瓦特)连续放电曲线图中，其中新电池在少至0.01瓦特至5瓦特范围内的固定连续功率输出下放电至完全。在此类测试中，功率消耗维持在选定的介于0.01瓦特与5瓦特之间的恒定连续功率输出。(由于放电期间电池的电压下降，负载电阻逐渐减小，提高耗用电流以维持固定的恒功率输出)。Li/FeS₂电池的能量(瓦特-小时)对功率输出(瓦特)绘制图高于相同型号的碱性电池。尽管两种电池(新制)的起始电压大致相同，即介于约1.2和1.8伏之间。

因此，Li/FeS₂电池优于例如为AAA、AA、C或D型号或任何其它型号电池的相同型号的碱性电池之处在于，Li/FeS₂电池可与常规的Zn/MnO₂碱性电池互换使用，并且将具有更长的使用寿命，尤其是在高功率要求的情况下。同样，为一次(非再充电的)电池的Li/FeS₂电池可用来替换相同型号的可再充电镍金属氢化物电池，后者具有与Li/FeS₂电池大约相同的电压(新制)。