[发明专利]具有包含掺杂金属的铁硫化物的阴极的锂电池

说明书

发明领域

本发明涉及一次锂电池，所述一次锂电池具有包含锂或锂合金的阳极和包含晶体结构的掺杂金属的铁硫化物的阴极，其中期望所述掺杂的金属为镍、铜、铁或锰。

发明背景

具有锂阳极的一次(非再充电)电化学电池是众所周知的，并具有商业上的应用。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和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)，并且一般不旨在为可充电的。作为另外一种选择，具有锂金属阳极但具有不同阴极的一次锂电池也是已知的。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)也被称作黄铁矿。Li/MnO₂电池或Li/FeS₂电池通常为圆柱形电池形式，通常为AA尺寸或AAA尺寸电池，但是也可为其它尺寸的圆柱形电池。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，并且所述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)，其大约与常规的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)却高于差不多大小的Zn/MnO₂碱性电池。锂金属的理论比容量高，为3861.4毫安-小时/克，而FeS₂的理论比容量为893.6毫安-小时/克。FeS₂的理论容量基于每个FeS₂分子从4个Li转移4个电子，以产生元素铁Fe和2个Li₂S的反应产物。即4个电子中的2个将FeS₂中的Fe⁺²的氧化态从+2转变为元素铁(Fe⁰)中的0，而剩余的2个电子将硫的氧化态从FeS₂中的-1转变成Li₂S中的-2。

总体上，Li/FeS₂电池比相同尺寸的Zn/MnO₂碱性电池能量大得多。换句话讲，对于给定的连续耗用电流，尤其是在用于AA尺寸电池的超过200毫安的较高耗用电流下，Li/FeS₂电池比Zn/MnO₂碱性电池的电压更平缓而持续时间更长，如可在电压对时间的放电特征图中明显看到的那样。这导致由Li/FeS₂电池可获得的能量输出比由相同尺寸的碱性电池可获得的更高。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)连续放电的曲线图中，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，以选自0.01瓦特和5瓦特之间的恒定连续功率输出维持耗用功率。(当放电期间电池电压下跌时，逐渐减小负载电阻以提高耗用电流，从而保持固定的恒定功率输出。)Li/FeS₂电池的能量(瓦特-小时)对功率输出(瓦特)绘制图高于相同尺寸的碱性电池。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电池优于相同尺寸的碱性电池，例如AAA、AA、C或D号或任何其它尺寸电池，因为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，尤其是在较高功率要求的情况下。同样，为一次(非再充电)电池的Li/FeS₂电池也可用来替换相同尺寸的可再充电的镍金属氢化物电池，所述镍金属氢化物电池具有与Li/FeS₂电池大约相同的电压(新制)。因此，一次Li/FeS₂电池可用于给需要在高脉冲功率要求下操作的数字照相机供电。