[发明专利]锂一次电池

说明书

发明领域

本发明涉及制备锂一次电池的方法，所述电池具有包含锂的阳极和包含二硫化铁的阴极。

发明背景

具有锂阳极的一次(非可再充电的)电化学电池为人们所已知，并且具有广泛的商业用途。阳极基本上由锂金属构成。一类一次锂电池具有包括二硫化铁(FeS₂)的阴极，二硫化铁也称为硫铁矿。此类电池称为Li/FeS₂电池，并且还可包括含锂盐的电解质，例如溶解于至少一种有机溶剂中的三氟甲基磺酸锂(LiCF₃SO₃)。这些电池在本领域中被称为一次锂电池且一般不旨在为可再充电的。这些电池可为圆柱形电池形式，例如AA尺寸或AAA尺寸的电池，或者可为棱柱状电池的形式。

用于制造商业电池的二硫化铁阴极材料可从天然黄铁矿矿石中加工得到，所述矿石可天然包含多种杂质，如S、Fe²⁺、Fe³⁺、SO₄^2-、H⁺、以及其它杂质。在二硫化铁材料中的杂质当掺入组装好的电池中时，可对电池总体性能具有不良影响。杂质可直接与阳极或阴极材料反应。此类反应可导致组装好的电池贮藏寿命减少和容量降低。此外，杂质可直接与电解质反应并可降低其总体稳定性。这也可导致与阳极或阴极材料的副反应，其可减少电池储存寿命并降低电池容量。因此，电解质的降解可生成气体，所述气体可提高电池内部压力。电池压力提高可导致由电解质从电池中渗漏或排出引起的不安全状况。此外，来自一些污染物的铁可溶解在电解质中并扩散到锂阳极与其反应。这一反应可改变锂表面并可对放电性能产生负面影响。

用于制造商业电池的二硫化铁阴极材料由于FeS₂在采矿后的贮藏期间暴露于多种天气条件下(如下雨或潮湿)，可能天然是酸性的。在经加工使其获得适用于商业电池的性能后，二硫化铁粉末可贮藏在适宜的包装内以在用于电池组装过程之前长时间保存，例如长达六个月。在贮藏期间，二硫化铁材料可与大气中的水分和/或空气反应以形成多种产物(杂质)，例如H₂S、H₂SO₄、FeSO₄、FeSO₄·nH₂O、Fe₂(SO₄)₃、Fe₂(SO₄)₃·nH₂O、以及其它杂质。当此类杂质进入组装好的电池内时，可降低电池的总体性能和安全特性。例如酸性反应物可与电池内部组分反应，如集流体、阳极、或其它金属电池部件，潜在地降低电池性能和电池构造刚度。酸性反应物的存在也可导致电解质溶液的聚合，这可对电池总体性能产生负面影响。

在贮藏期间抑制酸性产物形成的常见方法为在贮藏之前将缓冲液例如碳酸钙(CaCO₃)直接与FeS₂粉末混合。例如，加入大约2.5重量％的CaCO₃到FeS₂中可通过中和贮藏期间当FeS₂与空气中的水分反应时产生的酸性产物，额外延长贮藏时间六个月。中和反应的一些反应产物例如可包括：CaSO₄、CaSO₄·2H₂O、CaS、CaSO₃和CO₂。混合缓冲液如CaCO₃与FeS₂粉末可不受限制。例如CaCO₃可作为绝缘体，其可抑制FeS₂的导电性并可降低电池总体放电性能，尤其是在高放电率情况下更是如此。此外，CaCO₃的密度小于FeS₂的密度。将CaCO₃加入阴极粉末中占用了本来由活性阴极材料(例如FeS₂)所占的空间，这将直接有利于组装好的电池容量并因此有利于总体性能。

需要从电极材料如二硫化铁中移除杂质，其被随后掺入组装好的电池中。掺入杂质可导致电极组件具有相对较高的总体电阻，这可降低组装好的电池的总体放电性能。此外，掺入杂质可导致可用于活性组分的空间较少，这对组装好的电池的总体放电性能具有正面影响。本发明公开了在电池组装之前从电极或电极材料中移除杂质的方法，这可改善电池总体性能，尤其是在高放电率情况下。

发明概述