[发明专利]锂-二硫化铁电池单体设计

说明书

技术领域

本发明涉及具有卷芯电极装置的一次电化学电池单体，所述卷芯电极装置包括具有含有沉积在集电器上的二硫化铁涂层的正电极、具有接近于阴极带的最外侧边缘的端部或在其下方的小的厚度增加区域的锂基负电极和聚合物隔离件。本发明尤其涉及优化电池单体容量并基本消除间歇式工作测试中的过早电压下降的电池单体设计。

背景技术

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要求只提供少量标准化的电池单体型号(例如，AA或AAA)和指定的额定电压(通常为1.5V)。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通常预期在这样的消费性产品中的活性材料、安全性装置和其它元件。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，1.5V系统(如碱性或锂-二硫化铁系统)比其它如3.0V和更高的锂-二氧化锰系统要占主导得多。

甚至在1.5V电化学系统(例如，碱性、锂-二硫化铁等)中，这种设计想法也是非常不同的。例如，碱性和羟基氧化镍(nickel oxy-hydroxide)系统依赖于具有气体扩散和/或泄露倾向的含水和高腐蚀性电极，导致在选择内部材料和/或与容器和闭合件的兼容性方面非常不同的方式。在可再充电的1.5V系统(注意到普遍认为锂-二硫化铁系统不适于消费型可再充电系统)中，各种高度专用的电化学和/或电解液组合物可以用于最好地使锂离子进行充电/放电循环。在本申请中，这样的高成本组件不是关键的设计关注，因为二次系统通常比其一次电池等同体卖出更高的零售价格。而且，总体说来，所述放电机构、电池单体设计和安全考虑对一次系统是不重要的和/或不可应用的。

尽管锂-二硫化铁电池单体对于高功率装置表现出明显的优势(与一次碱性电池单体相比)，LiFeS₂电池单体设计必须在使用材料的成本、必须的安全装置的组合与整体可靠性、输出容量和所设计电池单体的预期用途之间保持平衡。除了改善的容量之外，电池单体设计者还必须考虑其它重要的性能，如安全性和可靠性。安全装置通常包括排气机构和热激活的“关闭”元件，如正极热电路(positive thermal circuits)(PTCs)，而对于可靠性的改善主要集中于防止内部短路。在上述每个实例中，这些预期的特征都需要占据内部容积的元件和/或通常对电池单体内部电阻、效率或放电容量起负面作用的设计考虑。即使无水电解液的反应性和挥发性严重限制了可用的潜在材料的范围，由限制在热循环过程中锂电池可以丧失的百分比重量的规定也提出了其它挑战，所述规定意味着，用于较小容器型号如AA和AAA的电池单体设计仅可失去电池单体总重量的数毫克(通常通过电解液蒸发)。

所述卷芯电极装置在LiFeS₂系统中是优选的构型。为了在这种构型中有效利用二硫化铁，将所述二硫化铁与使所述电池单体放电仍然有效的最小量的导体和粘合剂混合成浆料。然后，将所述浆料涂覆在应用于卷芯上的金属箔集电器上并在其上面干燥，而所述锂在没有集电器的情况下被最有效地装配。所述隔离件是厚度优选最小化用以减少到所述电池单体中的惰性输入物的薄聚合物膜。为了将活性材料最大化，所述阳极将通常基本由锂或锂合金组成，所述锂或锂合金成共同作为沿着所述卷芯的整个周长的集电器。