[发明专利]能量密度改进的非水型电化学电池

说明书

本申请是申请号为03813130.7(PCT/US03/17728)、申请日为2003年6月5日的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种非水型电池。例如一种电池，其中锂是活性阳极材料，而二硫化铁或黄铁矿是活性阴极材料。

背景技术

长期以来都认为锂金属负电极(阳极)与黄铁矿或二硫化铁(阴极)的电化学耦合是理论上的高能量耦合。在下文中，“黄铁矿”和“二硫化铁”可互换使用。在任何金属中，锂金属的密度最低，它能提供2062毫安培-小时/厘米³(mAh/cm³)的体积能量密度和3861.7毫安培-小时/克(mAh/g)的重量能量密度。黄铁矿因为有经受4个电子还原的能力，它具有提供较大能量的可能，它有体积能量密度4307mAh/cm³和重量能量密度893.58mAh/g。

然而，这种特殊的电化学耦合电池要达到商业上可行的程度仍存在很多问题。一个关键问题是如何有效地利用内部的电池体积。我们知道这种电化学系统在放电并伴随产生反应产物的时候会产生体积的增大，因此电池的设计必须考虑到要有足够的空体积来容纳这种体积上的增加。此外还应知道由于电池放电效率的增加，还会产生更多的反应产物，这将造成已增加的体积更加增大，这也需要在电池内有足够的空体积来容纳。

若试图通过增加阴极的密度来改善电池的能量密度又会存在另外的问题。首先，应该知道若增加阴极的密度将会导致在这个电极内只有较少的空体积可用来容纳反应产物，这样也就需要在电池内能提供其它可能的空位置。此外，若通过增加施加在带涂层的电极基材上的压延力来使阴极致密化，将会导致用作阴极电流收集器的金属箔基质的延展。这种延展会损害涂层的均匀性，从而导致涂层的皱折、破裂，甚至最终导致全部或部分涂层与基底分离。

对于锂/二硫化铁电化学耦合，为了容纳由于反应产物所造成的体积增加，同时也为了改善电池放电效率和电池容量，应考虑到将不起反应的内部电池组分所占的体积尽可能地减到最小。关于这一点，用锂金属箔做阳极，就免去了使用分立的阳极电流收集器的需要，因为锂箔有足够的导电性。然而，由于锂箔的抗拉强度较低，因此它能经受延展和变薄，从而造成阳极容量减少的局部区域。在一种极端的情况下，这种变薄会严重到使锂阳极发生断裂的程度。已提出各种办法来解决锂箔脆弱的问题，其中包括将电池设计成带有较厚的锂箔、带有分离的阳极电流收集器和带有还原的或非离子输运区域的锂阳极。这些解决方案一般会导致电池内阳极过平衡，并使这些方案并不有效或者使电池在体积上不能令人满意。在电池中使用过多的锂也很不经济，因为金属锂箔是一种相当贵的材料。

因此，对于具有增加的能量密度和放电效率的非水型锂/二硫化铁电池来说，就需要能容纳在放电过程中产生的反应产物所带来的体积增加。对这种非水型电池来说，还需要有致密的阴极，这种阴极与电流收集器基底之间既要有好的粘附性，又要不牺牲阴极涂层的均匀性。对这种非水型电池还进一步需要减少阳极对阴极的电池平衡而又不牺牲阳极的完整性。

发明内容

本发明涉及一种非水型电池，它包括锂金属箔阳极和包含以二硫化铁作为活性材料的阴极涂层，其中涂层至少加在用作阴极电流收集器的金属基底的一个表面。本发明的电池尤其在快速放电性能方面有改进，而且令人惊奇的是它是在阳极欠平衡状态下取得的。用另一种说法，即本发明电池具有在此所定义的阳极对阴极输入比≤1.0。我们意外地发现，通过使用一种独特和新颖的阴极涂层配方，而只将阴极涂层固体物体积增加约10％，电池体积上和重量上的能量密度均能提高约20～25％。