[发明专利]锂-二硫化铁电池设计

说明书

本发明涉及锂‑二硫化铁电池设计，更具体地涉及具有胶辊电极组装件的电化学电池，所述胶辊电极组装件包括锂基负极、具有涂层的正极，所述涂层包含大于大约94wt％的二硫化铁。

本申请是一项发明专利申请的分案申请，其母案的申请日为2008年10月17日、申请号为200880112089.3(PCT/US2008/011851)、发明名称为“锂-二硫化铁电池设计”。

技术领域

本发明涉及具有胶辊电极组装件(jellyroll electrode assembly)的一次电化学电池(primary electrochemical cell)，所述胶辊电极组装件包括基于锂的负极、具有涂层的正极和聚合物隔离物，其中所述涂层包含沉积在集电器上的二硫化铁。更特别地，本发明涉及经改进的电池设计，该电池设计相较于容器强度最优化了电化学活性材料和内部电池空隙，从而改进电池容量而不明确地影响安全或可靠性。

背景技术

电化学电池是目前对各种消费装置提供有成本效率的便携式电力的优选方法。消费装置市场规定仅提供少量的标准化电池大小(即，AA或AAA)和特定的标称电压(典型地1.5V)。而且，越来越多的消费电子装置，比如数字静态照相机，被设计为具有较高电力运行要求。正如已经在市场内所实践的，相较于可比的当前可获得的可充电(即，二次)电池组，消费者常常因为其便利性、可靠性和长的保质期而更喜欢并选择使用一次电池组。

在该上下文范围内，相当明显的是，一次(即，非可充电)电池组制造商的设计选择极端有限。例如，使用规定的标称电压的必要性显著地限制了潜在的电化学材料的选择，而使用标准化的电池大小则制约了可用于活性材料、安全装置及该类消费产品中典型所期望的其它元件的总的可用内部体积。而且，消费装置的多样性和那些装置的工作电压的范围使得较小的标称电压电池(其可以单独或串联地提供，从而给予装置制造者更多的设计选项)有利于较高电压电化学配对。因此，1.5V系统(比如碱性或锂-二硫化铁系统)要比其它(比如3.0V和更高的锂-二氧化锰)重要得多。相应地，对于每个电化学系统(即，碱性的v.锂-二硫化铁等)的设计考虑全部都显著不同。

在1.5V系统的范畴内，锂-二硫化铁电池组(也称为LiFeS₂，锂黄铁矿或锂铁黄铁矿)相较于碱性、碳锌或其它系统，提供更高的能量密度，尤其在高电耗率(drain rate)下。然而，目前一次电池组中对锂的量上的规定限制使得FR 03(AAA LiFeS₂电池)和FR6(AALiFeS₂电池)大小在消费者市场内尤其重要。

锂-二硫化铁和其它化学系统之间的其它不同引起该类电池组的各自设计中的其它差异。例如，碱性和镍氧-氢氧化物(nickel oxy-hydroxide)系统依赖于含水且高苛性的电解质，该电解质具有渗漏倾向，导致在内部材料的选择方面和/或与容器和盖的相容性上有极为不同的方法。在可充电的1.5V系统(其不包括锂-二硫化铁系统)中，可以使用多种高度专业化的电化学和/或电解质组合物。这里，这类高成本成分并不是关键的设计关注点，因为二次系统典型地要比它们的一次电池组等同物以更高的零售价销售。而且，该放电机制、电池设计和安全考虑大体上不适用于一次系统。

但是即使锂-二硫化铁电池对于高功率装置具有固有的优点(相较于一次碱性电池)，LiFeS₂电池设计仍然必须在所用材料的成本、必要的安全装置和总体可靠性的引入、以及所设计电池的释放容量和意欲用途之间实现平衡。正常地，低功率设计着重于活性材料的数量，而高功率设计则更多集中于构造以提高放电效率。例如，最大化了电极间表面面积的胶辊设计(jellyroll design)允许更大的放电效率，但是牺牲了低功率和低放电率放电时的容量，因为该设计必需采用更多非活性材料，比如隔离物和集电器(两者均占用内部体积，从而需要从电池设计中除去活性材料)。