[发明专利]一种锂‑二硫化铁电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂原电池技术领域，尤其涉及包含二硫化铁(FeS₂)阴极材料的锂-二硫化铁电池和锂-二硫化铁电池非水电解液。

背景技术

锂原电池，也就是一次锂电池，因其一次容量高、自放电率极低(可常温存放5～10年)、放电平缓、型号标准化通用性好等优点，在近几年因市场需求不断增大得到了飞速发展，在当今的消费驱动型的设备市场中，优选的是标准化的一次锂电池的尺寸(例如AA或AAA)和特定的额定电压(通常为1.5V)。一种特别用于1.5V消费型设备的锂电池是锂-二硫化铁(或Li/FeS₂)电池，对于AA尺寸具有IEC标准，对于AAA尺寸具有FR03标准。

锂铁电池的正极为二硫化铁(FeS₂)，负极为金属锂(Li)，电池的放电反应机理是：FeS₂+4Li→Fe+2Li₂S，FeS₂的理论克容量为893.6mAh/g，Li的理论克容量为3861.4mAh/g，其理论比能量高达1323Wh/kg，而常用的锂锰、碱锰、锌氧化银等其它一次性电池的理论比能量仅为200～500Wh/kg。因此，锂铁电池与锂锰、碱锰、锌氧化银等其它一次性电池相比具有非常大的优势，是未来将快速发展的新型一次性电池。

锂铁电池负极的金属锂遇水会发生剧烈反应，决定了锂/二硫化铁电池体系中其电解液通常都采用非水有机溶剂。此类非水有机溶剂包括：乙二醇醚、环氧戊环、环状碳酸酯、丁内酯以及磷酸酯等。这些有机溶剂不会与金属锂发生剧烈反应。但是由于金属锂的电位比这些溶剂低，且金属锂非常活泼，再加上溶剂中杂质以及微量水的存在，致使金属锂与溶剂接触的界面会形成一层钝化膜。这层钝化膜往往电绝缘且离子绝缘，影响电池内导电离子的迁移，从而增大电池的内阻和滞后电压，降低电池放电电压和放电容量。钝化膜的形成造成放电过程中电池电压降大、容量损失严重。

一次锂铁电池在长期储存过程中引起容量损失有以下几个方面：一是如上所说的在储存过程中负极钝化膜不断生成变厚导致内阻增大，二是在储存过程中电池内部发生微短路，三是使用二氧戊环等高活性醚类在储存过程中发生聚合导致电解液变粘，锂离子迁移变慢，内阻增大。中国专利CN101485016B提出在电解液中添加碘可在锂负极上削弱钝化层的形成而降低或抑制锂负极钝化速率；CN101689643A提出在电解液中添加少量的吡啶以降低二氧戊环聚合的机会，从而改善电池在长期储存电解质发生聚合导致内阻增大的情况；美国专利US6849360B2中描述了电解质包括碘化锂、二氧戊环、乙二醇二甲醚及少量的3,5-二甲基异恶唑，其中添加了少量的3,5-二甲基异恶唑以保证电解质的长期稳定。但是，在电池储存过程中，正极上的Fe²⁺总会游离出来，并且会跑到负极上被还原成Fe，从而损害了正极活性材料FeS₂降低了电池放电容量。

因此，需要一种锂铁电池电解质，可解离出锂离子并且溶剂化，并且在长期储存过程中对锂铁电池正负极都稳定，从而确保锂铁电池储存长寿命。

发明内容

研究发现，在锂-二硫化铁电池的电解液中使用双氟代磺酰亚胺锂(LiFSI)，能够有效地抑制正极上Fe²⁺的溶出。因此，本发明提供一种提高电池的储存寿命和放电容量的锂-二硫化铁电池，以及含有LiFSI的非水电解液在锂-二硫化铁电池中的用途。

根据本发明的第一方面，本发明提供一种锂-二硫化铁电池，包括作为正极的二硫化铁(FeS₂)、作为负极的锂或锂合金、以及介于上述正极和负极之间的隔板，还包括非水电解液，上述非水电解液包括非水有机溶剂和电解质盐，上述电解质盐至少包括双氟代磺酰亚胺锂(LiFSI)。

作为本发明的进一步改进的方案，上述非水电解液中，上述电解质盐的总浓度为0.5～2.0mol/L。

作为本发明的进一步改进的方案，上述非水电解液中，上述双氟代磺酰亚胺锂的浓度为0.1～1.5mol/L。

作为本发明的进一步改进的方案，上述非水电解液中，上述电解质盐的总浓度为0.75～1.0mol/L，上述双氟代磺酰亚胺锂的浓度为0.2～0.8mol/L。

作为本发明的进一步改进的方案，上述电解质盐还包括碘化锂。

作为本发明的进一步改进的方案，上述碘化锂在上述非水电解液中的摩尔浓度为1.0mol/L以下。