[发明专利]锂离子一次袋式电池

说明书

提供了一种袋式电池，包括电极组件和壳体，电极组件被密封和容纳在壳体中；电极组件包括片状阴极、片状隔膜和片状阳极的堆叠结构；片状阴极包括置于集流体上的正电极活性材料；片状阳极为薄导电片，在放电期间锂金属可逆地沉积在其表面上；片状阳极由除锂之外的导电材料制成，并且在电池充电之前具有基本上不含锂金属的表面。袋式电池设计灵活且轻量，并提供高功率密度，使其成为许多应用中常规锂离子一次电池和热电池的合适替代品。通过施加外部压力可以进一步提高功率。可以调整添加剂和形成条件以形成固态‑电解质界面(SEI)。

技术领域

本公开提供了一种具有基本无锂设计的锂离子一次袋式电池。

背景技术

在非水性溶剂中的各种类型的锂电化学电池在本领域中是已知的。一次固态阴极锂电池通常包括锂阳极、由溶解在一种或多种有机溶剂中的锂盐制备的电解质和含有电化学活性材料(如过渡金属氧化物、金属硫化物、氟化碳化合物)的阴极。

这种锂电池的缺点是锂金属在空气中的高反应性。锂容易与空气中的水蒸气发生反应。因此，锂阳极必须在完全干燥的气氛中制备。金属锂阳极的制备可能是繁琐、昂贵的，并且也可能是危险的。

一次锂电池的另一个缺点是在需要薄的金属锂阳极的高功率的一次锂电池设计中遇到的。这种高功率电池的一个普遍问题是金属锂的抗拉强度低。因此，金属锂阳极的制备可能需要在阳极中使用过量的锂来增加阳极中锂的厚度(以提供更好的机械强度)，或者在阳极中引入诸如金属或金属化的支撑箔或支撑网的导电载体(例如，铜或镍箔或网或镀有金或铬等的另一种金属，可用于增加阳极的机械强度)或引入另一种合适的导电载体等。使用这种导电载体(将锂电镀或沉积或附着在其上)可以适当地增加阳极的机械强度。

第一种方法(过量锂)显著降低了电池可达到的实际能量密度(每体积单位的可用能量)。第二种方法(使用薄的导电载体)可能使阳极制造过程明显复杂化，因为可能必须使用真空沉积法或其它类似的制造方法来在导电载体上沉积金属锂薄层。这种技术对于大规模生产过程是低效的，可能需要昂贵的设备，并且可能必须间歇进行。

一种用于常规一次锂电池的方法是使用阴极材料(如过渡金属氧化物(或过渡金属硫化物))结合碳质阳极，所述碳质阳极基于例如能够嵌入锂离子的石墨或石油焦。在这种方法中，锂离子必须通过外部施加的充电电流从锂化阴极中去除，并嵌入碳质阳极中。

这种方法虽然增加了电池的工作电压，但有两个主要缺点。第一个缺点是所得电池的自放电率非常高(通常约为每月电池电量的5％)。虽然这种高自放电率值对于可充电锂电池来说在商业上是可接受的，但是对于大多数一次锂电池来说是不可接受的，因为对于一次锂电池来说，通常要求每月的电池电量损耗最高为0.1％。第二个缺点是与一次锂电池相比，它们通常具有低能量密度。这种低能量密度的主要原因是与锂金属阳极相比，碳质阳极的理论容量值低。

对于可充电电化学锂电池，各种类型的非水性可充电锂电池在本领域中是众所周知的。可充电锂电池，例如专利号4,828,834的美国专利(美国'834专利)(出于所有目的，该专利的全文通过引用并入本文)中记载的电池，包括高电活性金属锂基阳极、锂盐、有机溶剂和电化学活性阴极。在这种电池中，在放电过程中，锂离子从阳极穿过液态电解质并嵌入阴极。在电池充电期间，离子的流动是反向的。锂离子从阴极穿过电解质，以金属锂原子的形式沉积在锂阳极上。通常，在电池充电期间沉积或镀覆在阳极上的锂层的质量可能不足以进行多次充电放电循环。这种锂沉积往往会产生被称为枝晶的高表面积镀层形式。这种枝晶通常在电池循环时继续增长。不幸的是，锂枝晶的形成限制了可允许的充电/放电循环次数，因为最终枝晶可能接触阴极，从而导致电池失效。因此，可充电电池中枝晶锂的形成可能使这种电池本身不太稳定，因为如果发生这种电池短路，电池可能会爆炸。此外，阳极表面上的高表面积枝晶锂倾向于与电解质反应，形成电绝缘的非活性物质。结果，电池中剩余的可用锂的量减少，降低了电池实际可达到的能量密度。