[发明专利]具有改进的正电极的锂-二硫化铁圆柱形电池

说明书

发明领域以及相关申请

本发明涉及电化电池和制造这种电化电池的方法，具体涉及具有作为其主要电化活性物质的锂和二硫化铁以及上面选择性地沉积有电化活性物质的正电极(以提高使用寿命和更有效地利用负电极的电化活性物质)的电化电池。本申请是2006年7月26日提交的美国申请系列第11/493,314号的部分继续申请，其描述了特别适合此文所述发明使用的正性容器电池。通过引用将该申请合并至此文中。

发明背景

含有锂正阳极(positive anode)的电化电池由于其重量轻、高压、高电化当量和良好的电导率或其他原因而变得受亲睐。这种锂电池一般可分为两类：原电池，例如锂-二硫化铁系统、锂-亚硫酰氯系统和锂-二氧化锰系统；和二次电池，其允许这种二次电池的再充电，例如锂-离子、Li-PEO-LiClO₄/VO₄等等。

与原锂系统相比，从电池设计和化学角度来说，二次锂电池具有非常特殊的约束。许多二次电池需要嵌入(intercalating)锂，意味着必须提供过量的锂，因为在充电-放电循环期间发生锂的剥离(stripping)和重镀(replating)。而且，这种多孔的、高表面积的嵌入锂化合物非常有活性且容易形成短路树枝状晶体(dendrite)，从而带来相当大的安全顾虑。

其他二次电池通常使用的材料包括但不限于聚合物、无机或固态电解质，这些材料极大地不同于在原锂电池中见到的材料，且通常比它们更昂贵。而且，二次电池固有的问题，例如热量控制、为改善充电-放电循环而优化输入(input)和二次系统对自放电的亲和力 (affinity)，往往导致二次电池设计的成本和复杂性显著增高。最后，二次电池可具有非寻常的形状因素(form factor)(例如，棱形的、堆积式板状电极，等等)和/或在许多通常的消费应用(consumer application)中并非广泛或普遍实施的不标准的电压输出(例如，3.6V)。

相反，原锂电池设计的主要焦点围绕安全、便宜的材料的选择和可以商业上可行的生产量实施的方法来考虑。例如，尽管在二次电池中的大多数依赖于嵌入锂的负电极必须与粘合剂(binder)混合并被涂布至箔载体上，但优选的在锂-二硫化铁系统中的负电极是固体锂金属或锂合金本身，而不需要任何涂层。

原电池还必须依照标准尺寸和电压要求(例如，1.5V和AA罐型号)大规模生产。政府规定对电化电池生产者关于某些输入物(例如锂)的类型和最大量强加了进一步的限制(例如，目前，根据某些运输指南，锂的最大为1g)。因此，因为电化活性输入物的形状、尺寸和量被限制，电化电池生产者必须谨慎地策划他们的电池设计的所有方面，以提供改善的性能。同样，因为被消费者购买的原电池必须被制成标准尺寸，如果内部的阳极和阴极物质的利用可被优化，那么能够在较小的标准尺寸(例如，按体积来说，R6型号或更小的型号)中使电化活性物质在体积上最大化，则可相当大地提高使用寿命。

另外，某些用在原锂系统的正电极中的电化活性物质——最值得注意的是二硫化铁——在电池的放电期间经历相当大的膨胀(有时尺寸增加至两倍多)，从而对于如何构建电池提出了另外的困难。当考虑到电化活性物质必须与粘合剂和其他添加剂混合，以让负电极物质涂布至在整个放电循环中维持电接触的导电载体上这个事实时，可能会进一步增加与膨胀相关的困难。因此，原锂电池(特别是锂-二硫化铁系统)的阴极设计，涉及对其他系统来说不是必然固有的特别的考虑。

鉴于以上所述，应当显而易见的是，二次锂电池的教导不会必然地适合在原锂电池设计中遇到的顾虑。而且，需要这样的电池设计，即其使得所有电化活性输入物的使用量最小化并且使得所有电化活 性输入物得到有效利用，同时还提供原锂系统的细微差别(nuance)。

发明概述

鉴于以上问题和考虑，仍然需要一种原电化电池设计，其提供改善的电池性能并优化用于电池中的活性物质。

因此，本发明的一个目的是提供电化电池，其表现出想要的电池性能特性，例如增加的电池容量，而不超出关于各种物质(例如锂)在电池中的量的强制性限度。

本发明的另一目的是通过在正电极上使用电化活性物质的选择性沉积的结构，而提供具有改善的锂利用效率、出乎意料的提高的容量以及负电极和正电极之间改善的界面接触的电化电池。