[发明专利]电化学电池、其制造方法及其所含的插入电极

说明书

本申请是申请号为200480027573.8、申请日为2004.09.21、发明名称为“电化学电池”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种电化学电池，其具有负电极(阴极)、包含导电盐的电解质和正电极(阳极)。本发明尤其指的是碱金属电池，其中活性物质是碱金属，在对电池充电时，所述碱金属被存储在负电极中和/或负电极上。但是，活性物质也能够是其他金属，尤其是碱土金属或者周期系的第二组的金属。电解质的导电盐由形成活性物质的金属阳离子和相配的阴离子组成。在碱金属电池的情况中，碱金属的四卤化铝酸盐(例如LiAlCl₄)优选地被用作导电盐。

背景技术

例如下面主要参考碱金属电池、尤其是锂电池。然而，这不应被理解为是对本发明一般适用性的限制。

对于这种电池典型的是一种由多个堆叠的层组成的结构，所述层的面积尺寸比其厚度大的多。它们具有大致相同大小的面积尺寸，并且在电池中以夹层方式被上下堆叠地布置。具有通常为长方体状的外壳和直的层的棱柱形电池以及在其内部各个层为圆柱状盘绕的圆柱形电池是常见的。

通常的电池具有至少三层，也即负电极、正电极和隔离物，其在电气上和在机械上分开两个电极。该隔离物必须解决以下难题：

-它应该保证正电极和负电极的电分离，在未电分离的情况下，电池不能运行。

-它应该有助于确保在电极之间液态电解质的均匀分布。

-它应该保证阳极室和阴极室的机械分离，但是另一方面在电池的两个子室之间不仅应该保证所需要的电解质输送而且应该保证气体输送。

-它应该可靠地防止电极之间的短路。在此，如果在对电池充电时活性金属被沉积到电极的表面，则产生特殊问题。

如果活性物质尤其在多个充电和放电循环之后不是作为具有平坦表面的平滑层被沉积，而是以部分线状形状被沉积，那么上述问题尤其严重。特别在碱金属电池、尤其是锂电池情况下，在对电池充电时，形成具有(对于具有特定电解质的特定电池)基本相同直径的未分叉的线，所述线杂乱生长成团，并且被称作须。须的形成归因于，由于自放电反应而在反应的活性金属表面上形成并不完全均匀的薄覆盖层。因此，电解沉积的活性金属优选地在更薄的位置上生长穿过覆盖层，并且然后分别在线的末端继续生长。

由于形成这种线状形状，隔离物在机械上严重受力。另一方面，适当材料的选择由其他要求限制：

-隔离物材料在电池中必须是惰性的；

-它必须尽可能薄，以便能够实现高能量密度；

-此外，电池的特性数据和其使用寿命另外由隔离物对于电解离子的渗透性共同决定；

-隔离物的成本必须是可承受的。

完美地起作用的隔离物在锂离子电池和锂聚合物电池中是特别重要的。如果在那里锂金属被沉积在负电极的表面上，那么高反应性金属在任何情况下都不能与正电极接触，因为由这种接触所引起的短路立即会导致被称为“热失控”的未受控制的反应结果。这种电池的有机电解液将会不受控制地燃烧或者甚至爆炸。由于这些风险，一般只以相当小的规模制造所述电池类型。另外，采取附加的、首要的是电子的安全措施。

在所述电池类型中，负电极通常被构成为所谓的“插入电极”。该概念一般表示以下电极，即所述电极如此在其内部包含活性金属，使得在对电池充电和放电时就准备与电解质进行交换。在锂离子电池和锂聚合物电池中，负电极是基于石墨的插入电极，在其内部，在对电池充电时，导电盐的金属离子被吸收。如果可能的话，应该如此运行电池，使得避免活性金属在电极表面上沉积的运行状态。但是，这在实际上仅仅能够利用耗费巨大的电子措施来实现，通过所述电子措施可靠地避免电池的过充电以及以相当高(超过适用于各个电池的极限值)的电流强度充电。该电子系统必须极其准确(断路电压例如为4.2V±0.01V)并且极其可靠(每1亿块最多出现一个错误)。通过这种措施大大增加了成本。然而，仍存在一定风险。

发明内容

据此，本发明的任务是，提供一种可重复充电的电化学电池，尤其是碱金属电池并且首要的是锂电池，通过其以尽可能少的耗费实现尽可能高的安全标准，其中各个电池类型的有利特性(在锂电池情况下尤其是其未被超过的高能量密度)应该完全保持或者甚至应该被进一步改善。

根据本发明的第一主要方面，该任务通过具有负电极、包含导电盐的电解质和正电极的电化学电池来解决，其中电解质以SO₂为基础，并且在正电极和负电极之间的中间室被如此构成，使得当对电池充电时，沉积在负电极上的活性物质可能这样与正电极接触，以致在其表面上发生局部受限制的短路反应。