[发明专利]可再充电的电化学电池

说明书

本发明涉及一种可再充电的电化学电池，其具有正极，负极和电解质，该电解质含有二氧化硫(SO₂)和该电池的活性金属的导电盐。

电荷传输(其是电池充电和放电所必需的)基于电解质中导电盐离子的迁移性，所述电解质尤其可以是液态或者凝胶态的。在含SO₂的电解质中(下文称作SO₂电解质)，SO₂构成了导电盐的离子迁移率，其起到这种电荷传输作用。在此意义上，SO₂表示导电盐的溶剂。除了SO₂之外，电解质可以包含另外的有助于离子在导电盐中的迁移率的溶剂。这样的溶剂可以是无机溶剂(例如硫酰氯，亚硫酰氯)，有机溶剂和离子液体，其可以单独使用或者混合使用。在本发明中，优选使用这样的电解质溶液，其不仅包含作为添加剂的低浓度SO₂，而且在其中导电盐离子的迁移率主要、优选基本上完全由SO₂来确保。

长期以来已知的是SO₂电解质具有相当大的优点(参见“The Handbook of Batteries”，David Linden，1994，Mc Graw Hill)。这些优点包括它的导电率为通常用于锂离子电池组电池中的有机电解质的5-10倍高。这允许更高的充电和放电电流，和因而允许高的功率密度。电解质高的导电率同样对于电池的电容量也是有利的，因为它允许使用具有对于电池的活性金属来说高的存储能力的相对厚的电极。

具有SO₂电解质的不同类型的电池彼此的差异主要在于所用的活性金属、导电盐，以及用于正极和负极的材料。本发明尤其涉及到具有下面特性的电池组电池：

a)活性金属优选是碱金属，特别是锂或者钠。在这种情况中，导电盐优选是碱金属的四卤铝酸盐，更优选四氯铝酸盐例如LiAlCl₄。在任何情况中，也即独立于导电盐的阴离子，该电解质优选包含至少1mol的导电盐/22mol的SO₂。优选的最大摩尔比是1mol的导电盐/0.5mol的SO₂。在本发明上下文中，优选的活性金属，除了碱金属之外，还包括碱土金属和元素周期表第二副族的金属，特别是钙和锌。特别合适的导电盐是其卤化物，草酸盐，硼酸盐，磷酸盐，砷酸盐和镓酸盐。

b)正极优选包含(为了存储活性金属)嵌入化合物(interkalationsverbindung)形式的金属氧化物或者金属磷酸盐。该氧化物或者磷酸盐中的金属优选是原子序数为22-28的过渡金属，特别是钴，锰，镍或者铁。在实践中还特别重要的是二元或者三元氧化物或者磷酸盐，其在点阵结构(Gitterstruktur)中含有两种或者三种不同的过渡金属，例如锂-镍-钴氧化物。但是，本发明也可以与其他正极组合使用，例如基于金属卤化物例如CuCl₂。

c)负极优选是嵌入电极。这个术语通常表示这样的电极，其在它们内部以这样的方式包含活性金属，即，在电池充电和放电时，它备用于(bereit ist)与电解质交换。对于常规的和对于本发明的负极特别重要的是含有石墨的负极，其中在电池充电时(锂离子电池)，活性金属被吸收到石墨中。当电池正常充电时，没有引起活性金属沉积在电极表面上。

但是，本发明还涉及电池，在其中活性金属以金属性沉积到负极上(锂-金属电池)。在本文上下文中，特别优选的是负极具有多孔沉积层，它的孔在充电过程中吸收了活性物质。这样的电极也称作嵌入电极(广义)。对于这样的沉积层的生产来说，例如可以使用孔径为至少6μm的玻璃布。

d)可以通过分隔物或者绝缘体来确保正极和负极所需的电隔离。

分隔物是这样的结构，其防止了沉积在负极上的金属锂渗透到正极表面。对于具有SO₂电解质的电池来说，尤其合适的是惰性聚合物材料和孔径不大于1μm的陶瓷材料，或者这两种材料的混合物。原则上，还可以使用由聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)或者乙烯四氟乙烯(ETFE)制成的分隔物。但是，用于这种类型的电池的充电器应当设计来防止过度充电，以避免不期望的反应。

在本文上下文中，绝缘体被理解为是这样的结构，其将正极和负极电隔离，但是不会防止金属锂渗透到正极表面。WO2005/031908描述了在此所出现的局部短路并不必然是有害的，而甚至会具有积极的作用。该绝缘体优选同时充当了沉积层。

关于具有SO₂电解质的电池组电池的更详细的信息可以例如参见下面文献：