[发明专利]具有核加强件的锂-二硫化铁电池设计

说明书

技术领域

本发明涉及具有卷芯（jellyroll）电极装配件的电化学一次电池，所述电极装配件包括基于锂的负极、具有涂覆层的正极、以及聚合物隔板，所述涂覆层包括沉积在集电器上的二硫化铁。所述隔板、阳极、和阴极围绕坚硬的或实心的中心核缠绕成卷芯配置，该配置使得电池的内部体积（其中卷芯可以膨胀）最小化，和/或控制膨胀发生的方式。得到的电池设计在低消耗率（low drain rate）试验中具有更好的可靠性和容量，同时维持了较好的高消耗率容量。

背景技术

对于各种用户设备，电化学电池是当前提供成本较低的便携电能的优选方法。用户设备市场要求在这种电池中提供仅仅少量的标准化电池尺寸（例如，AA或AAA）和特定标称电压（一般地，1.5V）。此外，诸如数码相机的用户电子设备被设计为具有相对高的电能操作需求。市场中的用户通常愿意且选择使用一次电池，这是因为一次电池相比于当前可用的充电（即，二次）电池更方便、更可靠、寿命更持续、且单价更经济。

在1.5V系统的范围内，相比于碱性电池、碳锌电池、或其它电池系统，锂-二硫化铁（也称为LiFeS₂、锂黄铁矿、或锂铁黄铁矿）电池提供更高的能量密度，尤其是在高消耗率下提供更高的能量密度。对任何电化学系统给予的设计和工程方面的相对考虑（尤其是在锂-二硫化铁和其它1.5V系统之间）是截然不同的。例如，锂-二硫化铁一次电池的阴极不会像锂离子电池和其它二次锂电池中的阴极那样出现热击穿问题，锂离子和其它二次锂电池的放电机制、电池成分、和安全考虑对锂-二硫化铁一次系统是大体无影响的和/或不适用的。

即便锂-二硫化铁电池对于高电能设备具有固有优点，电池设计也需要在以下要素之间平衡考虑：使用材料的成本、必要的安全设备和整体可靠性的结合（incorporation）、输出容量和被设计电池的使用用途。例如，卷芯设计使电极之间的表面面积最大化，并且给予更大的放电效率，但是这样可能牺牲低功率和低速率放电时的容量，这是因为该设计使用更不具活性的材料，诸如隔板和集电器（两者都占据内部体积，由此需要从电池设计中移除活性材料）。

除了改进容量之外，电池设计者还必须考虑其它重要特性，诸如安全性和可靠性。安全的设备通常包括排气机制和热激活的“关闭”元件，诸如正热电路（PTC）。对可靠性的改进主要集中在防止内部短路。在这两个情况中，这些特性还需要一些占据了内部体积的元件和/或需要一些设计考虑，这些设计考虑常常与电池内部电阻、效率和放电容量相悖逆。运输条例进一步构成限制，这是因为这些条例可能限制在进行热循环期间可以损失的锂的量和锂电池重量百分比的量，这意味着AA和AAA等较小的容器尺寸仅能损失数毫克的总电池重量。此外，活性材料和非水的有机电解质的反应特征和易变特征严重地限制了潜在的可用材料的通用性。

对锂-二硫化铁一次电池系统独有的最困难的挑战之一是在放电期间阴极的膨胀，其在低消耗率（例如，连续<20mA）期间和/或升温（例如，>45℃，尤其地，>70℃）时会恶化。该系统的累积反应的产物已知比原始的活性材料具有明显更低的密度。因此，即使在放电期间锂阳极被消耗，包含在电池内的所有材料的整体体积也会增加，由此向电池容器施加了向外的膨胀力。这些力可能是每平方英寸上数千磅压力的级别，并且已知会引起所述容器的凸起甚至开裂。即使使用高环形强度的圆柱形容器（与棱柱式要素相比），施加在内部成分（尤其是隔板）上的力也可能足够强以物理地使这些材料受到损害，由此引起直接短路和/或使电池无法输出其期望的容量。事实上，锂-二硫化铁电池的膨胀问题可能比二次电池系统中观测到的“隆起”问题大得多，这进一步证实了锂二次电池设计对于锂-二硫化铁一次系统所存在的独有问题的不适用性。

处理这些问题的一种建议方式是在理想的内部体积利用和可接受的LiFeS₂电池容量/性能之间找到适当的平衡。例如，美国专利No.4,379,815公开了一种可行方案，通过将一种或多种其它活性材料（诸如CuO、Bi₂O₃、Pb₂Bi₂O₅、P₃O₄、CoS₂）与黄铁矿混合，在阴极膨胀和阳极收缩之间进行平衡，尽管——相比于与之相当的纯锂-二硫化铁的电池——这些额外的材料可能对所期望的电池放电特性和电池的容量和效率有负面影响。