锂一次电池的制作方法

文档序号:6987825阅读:217来源:国知局
专利名称:锂一次电池的制作方法
技术领域
本发明涉及制备锂一次电池的方法,所述电池具有包含锂的阳极和包含二硫化铁的阴极。
背景技术
具有锂阳极的一次(非可再充电的)电化学电池为人们所已知,并且具有广泛的商业用途。阳极基本上由锂金属构成。一类一次锂电池具有包括二硫化铁(FeS2)的阴极, 二硫化铁也称为硫铁矿。此类电池称为电池,并且还可包括含锂盐的电解质,例如溶解于至少一种有机溶剂中的三氟甲基磺酸锂(LiCF3SO3)。这些电池在本领域中被称为一次锂电池且一般不旨在为可再充电的。这些电池可为圆柱形电池的,例如AA尺寸或AAA尺寸的电池,或可为棱柱状电池的形式。用于制造商业电池的二硫化铁阴极材料可从天然黄铁矿矿石中加工得到,所述矿石可天然包含多种杂质,如SJe2+、i^3+、S042_、H+、以及其他杂质。在二硫化铁材料中的杂质当掺入到组装好的电池中时,可对电池总体性能产生不良影响。杂质可直接与阳极或阴极材料反应。此类反应可导致组装好的电池的储存寿命减少和容量降低。此外,杂质可直接与电解质反应并可降低其总体稳定性。这也可导致与阳极或阴极材料的副反应,其可减少电池储存寿命和降低电池容量。因此,电解质的降解可生成气体,所述气体可提高电池内部压力。电池压力提高可导致由电解质从电池中渗漏或排出引起的不安全状况。此外,来自一些污染物的铁可溶解在电解质中并扩散到锂阳极与其反应。这一反应可改变锂表面并可对放电性能产生负面影响。用于制造商业电池的二硫化铁阴极材料由于1 在采矿后的储存期间暴露于多种天气条件下(如下雨或潮湿),可能天然是酸性的。在经加工使其具有适用于商业电池的性能后,二硫化铁粉末可储存在适宜的包装内以在用于电池组装过程之前长时间保存,例如长达六个月。在贮藏期间,二硫化铁材料可与大气中的水分和/或空气反应以形成多种杂质,例如 H2S、H2S04、FeS04、FeSO4 · nH20, Fe2 (SO4) 3> Fe2 (SO4) 3 · ηΗ20、以及其他杂质。当此类杂质进入组装好的电池内时,可降低电池的总体性能和安全特性。例如酸性反应物可与电池内部组分反应,如集流体、阳极、或其他金属电池部件,潜在地降低电池性能和电池构造刚度。酸性反应物的存在也可导致电解质溶液聚合,这可对电池总体性能产生负面影响。在贮藏期间抑制酸性产物形成的常见方法为在贮藏之前将缓冲液例如碳酸钙 (CaCO3)直接与FeS2粉末混合。例如,加入大约2. 5重量%的CaCO3到FeS2中可通过中和贮藏期间当1 与空气中的水分反应时产生的酸性产物,额外延长贮藏时间六个月。中和反应的一些反应产物(杂质)可包括例如CaS04、CaSO4 · 2H20、CaS, CaSO3JP C02。混合缓冲液如CaCO3与1 粉末可不受限制。例如CaCO3可作为绝缘体,其可抑制1 的导电性并可降低电池总体放电性能,尤其是在高放电率情况下更是如此。此外,CaCO3的密度小于 1 的密度。将CaCO3W入阴极粉末中占用了本来由活性阴极材料(例如I^eS2)所占的空间,这将直接有利于组装好的电池容量并因此有利于总体性能。
需要从电极材料如二硫化铁中移除杂质,其被随后掺入组装好的电池中。掺入杂质可导致电极组件具有相对较高的总体电阻,这可降低组装好的电池的总体放电性能。此外,掺入杂质可导致可用于活性组分的体积较少,这对组装好的电池的总体放电性能具有正面影响。本发明公开了在电池组装之前从电极或电极材料中移除杂质的方法,这可改善电池总体性能,尤其是在高放电率情况下。

发明内容
本发明的一个方面的特征在于处理阴极电极组件的方法。该方法可包括提供包含二硫化铁的电极。电极可与包含酸的溶液接触以从电极中除去杂质。然后可在致使电极含水量小于约2500ppm的条件下干燥所述电极。在一些具体实施方案中,包含酸的溶液可为有机酸、无机酸、以及它们的混合物。 在一些实例中,包含酸的溶液可为硫酸、乙酸、甲酸、草酸、以及它们的混合物。包含酸的溶液的PH值可为约6. 5或更低。包含酸的溶液可暴露于频率介于约38kHz和约50kHz之间的超声波。在一些具体实施方案中,电极材料可在约190°C至约350°C的温度下干燥。电极可在真空下干燥。电极可在惰性气氛中干燥。在一些实例中,电极可在气体Ar、N2、以及它们的混合物中干燥。在一些具体实施方案中,电极可与PH值为约6. 5或更高的中和溶液接触以调节电极的PH值。在一些实例中,中和溶液可为吐0、妝0!1、1(0!1、1^0!1丄3(0 )2、朋40!1、以及它们的混合物。中和溶液的温度可为至少约16°C。中和溶液可经频率为约38kHz至约50kHz的超
声波处理。本发明的另一方面的特征在于具有通过本发明方法处理的阴极电极组件的电池。 该方法可包括提供包含二硫化铁的电极。电极可与包含酸的溶液接触以从电极中除去杂质。然后可在致使电极含水量小于约2500ppm的条件下干燥所述电极。本发明的另一方面的特征在于处理阴极电极材料的方法。该方法可包括提供包含二硫化铁的阴极电极材料。该材料可与包含酸的溶液接触以从材料中除去杂质。然后可在致使电极含水量小于约10,OOOppm的条件下干燥所述材料。在一些具体实施方案中,包含酸的溶液可为有机酸、无机酸、以及它们的混合物。 在一些实例中,包含酸的溶液可为硫酸、乙酸、甲酸、草酸、以及它们的混合物。包含酸的溶液的PH值可为约6. 5或更低。包含酸的溶液可经受频率为约38kHz至约50kHz的超声波处理。在一些具体实施方案中,材料在约50°C至约350°C的温度下干燥。材料可在真空下干燥。材料可在惰性气氛中干燥。在一些实例中,材料可在气体Ar、N2、以及它们的混合物中干燥。在一些具体实施中,该材料可接触pH值为约6. 5或更高的中和溶液以调节材料的 PH值。在一些实例中,中和溶液可为H20、Na0H、K0H、Li0H、Ca(0H)2、NH40H、以及它们的混合物。中和溶液的温度可为至少约16°C。中和溶液可暴露于频率为约38kHz至约50kHz的超声波。本发明的另一方面特征在于具有通过本发明方法处理的阴极电极材料的电池。该方法可包括提供包含二硫化铁的阴极电极材料。该材料可与包含酸的溶液接触以从材料中除去杂质。然后可在致使材料含水量小于约10,OOOppm的条件下干燥所述材料。


虽然在说明书之后提供了特别指出和清楚地要求保护本发明的权利要求书,但是据信通过下面的描述并结合附图可以更好地理解本发明。图1是圆柱形电池的示图。图2是用于从阴极电极组件中除去杂质的本发明方法的流程示意图。图3是用于从阴极电极组件中除去杂质的本发明另一种方法的流程示意图。图4是用于从阴极电极材料中除去杂质的本发明方法的流程示意图。图5是用于从阴极电极材料中除去杂质的本发明另一种方法的流程示意图。
具体实施例方式参见图1,一次电化学电池10包括与负极引线14电接触的含锂阳极12、与正极引线18电接触的含二硫化铁的阴极16、隔板20、以及电解质。可将阳极12和阴极16、以及位于其间的分隔体20卷成通常称为果冻卷的组件。阳极12、阴极16、分隔体20和电解质包含在外壳22内。电化学电池10还包括顶盖M和环形的绝缘垫圈沈以及安全阀观。阴极 16优选地包含二硫化铁、导电性碳粒和粘合剂的共混物。阴极电极组件可由包含二硫化铁(FeS2)阴极活性材料的阴极浆料形成。如本文所用,术语“浆料”将具有其普通字典的含义并且因此被理解为表示固体颗粒在液体中的分散体或悬浮液。可将该浆料涂覆到基板的至少一面上,例如导电基底如铝箔或不锈钢。阴极浆料一般可在环境条件下(例如在约22°C)形成。阴极浆料还可包括导电性碳粒(例如, 乙炔黑和石墨);聚合物粘合剂材料;和溶剂。1 和碳颗粒可通过聚合物粘结到基底上, 所述聚合物可为例如弹性体嵌段共聚物,例如苯乙烯-乙烯/ 丁烯-苯乙烯(SEBQ嵌段共聚物如Kraton G1651弹性体(Kraton Polymers,Houston, Texas) 这种聚合物为成膜剂, 并且对阴极混合物中的FeS2颗粒以及导电性碳粒添加剂具有良好的亲和力和粘结性。此外,聚合物表现出在电解质中的稳定性。涂覆过的基板可形成润湿的阴极电极组件。溶剂然后可蒸发,留下干燥阴极涂层混合物,所述混合物包含1 、导电性碳粒、和彼此粘合并粘合到基板上的聚合物粘合剂, 从而产生阴极电极组件。在一些具体实施方案中,可涂覆并干燥所述片材的一面,然后涂覆并干燥所述片材的另一面。无论是涂覆基板的一面还是两面,都形成阴极电极组件,其可经压延以将阴极涂层压到所述基板的一面或两面上。按干燥基计,阴极电极组件通常可包含按重量计不超过约6%的粘合剂和按重量计约85至约95%的狗&。阴极电极组件可利用连续涂覆方法制造,其中片段(均具有单独阴极尺寸)可被涂覆到基板上并可被未涂覆区域分隔开。未涂覆区域可称作“无质量区”(MZF),并且可起到使阴极插片高度可靠地焊接到基板上的作用。在一些实施方案中,MFZ的宽度可为约Ilmm 至约15mm。然后阴极电极组件的连续片材卷绕成卷盘以便于操作及用于后续的制造过程。参见图2,图中描述了从阴极电极组件中除去前述杂质的方法。阴极电极组件可接触包含酸41的溶液。阴极电极组件可通过多种技术接触包含酸的溶液,例如将该组件浸入包含酸的溶液浴中或用包含酸的溶液喷洒该组件。喷雾大小在压力下可从小水流到细雾以不破坏阴极电极结构。阴极电极组件与包含酸的溶液接触可在约30秒至约60分钟的时间范围内发生。接触阴极电极组件的包含酸的溶液温度可为至少约16°C。优选地,包含酸的溶液温度可为约20°C至约40°C,例如约22°C。包含酸的溶液温度提高可增加杂质的溶解度并因此可提高杂质移除效率。然而太高的温度可导致阴极电极组件的阴极材料降解。当可将此类阴极电极组件加入组装好的电池中时,电池性能可降低。包含酸的溶液可包含一种或多种有机酸、一种或多种无机酸、或它们的混合物。例如,包含酸的溶液可包括硫酸、乙酸、甲酸、草酸、以及它们的混合物。包含酸的溶液的PH值一般可为约6. 5或更低。例如,包含酸的溶液的pH值可为约2至约4。更具体地讲,包含酸的溶液的PH值可为约3. 5。与包含酸的溶液接触的阴极电极组件可被干燥43,例如通过将其置于高温烘箱内进行干燥。可将烘箱温度设置为例如约190°C至约350°C。烘箱温度可为约250°C至约 300°C。在某些情况下,烘箱的气氛可为惰性气体,例如Ar為、以及它们的混合物,或在真空下干燥,以防止阴极电极组件暴露于空气中。如果阴极电极组件在此类高温下暴露于空气中,可发生二硫化铁的降解并可降低组装好的电池的总体性能。干燥过程持续的时间使得阴极电极组件通过如下文所述的Karl-Fischer分析测得的水分小于约2500ppm。优选地, 阴极电极组件的总含水量可小于约1200ppm。一般可使用Karl-Fischer分析以测定材料含水量。可将待分析的材料置于石英托盘中,然后可将该托盘置于高温烘箱内。烘箱可连接滴定分析仪。取决于需分析的材料, 可将材料在烘箱内加热到不同温度,例如约100°C至约300°C。氮气流可从烘箱中的材料上将水分带入滴定分析仪中。包含水分的氮气流流入滴定分析仪的时间可不同,例如从约 1分钟至约60分钟。滴定分析仪可与计算机相连接,所述计算机具有可计算指定温度下材料中包含的水分的软件。在某些情况下,可能需要在多个温度设置下进行若干次分析以从需分析的材料中传送水分。可组合一组分析结果以测定材料的总含水量。例如,用包含酸的溶液处理的阴极电极组件可通过Karl-Fischer分析,以约115°C的烘箱温度、约10分钟的滴定时间进行分析。然后可将烘箱温度遽升至约300°C,进行约20分钟的滴定。该样品的滴定分析将是连续的,并且总时间将为约30分钟。将在每个温度下测定的电极材料的含水量结果加起来以测定阴极电极组件的总含水量。以这一方法分析的阴极电极组件可具有小于约2500ppm的总含水量结果。优选地,以这一方法分析的阴极电极组件可具有小于约 1200ppm的总含水量结果。在干燥阴极电极组件之前,从与包含酸的溶液42接触的阴极电极组件中除去过多的包含酸的溶液是可能的,例如通过将其置于高温烘箱内。可将烘箱温度设置为例如约 40°C至约80°C。烘箱温度优选地可为约60°C。在某些情况下,烘箱的气氛可为惰性气体, 例如Ar、N2、以及它们的混合物,或在真空下干燥,以防止阴极电极组件暴露于高温空气中。 此外,可通过使电极组件长时间保持暴露于环境大气中来除去过多的包含酸的溶液。此外, 可通过使电极组件通过流体介质如Ar或队的喷雾来除去过多的包含酸的溶液。然后可将所得阴极电极组件加入电池电极组件44如果冻卷以构造电池45。所得电池与不加入接触包含酸的溶液的阴极电极组件的类似构造电池相比可具有改善的性能和安全特性。
参见图3,图中描述了从阴极电极组件中除去前述杂质的另一种方法。阴极电极组件可接触包含酸的溶液51。阴极电极组件可通过多种技术接触包含酸的溶液,例如将该组件浸入包含酸的溶液浴中或用包含酸的溶液喷洒该组件。喷雾大小在压力下可从小水流到细雾以不破坏阴极电极结构。阴极电极组件与包含酸的溶液接触可在约30秒至约60分钟的时间内发生。接触阴极电极组件的包含酸的溶液温度可为至少约16°C。优选地,包含酸的溶液温度可为约20°C至约40°C,例如约22°C。包含酸的溶液温度提高可增加杂质的溶解度并因此可提高杂质移除效率。然而太高的温度可导致阴极电极组件的阴极材料降解。当可将此类阴极电极组件加入组装好的电池中时,电池性能可降低。包含酸的溶液可包含一种或多种有机酸、一种或多种无机酸、或它们的混合物。例如,包含酸的溶液可包括硫酸、乙酸、甲酸、草酸、以及它们的混合物。包含酸的溶液的PH值一般可为约6. 5或更低。例如,包含酸的溶液的pH值可为约2至约4。更具体地讲,包含酸的溶液的PH值可为约3. 5。阴极电极组件可接触中和溶液52。阴极电极组件可通过多种技术接触中和溶液, 例如将该组件浸入中和溶液浴中或用中和溶液喷洒该组件。中和溶液喷雾大小在压力下可从小水流到细雾以不破坏阴极电极结构。阴极电极组件与中和溶液接触可在约30秒至约 10分钟的时间内发生。可接触阴极电极组件的中和溶液温度可为至少约16°C。优选地,中和溶液温度可为约20°C至约40°C,例如约22°C。中和溶液温度提高增加杂质的溶解度并因此可提高杂质移除效率。如果阴极电极组件在此类高温下暴露于中和溶液中,可发生二硫化铁的降解并可降低组装好的电池的总体性能。中和溶液可包括水。优选地,水已经经过处理,例如经蒸馏或去离子以除去固有的杂质。此外,中和溶液可包含一种或多种碱金属氢氧化物(组IA)、碱土金属氢氧化物(组 IIA)、以及它们的混合物。例如,中和溶液在水溶液中可包含NaOH, KOH、LiOH, Ca(OH)2、 NH4OH,以及它们的混合物。中和溶液的pH值一般可为约6. 5或更高。与中和溶液接触的阴极电极组件可被干燥M,例如通过将其置于高温烘箱内进行干燥。可将烘箱温度设置为例如约190°C至约350°C,优选地烘箱温度为约250°C至约 300°C。在某些情况下,烘箱的气氛可为惰性气体,例如Ar、N2、以及它们的混合物,或在真空下干燥,以防止阴极电极组件暴露于空气中。如果阴极电极组件在此类高温下暴露于空气中,可发生二硫化铁的降解并可降低组装好的电池的总体性能。干燥过程持续的时间使得阴极电极组件通过如上文所述的Karl-Fischer —般方法及其实例测得的总水分小于约 2500ppm。优选地,阴极电极组件的总含水量可小于约1200ppm。作为一个附加步骤53,在干燥阴极电极组件之前从与中和溶液接触的阴极电极组件中除去过多的中和溶液是可能的,例如通过将其置于高温烘箱内。可将烘箱温度设置为例如约40°C至约80°C,优选地烘箱温度为约60°C。在某些情况下,烘箱的气氛可为惰性气体,例如Ar、N2、以及它们的混合物,或在真空下干燥,以防止阴极电极组件暴露于高温空气中。此外,可通过使电极组件长时间保持暴露于环境大气中来除去过多的中和溶液。此外, 可通过使电极组件通过流体介质如Ar或队的喷雾来除去过多的中和溶液。在一些实施方案中,在干燥之前还可用水(例如蒸馏水或去离子水)洗涤阴极电极组件以帮助除去中和溶液。然后可将所得阴极电极组件加入电池电极组件55如果冻卷以构造电池56。所得电池与不加入接触包含酸的溶液或蒸汽的阴极电极组件的类似构造电池相比可具有改善的性能和安全特性。参见图4,图中描述了从阴极电极材料中除去前述杂质的方法。阴极电极材料可为二硫化铁。阴极电极材料也可为二硫化铁和一种或多种缓冲液材料的混合物,缓冲液材料如碳酸钙、氢氧化锂、以及它们的混合物。此外,阴极电极材料可为二硫化铁、缓冲液材料、 以及碳颗粒的混合物。阴极电极材料可接触包含酸的溶液61。阴极电极材料可通过多种技术接触包含酸的溶液,例如将该材料浸入包含酸的溶液浴中或用包含酸的溶液喷洒该材料。阴极电极材料可与包含酸的溶液在水浴中接触,所述水浴可同时进行搅拌。包含酸的溶液喷雾大小在压力下可从小水流到细雾以不破坏阴极电极材料。阴极电极材料与包含酸的溶液接触可在约30秒至约60分钟的时间内发生。接触阴极电极材料的包含酸的溶液温度可为至少约16°C。优选地,包含酸的溶液温度可为约20°C至约40°C,例如约22°C。溶液温度提高可增加杂质的溶解度并因此可提高杂质移除效率。然而太高的温度可导致阴极电极材料降解。当此类阴极电极材料用于浆料内并加入可随后用于组装好的电池中的阴极电极组件时,降低所述电池的性能。包含酸的溶液可包含一种或多种有机酸、一种或多种无机酸、或它们的混合物。例如,包含酸的溶液可包括硫酸、乙酸、甲酸、草酸、以及它们的混合物。包含酸的溶液的PH值一般可为约6. 5或更低。例如,包含酸的溶液的pH值可为约2至约4。更具体地讲,包含酸的溶液的PH值可为约3. 5。与包含酸的溶液接触的阴极电极材料可被干燥63,例如通过将其置于高温烘箱内进行干燥。可将烘箱温度设置为例如约50°C至约350°C,优选地烘箱温度为约60°C至约 150°C。在某些情况下,烘箱的气氛可为惰性气体,例如Ar為、以及它们的混合物,或在真空下干燥,以防止阴极材料暴露于空气中。如果阴极电极材料在此类高温下暴露于空气中,可发生二硫化铁的降解并可降低组装好的电池的总体性能。干燥过程持续的时间使得阴极电极材料通过如上文所述的Karl-Fischer —般方法及其实例测得的水分小于约10,OOOppm0 优选地,阴极电极材料的总含水量可小于约2,OOOppm0作为一个附加步骤62,在干燥阴极材料组件之前从与包含酸的溶液接触的阴极电极材料中除去过多的包含酸的溶液是可能的,例如通过将其置于高温烘箱内。可将烘箱温度设置为例如约50°C至约350°C,优选地烘箱温度为约60°C至约150°C。在某些情况下,烘箱的气氛可为惰性气体,例如Ar、队、以及它们的混合物,或在真空下干燥,以防止阴极电极材料暴露于高温空气中。此外,可通过使阴极电极材料长时间保持暴露于环境大气中来除去过多的包含酸的溶液。此外,可通过使阴极电极材料通过流体介质如Ar或队的喷雾来除去过多的包含酸的溶液。然后可将所得阴极电极材料加入阴极电极组件64,例如将阴极电极材料加入浆料中,所述浆料被压延到基板的一面或两面上,其随后可被加入电池电极组件65如果冻卷用于构造电池66。所得电池与不加入接触酸的阴极电极材料的类似构造电池相比可具有改善的性能和安全特性。参见图5,图中描述了从阴极电极材料中除去前述杂质的另一种方法。阴极电极材料可为二硫化铁。阴极电极材料也可为二硫化铁和一种或多种缓冲液材料的混合物,缓冲液材料如碳酸钙、氢氧化锂、以及它们的混合物。此外,阴极电极材料可为二硫化铁、缓冲液
8材料、以及碳颗粒的混合物。阴极电极材料可接触包含酸的溶液71。阴极电极材料可通过多种技术接触包含酸的溶液,例如将该材料浸入包含酸的溶液浴中或用包含酸的溶液喷洒该材料。阴极电极材料可与包含酸的溶液在水浴中接触,所述水浴可同时进行搅拌。包含酸的溶液喷雾大小在压力下可从小水流到细雾以不破坏阴极电极结构。阴极电极材料与包含酸的溶液接触可在30秒至60分钟的时间内发生。可接触阴极电极材料的包含酸的溶液温度可为至少约16°C。优选地,包含酸的溶液温度可为约20°C至约40°C,例如约22°C。包含酸的溶液温度提高可增加杂质的溶解度并因此可提高杂质移除效率。然而太高的温度可导致阴极电极材料降解。当此类阴极电极材料可用于浆料内并加入可随后用于组装好的电池中的阴极电极组件时,可降低所述电池的性能。包含酸的溶液可包含一种或多种有机酸、一种或多种无机酸、或它们的混合物。例如,包含酸的溶液可包括硫酸、乙酸、甲酸、草酸、以及它们的混合物。包含酸的溶液的PH值一般可为约6. 5或更低。例如,包含酸的溶液的PH值可为约2至约4。更具体地讲,包含酸的溶液的PH值可为约3. 5。阴极电极材料可接触中和溶液72。阴极电极材料可通过多种技术接触中和溶液, 例如将该材料浸入中和溶液浴中或用中和溶液喷洒该材料。阴极电极材料可与中和溶液在水浴中接触,所述水浴可同时进行搅拌。中和溶液喷雾大小在压力下可从小水流到细雾以不破坏阴极电极结构。阴极电极材料与中和溶液接触可在约30秒至约10分钟的时间内发生。可接触阴极电极材料的中和溶液温度可为至少约16°C。优选地,中和温度可为约20°C 至约40°C,例如约22°C。中和溶液温度提高增加杂质的溶解度并因此提高杂质移除效率。 如果阴极电极材料在此类高温下暴露于中和溶液中,可发生二硫化铁的降解并可降低组装好的电池的总体性能。中和溶液可包括水。优选地,水已经过处理,例如经蒸馏或去离子以除去天然的杂质。此外,中和溶液可包含一种或多种碱金属氢氧化物(组IA)、碱土金属氢氧化物(组 IIA)、以及它们的混合物。例如,中和溶液在水溶液中可包含NaOH, KOH、LiOH, Ca(OH)2、 NH4OH,以及它们的混合物。中和溶液的pH值一般可为约6. 5或更高。与中和溶液接触的阴极电极材料可被干燥74,例如通过将其置于高温烘箱内进行干燥。可将烘箱温度设置为例如约50°C至约350°C,优选地烘箱温度为约60°C至约 150°C。在某些情况下,烘箱的气氛可为惰性气体,例如Ar、队、以及它们的混合物,或在真空下干燥,以防止阴极电极材料暴露于空气中。如果阴极电极材料在此类高温下暴露于空气中,可发生二硫化铁的降解并可降低组装好的电池的总体性能。干燥过程持续的时间使得阴极电极材料通过如上文所述的Karl-Fischer —般方法及其实例测得的总水分小于约 10, OOOppm0优选地,阴极电极组件的总含水量可小于约1200ppm。作为一个附加步骤73,在干燥阴极电极材料之前从与中和溶液接触的阴极电极材料中除去过多的中和溶液是可能的,例如通过将其置于高温烘箱内。可将烘箱温度设置为例如约40°C至约80°C,优选地烘箱温度为约60°C。在某些情况下,烘箱的气氛可为惰性气体,例如Ar、N2、以及它们的混合物,或在真空下干燥,以防止阴极电极材料暴露于空气中。 此外,可通过使电极材料长时间保持暴露于环境大气中来除去过多的中和溶液。此外,可通过使电极材料通过流体介质如Ar或N2的喷雾来除去过多的中和溶液。在一些实施方案中, 在干燥之前还可用水(例如蒸馏水或去离子水)洗涤阴极电极材料以帮助除去中和溶液。
然后可将所得阴极电极材料加入阴极电极组件74,例如将阴极电极材料加入浆料中,所述浆料被压延到基板的一面或两面上,其随后可被加入电池电极组件75如果冻卷用于构造电池76。所得电池与不加入接触酸的阴极电极材料的类似构造电池相比可具有改善的性能和安全特性。当将阴极电极组件或阴极电极材料浸入包含酸的溶液浴中时,也可使用超声波以提高从其中除去杂质的效率,如图2,41 ;图3,51 ;图4,61 ;或图5,71所示。例如可将阴极电极组件或阴极电极材料置于包含酸的溶液浴中或暴露于频率为约38kHz至约50kHz的超声波下。优选地,超声波频率为约40kHz。当将阴极电极组件或阴极电极材料浸入中和溶液浴中时,也可使用超声波以提高其中和效率,如图3,52或图5,72所示。例如可将阴极电极组件或阴极电极材料置于中和溶液浴中或暴露于频率为约38kHz至约50kHz的超声波下。优选地,超声波频率可为约40kHz。实施例共混二硫化铁、石墨、炭黑、和Kraton的浆料并将其涂覆在铝箔基板的两面上以制备阴极电极组件。干燥阴极电极组件,然后将其厚度(包括基板的两个面以及基板)压延为0. 0178cm。阴极电极组件的组合物按干燥基计为按重量计89%的1 ,按重量计7% 的石墨,按重量计的炭黑,以及按重量计3 ^WKraton G1651。然后将阴极电极组件切割成宽度4. 1cm、长度四.2cm的尺寸,然后接触包含5%体积乙酸和95%体积去离子水的环境包含酸的溶液浴5分钟以除去杂质。施用频率为40kHz 的超声波到包含酸的溶液浴中以辅助杂质去除。从浴槽中排出酸洗液,然后加入等同体积的去离子水至浴槽中作为漂洗溶液。该漂洗持续5分钟并且不涉及应用超声波。从浴槽中排出该漂洗溶液,然后将组件置于设为60°C、小于0. ImmHg真空的烘箱内16小时以除去过多的水。阴极电极组件有一个焊接到其上的插片,然后将其置于设为2M°C、小于0. ImmHg 真空的烘箱内8小时。在处理后,通过前文段落中所述的方法完成通过Karl-Fischer分析进行的阴极电极组件水分分析。在115°C进行10分钟的Karl-Fischer分析显示约150ppm的含水量。 在300°C进行20分钟的Karl-Fischer分析显示约450ppm的含水量。通过Karl-Fischer 分析测量得到的经处理阴极电极组件的总含水量为约600ppm。然后将处理过的阴极电极组件加入组装好的AALi/Fe&电池中。放电性能测试按照常称为数字照相机测试或Digicam的规程进行。所述规程包括向电池施用脉冲放电循环。每个循环由两部分组成1. 5瓦特脉冲持续2秒,接着立即进行 0. 65瓦特脉冲持续观秒。在10次连续脉冲后,然后电池停歇55分钟,随后进行第二循环的规定脉冲方案。继续重复进行这些循环直至达到1.05V的截止电压。记录达到截止电压所需的1.5瓦特脉冲的总数目。组装电池包括如上所述的使电极组件接触包含5%体积乙酸和95%体积去离子水的溶液、然后用去离子水中和、然后干燥。在环境贮藏后预放电3%的电池容量,对电池进行Digicam测试。所述电池可表现出平均619次循环,这相对于包括不按照本发明进行处理的阴极电极组件的电池改善了约6 %。本文所公开的量纲和值不旨在被理解为严格地限于所述的精确值。相反,除非另外指明,每个这样的量纲是指所引用的数值和围绕该数值的功能上等同的范围。例如,公开为“40mm”的量纲旨在表示“约40mm”。除非明确排除或换句话讲有所限制,本文中引用的每一个文件,包括任何交叉引用或相关专利或专利申请,均据此以引用方式全文并入本文。对任何文献的引用均不是承认其为本文公开的或受权利要求书保护的任何发明的现有技术、或承认其独立地或以与任何其他一个或多个参考文献的任何组合的方式提出、建议或公开任何此类发明。进一步,如果此文献中术语的任何含义或定义与任何以引用方式并入本文的文献中相同术语的任何含义或定义相冲突,将以此文献中赋予那个术语的含义或定义为准。尽管举例说明和描述了本发明的特定实施方案,但是对于本领域的技术人员显而易见的是,在不脱离本发明的实质和范围的情况下可作出许多其它的改变和变型。因此,所附权利要求旨在涵盖处于本发明范围内的所有这些改变和变型。
权利要求
1.一种用于处理阴极电极组件的方法,所述方法包括以下步骤 提供包含二硫化铁的电极;使所述电极与包含酸的溶液接触以从所述电极中除去杂质;以及在致使电极含水量小于约2500ppm的条件下干燥所述电极。
2.一种用于处理阴极电极材料的方法,所述方法包括以下步骤 提供包含二硫化铁的电极材料;使所述电极材料与包含酸的溶液接触以从所述材料中除去杂质;以及在致使电极材料含水量小于约10,OOOppm的条件下干燥所述电极材料。
3.如权利要求1或2所述的方法,其中所述包含酸的溶液选自由下列组成的组有机酸、无机酸、以及它们的混合物。
4.如前述任一项权利要求所述的方法,其中所述包含酸的溶液选自由下列组成的组 硫酸、乙酸、甲酸、草酸、以及它们的混合物。
5.如前述任一项权利要求所述的方法,其中所述包含酸的溶液具有约6.5或更低的pH值。
6.如权利要求1或2所述的方法,其中使所述电极或电极材料与所述包含酸的溶液接触,同时结合使用频率介于约38kHz和约50kHz之间的超声波。
7.如权利要求1或2所述的方法,其中所述电极或电极材料在真空下干燥。
8.如权利要求1或2所述的方法,其中所述电极或电极材料在惰性气氛中干燥。
9.如权利要求1或2所述的方法,其中所述电极或电极材料在选自由下列组成的组中的气氛中干燥Ar、N2、以及它们的混合物。
10.如权利要求1或2所述的方法,其中还使所述电极或电极材料与PH值为约6.5或更高的中和溶液接触以调节所述电极的PH值。
11.如权利要求10所述的方法,其中所述中和溶液选自由下列组成的组H20、NaOH, KOH、LiOH, Ca (OH)2, NH4OH,以及它们的混合物。
12.如权利要求1或2所述的方法,其中使所述电极或电极材料在至少约16°C的温度下与中和溶液接触。
13.如权利要求1或2所述的方法,其中使所述电极或电极材料与所述中和溶液接触, 同时结合使用频率介于约38kHz和约50kHz之间的超声波。
14.电池,其具有如权利要求1所述的电极。
全文摘要
一种用于处理阴极电极组件的方法。所述方法包括提供包括二硫化铁的电极并使所述电极接触包含酸的溶液以从所述电极中除去杂质。然后可在不同条件下干燥所述电极。干燥后所述电极的含水量可小于约2500ppm。
文档编号H01M4/58GK102396088SQ201080016571
公开日2012年3月28日 申请日期2010年4月12日 优先权日2009年4月14日
发明者M·D·斯利格尔, M·波津, N·N·伊萨夫 申请人:吉列公司
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