如导电碳，例如炭黑（例如Vulcan XC72R炭黑、Printex XE2 或 Akzo Nobel Ketjen EC-600JD)、石墨纤维、石墨纤丝、石墨粉（例如 Fluka#50870)、 活性碳纤维、碳织物、非活性碳纳米纤维。导电填料的其它非限定性实例包括金属涂覆玻 璃颗粒、金属颗粒、金属纤维、纳米颗粒、纳米管、纳米丝、金属薄片、金属粉、金属纤维、金属 网。在一些实施方案中，导电填料可包含导电聚合物。合适电活性导电聚合物的实例包括 但不限于选自聚吡咯、聚苯胺、聚苯撑、聚噻吩和聚乙炔的电活性和电子导电聚合物。本领 域技术人员已知的其它导电材料也可用作导电填料。如果存在的话，导电填料的量可以以 阴极活性层的2-30重量％的范围存在。阴极还可进一步包含其它添加剂，包括但不限于金 属氧化物、氧化铝、二氧化硅和过渡金属硫属元素化物。
[0147] 阴极还可包含粘合剂。粘合剂材料的选择可宽泛地变化，条件是它对阴极中的其 它材料而言为惰性的。在一些实施方案中，粘合剂材料可以为聚合物材料。聚合物粘合 剂材料的实例包括但不限于聚偏二氟乙烯（PVDF)基聚合物如聚（偏二氟乙烯）（PVDF)、 PVF2&其与六氟乙烯、四氟乙烯、氯三氟乙烯的共聚物和三聚物，聚（氟乙烯）、聚四氟乙烯 (PTFE)、乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE)、聚丁二烯、氰乙基纤维素、羧甲基纤维素及其与苯 乙稀-丁二稀橡胶的混合物、聚丙稀腈、乙稀-丙稀-二稀（EPDM)橡胶、乙稀丙稀二稀三 聚物、苯乙烯-丁二烯橡胶（SBR)、聚酰亚胺或乙烯-乙酸乙烯酯共聚物。在一些情况下， 粘合剂材料可基本可溶于含水液体载体中，并且可包括但不限于纤维素衍生物，通常甲基 纤维素（MC)、羧甲基纤维素（CMC)和羟丙基甲基纤维素（HPMC)、聚乙烯醇（PVA)、聚丙烯酸 盐、聚丙烯酰胺（PA)、聚乙烯基吡咯烷酮（PVP)和聚氧化乙烯（PEO)。在一组实施方案中， 粘合剂材料为可对电池组分，包括聚硫化物呈化学中性（例如惰性）的聚（乙烯-Co-丙 烯-co-5-亚甲基-2-降冰片烯）（EPMN)。也可使用UV可固化丙烯酸酯、UV可固化甲基丙 烯酸酯和可热固化二乙烯醚。如果存在的话，粘合剂的量可以以阴极活性层的2-30重量％ 的范围存在。
[0148] 其它合适的阴极材料也是可能的。例如，用于碱金属离子电池（例如锂离子电池） 的阴极也是可能的。
[0149] 如上所述，除电极和存在于电池内的其它组分外，组装的电化学电池包含电解质。 用于电化学电池中的电解质可充当用于储存和输送离子的介质，并且在固体电解质和凝胶 电解质的特殊情况下，这些材料还可充当阳极与阴极之间的隔片。可使用能够在阳极与阴 极之间储存和输送离子的任何合适液体、固体或凝胶材料。电解质可以为非电子传导性的 以防止阳极与阴极之间短路。在一组实施方案中，使用非水基电解质；在另一组实施方案 中，使用含水基电解质。
[0150] 在一些实施方案中，电解质可作为聚合物层如凝胶或固体聚合物层存在。在一些 情况下，除能够充当储存和输送离子的介质外，位于阳极与阴极之间的聚合物层可用于掩 蔽阳极（例如阳极的基础电极层）以防在所施加的力或压力下任何阴极粗糙度，在该力或 压力下保持阳极表面光滑，并通过保持多层压在基础电极层与光滑聚合物层之间而使阳极 的任何多层结构（例如陶瓷聚合物多层）稳定化。在一些这类实施方案中，可选择聚合物 层是适应的且具有光滑表面。
[0151] 电解质可包含一种或多种离子电解质盐以提供离子传导性，以及一种或多种液 体电解质溶剂、凝胶聚合物材料或聚合物材料。合适的非水电解质可包含有机电解质， 其包含一种或多种选自液体电解质、凝胶聚合物电解质和固体聚合物电解质的材料。用 于裡电池的非水电解质的实例由Dorniney描述于Lithium Batteries，New Materials， Developments and Perspectives，第 4 章，第 137-165 页，Elsevier，Amsterdam(1994) 中。凝胶聚合物电解质和固体聚合物电解质的实例由Alamgir等人描述于Lithium Batteries, New Materials, Developments and Perspectives,第 3 章，第 93-136 页， Elsevier, Amsterdam(1994)中。
[0152] 有用的非水液体电解质溶剂的实例包括但不限于非水有机溶剂，例如N-甲基乙 酰胺、乙腈、乙缩醛、缩酮、酯、碳酸酯、砜、亚硫酸盐、环丁砜、脂族醚、无环醚、环醚、乙二醇 二甲醚、聚醚、磷酸酯、硅氧烷、二氧戊环、N-烷基吡咯烷酮、前述的取代形式及其混合物。可 使用的无环醚的实例包括但不限于二乙醚、二丙醚、二丁醚、二甲氧基甲烷、三甲氧基甲烷、 二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、1，2-二甲氧基丙烷和1，3-二甲氧基丙烷。可使用的环醚的 实例包括但不限于四氢呋喃、四氢吡喃、2-甲基四氢呋喃、1，4-二烷、1，3-二氧戊环和 三3悉.烧。可使用的聚醚的实例包括但不限于二甘醇二甲基醚（二甘醇二甲醚）、三甘醇二 甲基醚（三甘醇二甲醚）、四甘醇二甲基醚（四甘醇二甲醚）、较高级甘醇二甲醚、乙二醇二 乙烯基醚、二甘醇二乙烯基醚、三甘醇二乙烯基醚、二丙二醇二甲醚和丁二醇醚。可使用的 砜的实例包括但不限于环丁砜、3-甲基环丁砜和3-环丁烯砜。前述的氟化衍生物也用作液 体电解质溶剂。也可使用本文所述溶剂的混合物。
[0153] 在一些实施方案中，可能对阳极而言有利（例如对锂具有较低的反应性、良好锂 离子传导性和/或较低聚硫化物溶解性）的具体液体电解质溶剂包括但不限于1，1-二甲 氧基乙烷（1，1_DME)、1，1-二乙氧基乙烷、1，2-二乙氧基乙烷、二乙氧基甲烷、二丁醚、茴香 醚或甲氧基苯、藜芦醚或1，2-二甲氧基苯、1，3-二甲氧基苯、叔丁氧基乙氧基乙烷、2, 5-二 甲氧基四氢呋喃、环戊酮乙二缩酮及其组合。可能对阴极而言有利（例如具有较高聚硫化 物溶解性和/或可赋予高倍率容量和/或高硫利用率）的具体液体电解质溶剂包括但不 限于二甲氧基乙烷（DME、1，2-二甲氧基乙烷）或乙二醇二甲醚、二甘醇二甲醚、三甘醇二甲 醚、四甘醇二甲醚、聚乙二醇二甲醚、环丁砜、1，3-二氧戊环（DOL)、四氢呋喃（THF)、乙腈及 其组合。
[0154] 溶剂的具体混合物包括但不限于1，3-二氧戊环和二甲氧基乙烷、1，3-二氧戊环 和二甘醇二甲醚、1，3-二氧戊环和三甘醇二甲醚以及1，3-二氧戊环和环丁砜。混合物中两 种溶剂的重量比可以为约5:95-95:5。在一些实施方案中，溶剂混合物包含二氧戊环（例如 大于40重量％二氧戊环）。
[0155] 在一些情况下，含水溶剂可用作锂电池的电解质。含水溶剂可包括水，其可包含其 它组分，例如离子盐。在一些实施方案中，电解质可包含物种，例如氢氧化锂，或者使电解质 为碱性的其它物种以降低电解质中氢离子的浓度。
[0156] 液体电解质溶剂也可用作凝胶聚合物电解质的增塑剂。有用凝胶聚合物电解质的 实例包括但不限于包含一种或多种聚合物和任选一种或多种增塑剂的那些，所述聚合物选 自聚氧化乙烯、聚氧化丙烯、聚丙烯腈、聚硅氧烷、聚酰亚胺、聚磷腈、聚醚、磺化聚酰亚胺、 全氟化膜（NAFI0N树脂）、聚二乙烯基聚乙二醇、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙 烯酸酯、前述的衍生物、前述的共聚物、前述的交联和网络结构，以及前述的混合物。
[0157] 有用固体聚合物电解质的实例包括但不限于包含一种或多种聚合物的那些，所述 聚合物选自聚醚、聚氧化乙烯、聚氧化丙烯、聚酰亚胺、聚磷腈、聚丙烯腈、聚硅氧烷、前述的 衍生物、前述的共聚物、前述的交联和网络结构，以及前述的混合物。
[0158] 除电解质溶剂、胶凝剂和聚合物外，本领域中所知用于形成电解质的聚合物可进 一步包含也如本领域中已知的一种或多种离子电解质盐以提高离子传导性。用于本文所述 电解质中的离子电解质盐的实例包括但不限于LiSCN、LiBr、Li I、LiC104、LiAsF6、LiS03CF3、 LiS03CH3、LiBF4、LiB (Ph) 4、LiPF6、LiC (SO2CF3) 3和 LiN(SO 2CF3) 2。可使用的其它电解质盐包 括锂聚硫化物（Li2Sx)，和有机离子聚硫化物的锂盐（LiS xR)n，其中x为1-20的整数，η为 1-3的整数，且R为有机基团，以及美国专利No. 5, 538, 812, Lee等人中公开的那些。可使 用溶剂中离子锂盐的浓度范围，例如约0. 2m至约2. Om(m为摩尔/kg溶剂）。在一些实施方 案中，使用约〇.5m至约1.5m的浓度范围。离子锂盐加入溶剂中是任选的，因为当Li/S电 池放电时，形成的锂硫化物或聚硫化物通常提供给电解质离子传导性，这可使得离子锂盐 是不需要的。此外，如果使用离子N-O添加剂如无机硝酸盐、有机硝酸盐或无机亚硝酸盐， 则它可提供给电解质离子传导性，在这种情况下，可能不需要其它离子锂电解质。
[0159] 如前文所述，非均相电解质可用于包含本文公开的电极结构的电化学电池中。如 本文所用，"非均相电解质"为包含至少两种不同的液体溶剂（在本文中称为第一和第二电 解质溶剂或者阳极侧和阴极侧电解质溶剂）的电解质。两种不同的液体溶剂可以相互溶混 或不溶混的，但在许多方面中，许多电解质体系包含不溶混（或者可在电池内变得不溶混） 至一定程度使得它们很大程度上分离且至少一种可与电池的至少一种组分分离的一种或 多种溶剂。非均相电解质可以为液体、凝胶或其组合的形式。下面提供非均相电解质的具 体实例。
[0160] 当本文所述某些实施方案涉及具有至少两种可在电化学电池的操作期间分化的 电解质溶剂的非均相电解质时，一个目的可以为防止或降低自发溶剂混合，即产生两种不 溶混液体的乳液的可能性。在一些实施方案中，这可通过形成例如不成比例地居于电极处 的聚合物凝胶电解质、玻璃态聚合物或较高粘度液体将至少一种电解质溶剂"固定"在电极 (例如阳极）处而实现。
[0161] 在一个实施方案中，用于非均相电解质的合适电解质包括向阳极分化且对阳极有 利的第一电解质溶剂（例如二氧戊环（DOL))(在本文中称为"阳极侧电解质溶剂"）和向阴 极分化并对阴极有利的第二电解质溶剂（例如1，2-二甲氧基乙烷（DME))(且在本文中称 为"阴极侧电解质溶剂"）。在一些实施方案中，阳极侧电解质溶剂与阴极侧电解质溶剂相 比对锂金属具有相对较低的反应性并且可能对聚硫化物（例如Li 2Sx，其中x>2)而言较不 可溶解。阴极侧电解质溶剂可对聚硫化物具有相对较高的溶解度，但可能对锂金属更具反 应性。通过在电化学电池的操作期间分离电解质溶剂使得阳极侧电解质溶剂不成比例地存 在于阳极处且阴极侧电解质溶剂不成比例地处于阴极处，电化学电池可获益于两种电解质 溶剂的理想特征（例如阳极侧电解质溶剂的较低锂反应性和阴极侧电解质溶剂的较高聚 硫化物溶解性）。具体而言，阳极消耗可降低，阴极处不溶性聚硫化物（"板岩"，较低级聚 硫化物，例如Li 2Sx，其中x〈3,例如Li2S2和Li 2S)的形成可降低，因此，电化学电池可具有较 长的循环寿命。此外，本文所述电池可具有高比能（例如大于400Wh/kg)、改进的安全性和 /或可在宽范围的温度（例如_70°C至+75°C)下操作。一种物种或溶剂相对于另一种不成 比例地存在于电池中的特定位置意指第一物种或溶剂以至少2:1摩尔或重量比或者甚至 5:1、10:1、50:1或100:1或更大比存在于该位置上（例如在电池电极的表面上）。
[0162] 在一些实施方案中，电化学电池可进一步包含置于阴极与阳极之间的隔片。隔片 可以为固体非导电或绝缘材料，其将阳极和阴极彼此分离或绝缘，防止短路，且容许离子在 阳极与阴极之间输送。
[0163] 可将隔片的孔用电解质部分或实质性地填充。隔片可作为在电池制造期间与阳极 和阴极交错的多孔无支撑膜提供。作为选择，可将多孔隔片层直接应用于一个电极的表面 上，例如如 PCT 公开 No. WO 99/33125, Carlson 等人，和美国专利 No. 5, 194, 341，Bagley 等 人中所述。
[0164] 多种隔片材料是本领域中已知的。合适固体多孔隔片材料的实例包括但不限于聚 烯烃，例如聚乙烯和聚丙烯、玻璃纤维填料纸和陶瓷材料。适用于本发明中的隔片和隔片 材料的其它实例为包含微孔干凝胶层如微孔拟勃姆石层的那些，其可作为无支撑膜或者通 过直接涂覆应用而提供于一个电极上，如共同受让人Carlson等人的美国专利申请序列号 08/995, 089和09/215, 112中。除其电解质功能外，固体电解质和凝胶电解质还可充当隔 片。
[0165] 在一些实施方案中，向电化学电池内的电活性表面上施加法向力可降低和/或防 止活性材料由于不想要的副反应如苔藓状锂生长、枝晶形成和其它可应用的副反应而贫 化。相应地，向电活性表面上施加法向力可降低和/或消除关于电化学电池内包含大量阳 极活性材料和/或电解质的需要。通过降低和/或消除关于供应电池充电-放电期间活性 材料损失的需要，可使用较少量的阳极活性材料制造电池和器件。可使用任何数目的不同 构型，包括例如下文所述实施方案施加于电池的外部或者电池的内部组件上。
[0166] 在一个实施方案中，压缩元件可围绕至少一部分电池或一堆电池。方案中，压缩元 件可包含带（例如橡胶带、螺丝扣带等）。在一个具体实施方案中，带可通过例如粘合剂、 钉、夹具、松紧螺套或任何其它合适的方法固定在电池或一堆电池上。在其它实施方案中， 可使用压缩板或其它结构。尽管描述了关于可能的压缩元件以在电化学电池内的电活性表 面提供法向力的几个可能实施方案，应当理解可使用任何数目的不同构型，本公开内容不 限于本文所述具体压缩元件。
[0167] 压缩元件的使用不限于扁平电池几何。在一些情况下，压缩元件可用于将力施加 在圆柱形电化学电池或棱柱形电化学电池（例如三角柱、直角棱柱等）上。
[0168] 任何上述压缩元件可用作圆柱形电池、棱柱形电池或其它这类电池中的压缩元 件。例如，在一些实施方案中，一卷或多卷相同或不同卷绕材料可位于电池的外表面上。在 一些实施方案中，卷绕材料包含较高的强度。卷绕材料还可包含较高的弹性模量。在一些 情况下，收缩卷绕管如聚酯膜和织物。在一些情况下，压缩元件包含适当地定尺寸以在其在 电池外表面上松弛以后提供所需外部压力的弹性材料。
[0169] 在一些实施方案中，电池可包含在电池的内部体积内的膨胀元件（例如膨胀芯 棒）。可构造并配置膨胀元件以提供从电化学电池的内部体积向外辐射的力。在一些实施 方案中，可构造和配置膨胀元件和压缩元件，使得电化学电池边界内各个点处的力（例如 压力）偏离电化学电池边界内的平均力（例如压力）小于约30%、小于约20%、小于约10% 或者小于约5 %。在一些实施方案中，力的这一分布可例如通过选择压缩和膨胀元件使得每 单位面积基本相同的内部和外部力施加在电池上而实现。
[0170] 在一些实施方案中，胜于施加内部力限定压力，可将外部力施加与补充卷绕机制 组合以实现可接受范围内的辐射压力分布。在一些实施方案中，压力分布元件（例如端盖、 间隔物等）和用于将力施加在电池或电池堆上的元件（例如带、芯棒等）的总体积可以为 较低的。通过使用低体积，该装配的能量密度可保持为较高的。在一些情况下，压力分布 元件和用于将力施加在电池或电池堆上的元件的体积之和包含电池或电池堆的体积的小 于约10%、小于约5%、小于约2%、小于约1 %、小于约0. 5%、小于约0. 1 %、约0. 1 %至约 10%、约0. 1%至约5%、约0. 1%至约2%或约0. 1%至约1%。
[0171] 尽管本文描述和阐述了本发明的几个实施方案，本领域技术人员容易预期用于执 行功能和/或得到结果和/或本文所述一个或多个优点的多种其它方法和/或结构，且认 为这类变化和/或改进在本发明的范围内。更通常而言，本领域技术人员容易理解本文所 述所有参数、尺寸、材料和构型意指为示例的且实际参数、尺寸、材料和/或构型取决于使 用本发明教导的具体应用。本领域技术人员认识到或者能够使用不多于例行实验确定本文 所述本发明具体实施方案的许多等效物。因此，应当理解前述实施方案仅作为实例显示，且 在所附权利要求书及其等效物的范围内，本发明可不同于所具体描述和主张而实践。本发 明涉及本发明所述各单独的特征、体系、制品、材料、试剂盒和/或方法。另外，如果这类特 征、体系、制品、材料、试剂盒和/或方法不相互矛盾的话，则两个或更多个这类特征、体系、 制品、材料、试剂盒和/或方法的任何组合包括在本发明范围内。 实施例
[0172] 实施例1
[0173] 将光学级聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET)载体基质用聚砜聚合物在二甘醇二甲醚 中的6重量％溶液涂覆。将涂层在40°C下干燥并产生2 μπι厚聚砜聚合物层。聚砜聚合物 层具有300nm以下的平均峰-谷粗糙度（Rz)。在测量表面粗糙度以后，将聚砜聚合物层的 表面用具有所需厚度的氧化锂保护层涂覆。氧化锂涂层使用化学蒸气沉积技术在真空中使 用〇) 2气体和金属锂蒸气沉积。随后将21 μ m厚金属锂层在真空中沉积于氧化锂保护层的 表面上。PET载体基质与聚砜聚合物层分层，产生包含金属锂电活性层205、氧化锂层210 和聚砜聚合物层215的电极结构（图IOA和10B)。图IOA和IOB中显示的两个实例分别具 有约2. 57 μπι和0. 548 μπι厚度的氧化锂层210。应当理解也可提供大于或小于上述例示厚 度的其它厚度。
[0174] 使用SEM成像分析图IOA和IOB中所示电极结构的横截面以评估各个层之间的附 着力。SEM分析证明两个电极结构中金属锂层与氧化锂保护层之间存在良好的附着力，同时 在成像截面中不存在任何明显的缺陷。
[0175] 电极结构由类似于以上成像的那些的电极生产。该电极结构包含通过在PET载体 基质分层以前将铜溅射在金属锂层表面上而提供的铜集电器。铜集电器具有〇. 2 μπι的厚 度。在PET载体基质分层以后产生的电极结构包含铜集电器、金属锂电活性层、氧化锂层和 聚砜聚合物层。
[0176] 将类似于上述那些，具有和不具有铜集电器的电极结构组装到具有硫阴极和 Celgard2325隔片的分开小袋电池中。将电池用液体电解质填充，浸泡2天并以C/10速率 放电和以C/8速率充电。组装的电池显示出约1050mA/g至约1160mA/g的硫比容量。
[0177] 对比例1
[0178] 在对比例中，将PET载体基质用0.2 μπι厚铜层金属化。随后，在与关于实施例1中 的金属锂层类似的条件下将一层金属锂层在真空下涂覆到金属化铜表面上。金属锂层厚度 为约20 μ m且Rz表面粗糙度为约2000nm。然后将金属锂表面用0. 5 μ m厚氧化锂层涂覆。 用SEM成像分析所得电极结构以评估金属锂与沉积氧化锂层之间是否存在良好的附着力。 如SEM分析证明，由于下面锂的高表面粗糙度，沉积氧化锂层210不产生连续保护层（且包 含大量裂纹和缺陷）（图10C)。
[0179] 对比例2
[0180] 在另一对比例中，将2um厚氧化锂涂层210沉积在下面21. 7um厚基础金属锂层 205上。基础金属锂层205通常具有约Rz= 2-3um的表面粗糙度，其由图IlA中所述截面 中显示的观察粗糙度支持。氧化锂涂层210显示出具有类似下面锂金属205的粗糙度的表 面粗糙度。另外，如图所述，如果氧化锂涂层210的厚度小于下面锂金属205的粗糙度，则 存在氧化锂层不是连续的高概率。另外且不愿受理论束缚，即使氧化锂层以共形方式沉积 于图IlA所述粗糙锂表面上，沉积氧化锂层210会在施加压力时由于下面软锂峰的变形而 破裂，这又会剪切氧化物涂层。
[0181] 实施例2
[0182] 与上文相反，如图IlB所示，将735nm氧化锂层210真空沉积在凝胶层215上。在 氧化锂层210沉积以前，发现凝胶层的测量峰-谷粗糙度（R z)为104nm。暴露的氧化锂表面 上的所得Rz具有126nm的测量峰-谷值，这处于与关于凝胶表面测量的相同等级且比关于 图IlA中所述直接沉积于下面锂上的氧化锂层观察到的