专利名称：具有二硫化铁阴极的锂电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有优选地由锂合金构成的阳极和由二硫化铁构成的阴极的一次锂电池单元。
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组成。此类电池通常具有包含二氧化锰的阴极和包含溶解于有机溶剂中的诸如三氟甲基磺酸锂(LiCF3SO3)的锂盐的电解质。该电池在本领域中被称为一次锂电池(一次Li/Mn02电池)并且一般不旨在为可充电的。作为另外一种选择， 具有锂金属阳极但具有不同阴极的另外一种一次锂电池单元也为人们所知。例如，此类电池具有包含二硫化铁(FeS2)的阴极并被称作电池。二硫化铁(FeS2)也被称作黄铁矿。Li/MnA电池或电池通常为圆柱形电池形式，通常为AA型号或AAA型号电池，但是也可为其它尺寸的圆柱形电池。Li/MnA电池具有约3.0伏的电压，这个电压是常规Si/MnA碱性电池的两倍，并且所述电池还具有高于碱性电池的能量密度(瓦特-小时/ cm3电池体积)。电池具有介于约1. 2和1. 8伏之间的电压(新制的)，其大约与常规的Si/MnA碱性电池相同。然而，电池的能量密度(瓦特-小时/cm3电池体积) 却高于差不多大小的Si/MnA碱性电池。锂金属的理论比容量高，为3861. 4毫安-小时/ 克，而1 的理论比容量为893. 6毫安-小时/克。1 的理论容量基于每个1 分子从 4个Li转移4个电子，以产生元素铁！^和2个Li2S的反应产物。即4个电子中的2个将 FeS2中的!^f2的氧化态从+2转变为元素铁(Fe°)中的0，而剩余的2个电子将硫的氧化态从FeS2中的-1转变成Li2S中的-2。总体上，Li/FeS2电池比相同尺寸的^1/ !! 碱性电池能量大得多。也就是说，对于给定的连续耗用电流，尤其是在超过200毫安的较高耗用电流下，电池比Si/MnA 碱性电池的电压下降得平缓而持续时间更长，如可在电压对时间的放电特征图中明显看到的那样。这导致由Li/FeS2电池可获得的能量输出比由相同尺寸的碱性电池可获得的更高。 Li/FeS2电池的较高能量输出在能量(瓦特-小时)对在恒定功率(瓦特)连续放电的绘制图中较清楚地并较直接地显示，其中新电池在低至0. 01瓦特至5瓦特的固定连续功率输出下放电至耗尽。(因为电池在放电期间的电压降低，负载电阻逐渐降低，提高了耗用电流以保持固定的恒定功率输出。电池的能量(瓦特-小时)对功率输出(瓦特)绘制图高于相同尺寸的碱性电池。尽管两种电池(新制)的起始电压大致相同，即介于约1.2 和1.8伏之间。因此，LiZ^M2电池优于相同尺寸的碱性电池，例如AAA、AA、C或D型号或任何其它型号电池，因为电池可与常规的Si/MnA碱性电池互换使用，并且将具有更长的使用寿命，尤其是在较高功率要求的情况下。同样，为一次(非再充电)电池的电池也可用来替换相同尺寸的可再充电的镍金属氢化物电池，所述镍金属氢化物电池具有与 Li/FeS2电池大约相同的电压(新制)。因此，一次电池可用于给需要在高脉冲功率要求下操作的数字照相机供电。
用于Li/FeS2电池的阴极材料最初可制备成诸如浆料混合物(阴极浆料)的形式， 其能够通过常规的涂敷方法容易地涂敷在金属基板上。添加到电池中的电解质必须为用于 Li/Fe&体系的合适的有机电解质，使得在所需的高功率输出范围内有效地发生必需的电化学反应。所述电解质必须表现出良好的离子传导性，还要对未放电的电极材料(阳极和阴极组分)足够稳定(即不反应)，并且还不与放电产物反应。这是因为电解质与电极材料 (已放电的或未放电的)之间不可取的氧化/还原副反应可能会逐渐污染电解质并将降低其有效性或导致过量放气。这继而会导致灾难性的电池损坏。因此，用于Li/FeS2电池中的电解质除了促进必需的电化学反应之外，还应对已放电的和未放电的电极材料稳定。此外， 所述电解质应当能够具有良好的离子迁移率，并且能够将锂离子(Li+)从阳极传送至阴极， 以便它能够参与阴极中必需的还原反应而产生LK2产物。用一片锂、一片包含1 活性材料的阴极复合材料以及介于其间的分隔体形成电极复合材料。电极复合材料可螺旋卷绕并且插入到电池壳体中，例如美国专利4，707，421 中的螺旋卷绕锂电池所示。用于Li/FeS2电池的阴极涂层混合物描述于美国专利6，849，360 中。通常将阳极片的一部分电连接到电池壳体上，其形成电池的负端子。使用与壳体绝缘的端帽来封闭电池。可将阴极片电连接到端帽上，其形成电池的正端子。通常将壳体卷曲在端帽的周边边缘之上以密封壳体的开口端。电池可内部装配有PTC(正热系数)装置或者类似装置，以在电池暴露于滥用条件如短路放电或过热等情况下切断电池。用于一次电池单元中的电解质由溶解于“有机溶剂”中的“锂盐”形成。 在用于—次电池的电解质中可用的代表性锂盐在相关领域中提到，例如在美国专利5，290, 414中提到它们，包括下列盐三氟甲基磺酸锂，LiCF3SO3(LiTFS)；双三氟甲基磺酰亚胺锂，Li (CF3SO2)2N(LiTFSI)；碘化锂，LiI ；溴化锂，LiBr ；四氟硼酸锂，LiBF4 ；六氟磷酸锂，LiPF6 ；六氟砷酸锂，LiAsF6 ；Li (CF3SO2)3C,以及各种混合物。在电化学领域中， 锂盐作为与特定电解质溶剂混合物作用最佳的特定盐类并不总是可替换的，并且具有某种锂盐的特定溶剂混合物能够导致显著改善的性能。在美国专利5，四0，414 (Marple)中报导了用于1 电池的有益电解质的使用， 其中所述电解质包含溶解于溶剂中的锂盐，所述溶剂包含与第二溶剂混合的1，3_ 二氧杂环戊烷(DX)，所述第二溶剂为无环(非环)醚基溶剂。所提及的无环(非环)醚基溶剂可以为二甲氧基乙烷(DME)、乙二醇二乙醚、二甘醇二甲醚和三甘醇二甲醚，其中优选的是1， 2-二甲氧基乙烷(DME)。如实施例中所给出的，二氧杂环戊烷和1，2-二甲氧基乙烷(DME) 以基本量存在于电解质中，即50 %体积的1，3- 二氧杂环戊烷(DX)和40 %体积的二甲氧基乙烷(DME)或25%体积的1，3_ 二氧杂环戊烷(DX)和75%体积的二甲氧基乙烷(DME)(第 7栏，第47巧4行)。在实施例中所给出的溶剂混合物中的可离子化的具体锂盐为三氟甲基磺酸锂，LiCF3SO30在第7栏第18-19行中也提到了另一种锂盐，即双三氟甲基磺酰亚胺锂 (Li (CF3SO2)2N)。所述参考文献教导了可任选添加第三溶剂，所述溶剂选自3，5_ 二甲基异 PS唑(DMI)、3_甲基-2-P恶唑烷酮、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丁酯(BC)、 四氢呋喃(THF)、碳酸二乙酯(DEC)、乙二醇亚硫酸酯(EGS)、二 H恶烷、硫酸二甲酯(DMS)、以及环丁砜(权利要求19)，优选的是3，5- 二甲基异嗯唑。在美国专利6，218，0 (Webber)中，公开了其中二氧杂环戊烷基溶剂和二甲氧基乙烷基溶剂以约1 3的重量比(1重量份二氧杂环戊烷对3重量份二甲氧基乙烷)存在的电解质溶剂体系。在美国专利6，849，360B2 (Marple)中，公开了用于电池的电解质，其中所述电解质包含溶解于有机溶剂混合物中的碘化锂盐，所述有机溶剂混合物包含1，3_ 二氧杂环戊烷(DX)、1，2-二甲氧基乙烷(DME)、以及少量的3，5-二甲基异P恶唑(DMI)。(第6 栏，第44-48行。)该文献公开了一种锂铝合金阳极。在美国专利2007/020M09 Al (Yamakawa)中，关于用于1^/! 电池的电解质溶剂在第33节有这样的叙述“有机溶剂的实例包括碳酸亚丙酯、碳酸亚乙酯、1，2_ 二甲氧基乙烷、Y-丁内酯、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1，3_ 二氧杂环戊烷、环丁砜、乙腈、碳酸二甲酯、以及碳酸二丙酯，并且它们中的任一种或者它们中的两种或更多种可独立使用，或者以混合溶剂的形式使用。”这样的陈述容易使人误解，因为该技术仅仅提出根据要溶解在溶剂中的具体锂盐，电解质溶剂的特定组合将可用于电池。(参见例如以上的美国专利5，290, 414 和美国专利6，849，360) Yamakawa的参考文献未提出来自以上列表的哪种溶剂组合将可用于任何所给出的锂盐。在美国专利2006/0046152 (Webber)中，公开了用于锂电池的电解质体系，所述锂电池可具有其中包含1 和FeS的阴极。所公开的电解质包含溶于溶剂体系中的碘化锂盐，所述溶剂体系包含1，2_ 二甲氧基丙烷和1，2_ 二甲氧基乙烷的混合物。选择具体的有机溶剂或不同有机溶剂的混合物，用来与任何一种或多种锂盐联合以制备适用于Li/FeS2电池的电解质，是具有挑战性的。这不是说具有多种锂盐和溶剂混合物组合的电池根本不工作，而是说其工作可能不足以具有实用性。与此类电池(该电池使用锂盐和适于溶解并离子化该盐的已知有机溶剂的任何组合形成的电解质)相关的挑战是遇到的所述问题将可能是非常显著的，因此致使所述电池投入商业使用是不现实的。锂电池(一般来讲无论是锂一次电池，例如不可再充电的1^/^1102或1^汗必2电池或者可再充电锂或锂离子电池)的开发历史表明仅仅锂盐与有机溶剂的任何组合不被认为能得到优良的电池，即表现出良好的、可靠的性能。因此，仅提供了电池可能用到的有机溶剂长列表的参考文献并不一定提出溶剂的组合或在具体溶剂混合物中具体锂盐的组合，这些组合表现出特殊的或意料不到的有益效果。因此，所需的是使用有效的电解质生产一种电池，所述电解质可促进电解质中锂盐的离子化，并且足够稳定，使得不随时间降解并且不使阳极或阴极组件降解。所期望的是包含溶解于有机溶剂中的锂盐的电解质提供良好的锂离子通过电解质的离子迁移率，以便使锂离子可以良好的传送速率从阳极通过分隔体到达阴极。期望延迟阳极表面上有害钝化层的形成，该钝化层能够妨碍电池放电时达到最佳性能。希望生产具有良好高速容量的一次(不可充电)电池，所述电池可用于代替为数字照相机供电的可再充电电池。发明_既述本发明涉及一次电化学电池，所述电池具有阳极和阴极，所述阳极包含锂金属，优选地锂合金作为阳极活性材料，并且所述阴极包含二硫化铁(FeS2)作为阴极活性材料。该电池本文称为电池。当阳极由锂合金构成而不是由纯锂金属构成时，已经确认能够在电池性能方面有优势。阳极和阴极通常为螺旋卷绕的，在它们之间具有分隔体膜片，以形成电极组件。在将卷绕电极组件插入到电池壳体中之后，将电解质溶液加入到电池中。电解质通常包含溶解于有机溶剂混合物中的锂盐。当阳极由锂合金构成时，优选的电池电解质包含溶解在二氧戊环(DX)和二甲氧基乙烷(DME)混合物中的碘化锂(LiI)盐，优选地具有小量加入以延迟二氧戊环聚合的组分。理想状态下电解质中存在的锂盐浓度可为约0. 5至1. 2摩尔/升， 通常约0. 8摩尔/升。优选的电解质可由碘化锂盐(0. 5至1. 2摩尔/升，通常约0. 8摩尔 /升)混合物形成，在混合物中较小量的三氟甲磺酸锂盐LiCF3SO3(LiTFS)(约0. 05至重量，通常约0.1%重量)溶解在电解质溶剂中。二氧戊环优选为1，3-二氧杂环戊烷。应理解术语二氧戊环可包括烷基取代的二氧戊环。优选的二甲氧基乙烷为1，2_ 二甲氧基乙烷。二氧戊环和二甲氧基乙烷可以例如约0. 82至2. 33的二氧戊环对二甲氧基乙烷的重量比存在。溶剂混合物通常包含按重量计约50%至90%的1，3_ 二氧杂环戊烷。可用于延迟二氧戊环聚合的组分可为例如3，5- 二甲基异Jg唑，其加入量可为约0. 1至5%重量，按重量计通常占总电解质重量的约百分之0. 1至百分之1，例如约0. 2%。此类组分延迟二氧戊环聚合并也可能与阴极中的非期望材料反应。因此，当电池阳极(或至少阳极表面)由锂合金形成时，代表性的优选电解质可由溶解在1，3_ 二氧杂环戊烷(DX)和1，2_ 二甲氧基乙烷(DME)的溶剂混合物中的碘化锂(0. 8摩尔/升)和LiCF3SO3 (LiTFS)(约0. 1 % 重量)的混合盐形成，约70/30的DX/DME重量比加入约0. 2%重量的3，5- 二甲基异g唑 (DMI)。阳极理想状态下可由锂金属与小量其他金属的合金构成，优选元素周期表IIA、 IIIA、IVA组的金属或类似金属元素，从而形成锂合金。(如本文所用，术语合金将具有其标准词典定义，即两种或更多种金属的固体或液体混合物或者金属与某种准金属的固体或液体混合物。如本文所用，术语锂合金将被理解为锂金属和较小部分其他金属(通常其他元素金属或某些准金属)的混合物形成的固体混合物或固体复合材料。例如，锂合金可由锂金属与铝、钙、钡、镁、锡、铟、镓、碲的合金形成。(钙和钡技术上归类为碱土元素。)铝自身可与常见铝合金如镁、铜、和锌形成合金。锂能够与两种、三种或更多种金属形成合金。 在一些情况下，锂能够与准金属形成合金(例如准金属物质或半导体组分)，例如硅、锗、或锑。锂合金能够包含与一种或多种准金属(准金属物质或半导体组分)、以及一种或多种其他金属的合金化的锂。小量与锂形成合金的元素优选地占锂合金小于约1或2%重量，甚至至多约5%重量。合金元素可占锂合金约0. 05至5%重量，例如约0. 1至5%重量，通常约0. 1至2%重量。如果其他元素也存在于锂合金中，通常合金元素或组分将占锂合金小于 0. 5%重量。因此，如果其他元素也存在于锂合金中，其中一种合金元素可占锂合金约0. 05 至0. 5%重量，例如约0. 1至0. 5%重量。当锂合金组合物在整个阳极片材中保持一致时， 锂合金可能本质上是冶金学的产物。作为另外一种选择，锂合金可镀在或形成于锂阳极片材表面。假如那样的话，表面锂合金可为来自批量阳极的不同组合物，其中所述批量阳极可为纯锂(例如最低99. 9%的锂)或不同于表面合金的锂合金。阳极通常可为片材或金属薄片形式，通常适用于卷绕。当电池具有由锂合金而不是纯锂(例如99. 9%重量的纯锂)形成的阳极时，能够改善电池性能。当锂接触有机电解质(或电解质杂质)时，它是热力学不稳定的。因此，称为固体电解质界面(SEI)的界面涂层能够在电池贮藏和放电期间逐渐形成于与有机电解质接触的锂表面。固体电解质界面(SEI)能够干扰电池放电期间需要达到的锂氧化速率，尤其是当电解质包含痕量水分时更是如此。锂表面上有害固体电解质界面层(钝化层)的形成从而能够显著干扰获得最佳电池性能。已经确定，当锂与其他金属形成合金时， 甚至即使合金可能仅小量存在，例如小于约5%重量，通常小于约2%重量，存在的合金也能够降低锂的化学活性。这实际上减少了锂与有机电解质(或电解质杂质)反应的趋势， 继而减慢了锂合金表面上的有害固体电解质界面(SEI)的形成。据推理，合金的存在可甚至影响固体电解质界面的组成和性质，致使其对降低电池放电期间锂氧化速率的有害影响较小。本文报道的研究表明针对指定的电解质，使用锂-铝合金而不是纯锂金属作为Li/ FeS2电池的阳极具有优势。这些研究已经加强了假定电池阳极中的锂也可与本文所述的其他金属形成合金以帮助获得增强的电池性能的理论基础。本发明的另一方面(其中也有本文所公开的提交于2008年2月14日的、共同转让的美国专利序列12/069953的共同主题)也涉及具有包含锂或锂合金作为阳极活性材料的阳极和包含二硫化铁(FeS2)作为阴极活性材料的阴极的一次电化学电池。阳极和阴极通常为螺旋卷绕的，在它们之间具有分隔体膜片，以形成电极组件。在将卷绕电极组件插入到电池壳体中之后，将电解质溶液加入到电池中。电解质通常包含溶解于有机溶剂混合物中的锂盐。优选地电解质溶液可包括溶解于二氧戊环(DX)、二甲氧基乙烷(DME)和环丁砜的混合物中的碘化锂(LiI)盐。二氧戊环优选为1，3-二氧杂环戊烷。应理解术语二氧戊环可包括烷基取代的二氧戊环。优选的二甲氧基乙烷为1，2_甲氧基乙烷。尽管环丁砜是优选的溶剂，但是具有类似较高介电常数的其它溶剂能够代替环丁砜被采用。此类溶剂为碳酸亚丙酯、碳酸亚乙酯、3-甲基-2-P恶唑烷酮、γ-丁内酯、二甲基亚砜、二甲基亚硫酸酯、 亚硫酸乙二酯、乙腈、N-甲基吡咯烷酮或它们的组合。锂合金的应用也能够有利地与包括环丁砜的上述电解质制剂一起使用。在本发明的一个方面，其中环丁砜是其中一种电解质溶剂，电解质包含溶解在具有二氧戊环、二甲氧基乙烷、和环丁砜的溶剂混合物中的碘化锂盐，其中二氧戊环对二甲氧基乙烷的重量比为约0. 82至9. 0，理想状态下为约0. 82至2. 3。二氧戊环优选地为1，3- 二氧杂环戊烷，但是也可包括烷基取代的二氧戊环。优选的二甲氧基乙烷为1，2_ 二甲氧基乙烷，但是也可采用其它甘醇二甲醚。本发明的电解质配方中的环丁砜含量优选为溶剂混合物的大于约4. 8%重量。优选地，环丁砜的含量为溶剂混合物的约4. 8至约6.0%重量。然而，环丁砜也可以较高量存在，例如至多约25%重量的上述溶剂混合物，其中二氧戊环对二甲氧基乙烷的重量比为约0.82至9.0。电解质也任选地包括3，5_ 二甲基异Iff恶唑(DMI)，其量占溶剂混合物的约0. 1至重量。(类似于其他路易斯碱的二甲基异(！恶唑有助于延迟二氧戊环的聚合。)碘化锂通常以约0.8摩尔/升的浓度存在于溶剂混合物中。期望电解质具有介于约0. 9和1. 5厘泊之间的粘度。本发明的用于电池的电解质中的水含量可通常小于约100份水/百万份总电解质。然而，基于本文报导的利用本发明电解质配方的有利测试结果，总电解质中的水含量可大于lOOppm。据信也可向电解质溶剂中添加水(去离子的)，使得用于Li/FeS2电池的电解质中的水含量最多可以为约lOOOppm，并且甚至最多为约2000ppm。(参见2008年1 月23日提交的共同转让的专利申请序列12/009858。)因此据信，本文提供的电解质中的水含量可介于约100和IOOOppm之间，例如介于约200和IOOOppm之间，或者介于约300和 IOOOppm之间，并且至多为约2000ppm。具体地讲，当Li/FeS2电池阳极由锂合金形成时(或至少阳极表面由锂合金形成时)，可加水到本文提供的电解质中以便电解质中的水含量可介于约100和2000ppm之间，例如介于约200和IOOOppm之间，或者介于约300和IOOOppm 之间。水含量通常可介于约100和500ppm之间，或者介于约200和500ppm之间，或者介于约300和450ppm之间。在本发明的一个方面，电池具有包含阴极活性材料二硫化铁(FeS2)(常称为“黄铁矿”)的阴极。电池可以纽扣(硬币)电池或平板电池形式存在。期望电池可以为螺旋卷绕电池的形式，所述螺旋卷绕电池包括螺旋卷绕的阳极片和阴极复合材料片，分隔体位于其间。阴极片使用浆料方法来制备，将包括二硫化铁(FeS2)和碳颗粒的阴极混合物涂覆到基板优选地导电金属基板上。理想地，使用弹性体将1 和碳颗粒粘结到基板上， 所述弹性体优选苯乙烯-乙烯/ 丁烯-苯乙烯(SEBQ嵌段共聚物，诸如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 1 颗粒以及导电性碳粒添加剂具有良好的亲和力和粘结性。所述聚合物可耐受电解质的化学侵蚀。阴极由阴极浆料形成，所述浆料包含二硫化铁(FeS2)粉末、导电性碳粒、粘合剂材料和溶剂。(如本文所用的术语“浆料”将具有其普通字典的含义并且因此被理解为表示包含固体颗粒的含水混合物。)将湿阴极浆料涂覆到到基板上，所述基板优选地为导电的诸如铝片或不锈钢片。基板用作阴极集电器。然后将溶剂蒸发，从而留下由干燥阴极涂层混合物形成的阴极复合材料，所述混合物包含二硫化铁材料和彼此以粘合方式粘结的碳颗粒优选地包括碳黑，并且其中干燥涂层优选地粘结到基板的两个侧面上。随后形成包括锂或锂合金片、阴极复合片材、以及位于其间的分隔体的电极组件。优选将电极组件螺旋卷绕并插入到电池壳体中。然后将电解质溶液注入到电池壳体中，并且将电池封闭地卷曲到端帽上。附图概述
图1为本发明的改善的LiZ^K2电池(如圆柱形电池实施方案中所列出的)的等轴视图。图IA为以纽扣电池实施方案显示的本发明改善的电池的剖面图。图2为沿图1的视准线2-2截取的电池的局部横截面立视图，以示出所述电池的顶部和内部。图3为沿图1的视准线2-2截取的电池的局部横截面立视图，以示出螺旋卷绕的电极组件。图4为显示包括电极组件的各层设置的示意图。图5为图4的电极组件的平面图，其各层中的每层都被部分剥离，以示出下面的层。发明详述本发明的电池可为平板纽扣电池100或螺旋卷绕电池10。纽扣(硬币) 电池100构型用作测试电池，它具有锂阳极150和包含二硫化铁(FeS2)的阴极170，在两极之间有分隔体160，如图IA所示。
如同电池100的电池具有以下基本放电反应(一步机理)阳极4Li =式 1阴极FeS2+4Li++4e" = Fe+2Li2S 式 2总反应FeS2+4Li = Fe+2Li2S 式 3纽扣电池描述图IA中所示的1^汗必2纽扣电池100用作实验测试载体并且可为一次(非再充电的)电池形式。所谓“非再充电的”是指电池旨在已放电之后被丢弃。在纽扣电池100(图 1A)中，形成了盘形的圆柱形阴极外壳130，其具有开口端132和封闭端138。阴极外壳130 优选由镀镍钢形成。将电绝缘构件140(优选为具有空核的塑料圆柱形构件)插入外壳130 中，使得绝缘构件140的外表面邻接并且衬在外壳130的内表面上。作为另外一种选择，外壳130内表面可涂覆有聚合材料，其固化成邻接外壳130内表面的绝缘体140。绝缘体140 可由多种热稳定的绝缘材料形成，例如聚丙烯。可将包含金属网格的阴极集电器115插入电池以便它邻接外壳130的封闭端138 的内表面。阴极集电器115理想状态下可由不锈钢金属网薄片组成，其中具有多个开口， 从而形成不锈钢网格或筛网。膨胀不锈钢金属箔以商品名EXMET箔316L-SS得自Dexmet Corp.。然后优选地阴极集电器115由铝片材组成，它导电性较强。(阴极集电器115可为铝与常见铝合金金属如镁、铜、和锌的合金片材。)此类铝集电器片材115其中也可具多个小开口，从而形成铝网格。可将阴极集电器115焊接到外壳130封闭端138的内表面上。 (任选地也可将相同类型的集流体网格，优选其中具有开口的膨胀不锈钢金属箔，焊接到阳极罩120封闭端的内表面上。)任选的导电性碳基底层172包含石墨和聚四氟乙烯(PTFE) 粘合剂的混合物，能够将其压缩到阴极集电器115中。阴极170包含1 活性颗粒，也可随后将其压缩到此类导电性基底层172中。可将其称为“分期的”阴极构造。因此，包含二硫化铁(FeS2)或包括二硫化铁(FeS2)的任何混合物作为活性阴极材料的阴极材料170可插在任选的导电性基底层172之上，以便它覆盖集流体片115。阴极层170中的阴极活性材料(即发生有用的电化学反应的材料)可全部由二硫化铁(FeS2)组成。包含分散在其内的二硫化铁(FeS2)粉末的阴极170可以浆液的形式制备，所述浆液可涂覆到导电性金属箔(优选铝箔或不锈钢箔)的两侧上。此类铝箔或不锈钢箔可具有穿过其的开口，从而形成网格或筛网。作为另外一种选择，包含分散在其中的二硫化铁(FeS2)粉末的阴极170能够以浆料形式制备，将其涂覆在面向分隔体160的铝或不锈钢箔的一面上。 在另一种情况下，可使用如上文所述的导电性基底层172，其中将阴极170插入电池中以便它上覆导电性基底层172，如图IA所示。作为另外一种选择，包含分散于其内的二硫化铁(FeS2)粉末的阴极170可以浆液的形式制备，所述浆液可直接涂覆到导电性基板片115上以形成阴极复合材料。优选地，导电性基板片115由如上所述的铝(或铝合金)片形成，并且可在其内具有多个小孔，从而形成网格。作为另外一种选择，导电性基板片115可为不锈钢片，理想地为其内具有多个小孔的膨胀不锈钢金属箔形式。
阴极浆液包含2至4%重量的粘合剂(Kraton G1651弹性体粘合剂，得自Kraton Polymers, Houston Texas. ) ；50%至70%重量的活性1 粉末；4%至7%重量的导电性碳(炭黑与石墨)；以及25%至40%重量的溶剂。(炭黑可包括全部或部分乙炔黑碳颗粒。因此，如本文所用，术语炭黑应被理解为延伸至并包括炭黑和乙炔黑碳颗粒。)Kraton G1651粘合剂是弹性体嵌段共聚物(苯乙烯-乙烯/ 丁烯(SEBQ嵌段共聚物)，其是成膜剂。该粘合剂对于活性1 及炭黑颗粒具有足够的亲和力，以有利于湿阴极浆液的制备并保持这些颗粒在溶剂蒸发之后彼此接触。1 粉末可具有介于约1和100微米之间，理想地介于约10和50微米之间的平均粒度。所期望的1 粉末以商品名Pyrox Red 325粉末得自ChemetallGmbH，其中1 粉末具有足够小的粒度，使得颗粒将通过Tyler目尺寸 325 (0.045mm的筛孔)的筛网。(剩余的通不过325目筛网的!颗粒的量最多为10%。) 石墨为可以商品名Timrex KS6石墨得自TimcalLtd.。Timrex石墨是高度结晶的人造石墨。 (其它可使用的石墨选自天然、人造、或者膨胀石墨以及它们的混合物，但是优选Timrex石墨，这是因为其具有高纯度。)炭黑以商业命名Super P导电性炭黑(62m2/g的BET表面积)得自 Timcal Co.。溶剂优选地包括以商品名ShellSol AlOO烃溶剂(Shell Chemical Co.)购得的 C9-C11 (主要为C9)芳烃的混合物、以及以商品名ShellSol OMS烃类溶剂(Shell Chemical Co.)购得的主要异链烷烃(平均分子量166，芳族含量小于0.25%重量)的混合物。 ShellSol AlOO与ShellSol OMS溶剂的重量比理想地为4 6。ShellSol AlOO溶剂为主要包含芳烃(超过90%重量的芳烃)，主要为C9至C11芳烃的烃混合物。SieIlSol OMS溶剂为异链烷烃(98%重量的异链烷烃，分子量约166)的混合物，其具有小于0.25%重量的芳族烃含量。可利用双行星搅拌器分散浆料制剂。干粉在添加到搅拌钵内的粘合剂溶液中之前首先共混以确保均勻性。优选的阴极浆料混合物列于表1中M I阴极组合物
权利要求
1.一种一次电化学电池，所述电池包括外壳；正端子和负端子；包含锂合金的阳极；包含二硫化铁(FeS2)和导电性碳的阴极，所述电池还包括插入其中的电解质，所述电解质包含溶解于溶剂混合物中的锂盐，所述溶剂混合物包含二氧戊环和二甲氧基乙烷，其中所述电解质中的水含量为约100至2000重量份的水每百万重量份电解质。
2.如权利要求1所述的电池，其中所述二氧戊环包括1，3_二氧杂环戊烷。
3.如权利要求1所述的电池，其中所述二甲氧基乙烷包括1，2-二甲氧基乙烷。
4.如权利要求1所述的电池，其中所述锂盐包括碘化锂(LiI)。
5.如权利要求1所述的电池，其中所述锂盐包括碘化锂(LiI)与三氟甲基磺酸锂 (LiCF3SO3)的混合物。
6.如权利要求1所述的电池，其中所述锂合金包含与至少一种其他组分合金化的锂。
7.如权利要求6所述的电池，其中所述其他组分为金属或准金属。
8.如权利要求7所述的电池，其中所述准金属选自由下列组成的组硅、锗和锑、以及它们的混合物。
9.如权利要求6所述的电池，其中所述其他组分可为碱土元素，所述碱土元素选自由下列组成的组钡和钙、以及它们的混合物。
10.如权利要求6所述的电池，其中所述其他组分为元素金属。
11.如权利要求6所述的电池，其中所述其他组分按重量计占所述锂合金的约0.05% 至5%。
12.如权利要求10所述的电池，其中所述元素金属选自由下列组成的组铝、镁、锡、 铟、镓、铋和锌、以及它们的混合物。
13.一种一次电化学电池，所述电池包括外壳；正端子和负端子；包含锂合金的阳极； 包含二硫化铁(FeS2)的阴极，和插入其中的电解质，所述锂合金包含与至少一种其他组分合金化的锂，所述其他组分选自由下列组成的组锗、锑、钡、铟、镓、铋、锌、以及它们的混合物。
14.如权利要求13所述的电池，其中所述电解质包含溶解在溶剂混合物中的锂盐，所述溶剂混合物包含二氧戊环和二甲氧基乙烷。
15.如权利要求14所述的电池，其中所述电解质具有的水含量为约100至2000重量份的水每百万重量份电解质。
全文摘要
本发明公开了一次电池，该电池具有包含锂或锂合金的阳极以及包含二硫化铁(FeS2)和碳颗粒的阴极。电解质包含溶解于有机溶剂混合物中的优选为碘化锂(LiI)的锂盐。溶剂混合物优选包含二氧戊环和二甲氧基乙烷。每百万重量份(ppm)电解质中通常包含约100至2000重量份的水。阳极可为锂金属或优选地为锂合金。制备包含二硫化铁粉末、碳、粘合剂和液体溶剂的阴极浆料。将所述混合物涂覆到导电基板上，然后溶剂蒸发从而在基板上留下干阴极涂层。可将阳极与阴极螺旋卷绕，分隔体位于其间，然后插入电池壳体中，随后加入电解质。
文档编号H01M6/16GK102318113SQ201080007317
公开日2012年1月11日 申请日期2010年1月27日 优先权日2009年2月12日
发明者M·波津, N·N·伊萨夫 申请人:吉列公司