專利名稱：：鋰-二硫化鐵電池設計的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及具有膠輥電極組裝件(jellyrollelectrodeassembly)的一次電化學電池(primaryelectrochemicalcell)，所述膠輥電極組裝件包括基于鋰的負極、具有涂層的正極和聚合物隔離物，其中所述涂層包含沉積在集電器上的二硫化鐵。更特別地，本發(fā)明涉及經(jīng)改進的電池設計，該電池設計相較于容器強度最優(yōu)化了電化學活性材料和內部電池空隙，從而改進電池容量而不明確地影響安全或可靠性。
背景技術：
：電化學電池是目前對各種消費裝置提供有成本效率的便攜式電力的優(yōu)選方法。消費裝置市場規(guī)定僅提供少量的標準化電池大小(即，AA或AAA)和特定的標稱電壓(典型地1.5V)。而且，越來越多的消費電子裝置，比如數(shù)字靜態(tài)照相機，被設計為具有較高電力運行要求。正如已經(jīng)在市場內所實踐的，相較于可比的當前可獲得的可充電(即，二次)電池組，消費者常常因為其便利性、可靠性和長的保質期而更喜歡并選擇使用一次電池組。在該上下文范圍內，相當明顯的是，一次(即，非可充電)電池組制造商的設計選擇極端有限。例如，使用規(guī)定的標稱電壓的必要性顯著地限制了潛在的電化學材料的選擇，而使用標準化的電池大小則制約了可用于活性材料、安全裝置及該類消費產(chǎn)品中典型所期望的其它元件的總的可用內部體積。而且，消費裝置的多樣性和那些裝置的工作電壓的范圍使得較小的標稱電壓電池(其可以單獨或串聯(lián)地提供，從而給予裝置制造者更多的設計選項)有利于較高電壓電化學配對。因此，1.5V系統(tǒng)(比如堿性或鋰-二硫化鐵系統(tǒng))要比其它(比如3.OV和更高的鋰-二氧化錳)重要得多。相應地，對于每個電化學系統(tǒng)(即，堿性的v.鋰-二硫化鐵等)的設計考慮全部都顯著不同。在1.5V系統(tǒng)的范疇內，鋰-二硫化鐵電池組(也稱為，鋰黃鐵礦或鋰鐵黃鐵礦)相較于堿性、碳鋅或其它系統(tǒng)，提供更高的能量密度，尤其在高電耗率(drainrate)下。然而，目前一次電池組中對鋰的量上的規(guī)定限制使得FR03(AAALii^S電池)和FR6(AALiFeS2電池)大小在消費者市場內尤其重要。鋰-二硫化鐵和其它化學系統(tǒng)之間的其它不同引起該類電池組的各自設計中的其它差異。例如，堿性和鎳氧-氫氧化物(nickeloxy-hydroxide)系統(tǒng)依賴于含水且高苛性的電解質，該電解質具有滲漏傾向，導致在內部材料的選擇方面和/或與容器和蓋的相容性上有極為不同的方法。在可充電的1.5V系統(tǒng)(其不包括鋰-二硫化鐵系統(tǒng))中，可以使用多種高度專業(yè)化的電化學和/或電解質組合物。這里，這類高成本成分并不是關鍵的設計關注點，因為二次系統(tǒng)典型地要比它們的一次電池組等同物以更高的零售價銷售。而且，該放電機制、電池設計和安全考慮大體上不適用于一次系統(tǒng)。但是即使鋰-二硫化鐵電池對于高功率裝置具有固有的優(yōu)點(相較于一次堿性電池)，LiFeS2電池設計仍然必須在所用材料的成本、必要的安全裝置和總體可靠性的引入、以及所設計電池的釋放容量和意欲用途之間實現(xiàn)平衡。正常地，低功率設計著重于活性材料的數(shù)量，而高功率設計則更多集中于構造以提高放電效率。例如，最大化了電極間表面面積的膠輥設計(jellyrolldesign)允許更大的放電效率，但是犧牲了低功率和低放電率放電時的容量，因為該設計必需采用更多非活性材料，比如隔離物和集電器(兩者均占用內部體積，從而需要從電池設計中除去活性材料)。盡管希望改進放電容量，但是電池設計者也必須包括和改進其它電池組特征，比如安全性和可靠性。正常地，安全裝置包括通風機制和熱激活的“關斷”元件，比如正熱電路(positivethermalcircuit，PTC)。對可靠性的改進主要集中在防止內部短路。在兩者情況中，這些特征最終均需要占用內部體積的元件和/或通常對電池內電阻、效率和放電容量起相反作用的設計考慮。而且，還存在另外的挑戰(zhàn)，因為運輸規(guī)定限制了鋰電池組在熱循環(huán)過程中可以損失的重量百分量，意味著對于較小的容器大小如AA和AAA來說，電池設計只能損失毫克數(shù)的總電池重量(通常通過電解質的蒸發(fā))。另外，相較于其它電化學系統(tǒng)，非水性的有機電解質的反應性和揮發(fā)性性質嚴重地限制了潛在可用材料的普適性(特別是顧及到提供于電池中的電解質與電池蓋、隔離物和/或集電器之間的相互作用)。最后，最大化鋰-二硫化鐵電池組中活性材料的量則可能是最困難的挑戰(zhàn)。對于這類電池而言基本的、最終的電化學反應是4Li+FeS2—2Li2S+Fe因為反應終產(chǎn)物比進料占用更多體積，故電極組裝件隨電池組放電而膨脹。進而，膨脹產(chǎn)生能夠引起電池容器的不期望凸起的徑向力，以及如果隔離物受損則會發(fā)生短路。之前處理這些問題的方式包括使用堅固的(常常更厚的)材料用于電池外殼和電池內的非活性成分。然而，更厚的非活性材料限制了可用的內部體積；且在性能方面更厚、更堅固的電極并不必然是所希望的，因為它們使得在膠輥上允許更少的可能的纏繞，導致電極間更小的表面面積并且在較高電耗率下出現(xiàn)較低性能的可能。已進行了許多其它方法來設法在最佳內部體積利用率和可接受的Lii^S電池容量/性能之間獲得適當?shù)钠胶?。例如，由膨脹造成的問題的可能解決方法公開在U.S.專利No.4，379，815中，意欲通過將一種或多種其它活性材料(比如Cu0、Bi203、！n32Bi205、P304、CoS2)與黃鐵礦混合來平衡陰極膨脹和陽極收縮，但是這些另外的材料能夠不良地影響電池的放電特征，并且電池總的容量和效率也可能會受損。其它改進Lii^K2電池中放電容量的方式考慮使用更薄的隔離物和/或特殊的陰極涂層混合物以及涂層技術，如U.S.專利公開No.2005/0112462(提交于2003年11月21日)，和2005/0233214(提交于2004年12月22日)，兩者均由本發(fā)明人所構思。值得注意的是，如該'462公開的圖2所表明的，當所設計的電極空隙容積的量減少(該處表示為膠輥截面空隙的函數(shù))時，則發(fā)生隔離物物理完整性的破壞和最終電池組容量/利用率的損失，所述隔離物物理完整性依賴于網(wǎng)幅方向和垂直網(wǎng)幅方向兩者之上的拉伸強度。此外，U.S.專利No.6，849，360和7，157，185考慮使用特殊的陰極涂層配制物與固定比率的陽極-陰極界面活性材料(即，理論的界面輸入容量比)的組合以提高電池性能。
發(fā)明內容此處所記載的本發(fā)明提供電化學電池，其具有改進的能量密度，且不會損害之前設計中建立起來的安全性或可靠性基準。該電池的隔離物拉伸強度、容器強度、膠輥徑向膨脹和內部空隙體積均被最大化以獲得下述電池組其對FR6、FR03和其它鋰-二硫化鐵圓柱電池組大小(依賴于膠輥電極組裝件)都具有優(yōu)異的服務壽命(service)。本領域技術人員可以通過參照權利要求書、附圖和此處提供的其它記載而認識到另外的或可替換的優(yōu)點ο因此，本發(fā)明的一個方面考慮下述電池組(battery)，其具有纏繞成膠輥組裝件中的鋰陽極、隔離物、和陰極。所述陰極包含多于集電器和涂層。所述涂層具有至少4.4g/cm3的不包括集電器的干混合密度，該電池組的放電過程中(此時預計徑向力為其最大值)所述膠輥組裝件施加不超過50-80%的所述容器的屈服強度(例如參見圖1)。可選地，所述涂層可以具有95-98wt.%的1和2-5wt.%的非活性材料，其中重量百分數(shù)表示為干燥涂層的總重量的函數(shù)，對于FR6電池組而言能量密度在IOOOmW的恒功率下大于270Wh/kg，或在200mA的恒流下大于約315Wh/kg。依照本發(fā)明的FR03電池組顯示出至少1950mA的容量和至少^OWh/kg的能量密度(兩者均在連續(xù)IOOmA放電至1.OV的截止電壓)。最后，考慮了制造IOOOmW恒功率電耗下具有至少4Wh容量的FR6電池組、和IOOmA連續(xù)電耗下具有至少1950mAh容量的FR03電池組(兩者均電耗到1.0V截止電壓)的方法。該方法包括選擇具有適合于該電池組大小的容器；確定1的必需量，所述量確保該電池完全放電時，膨脹徑向力為所述容器屈服強度的50%至80%;將1以所述確定量供給至漿料混合物并將該漿料混合物涂覆到金屬性箔集電器上；然后通過用隔離物和基本由鋰或鋰合金構成的陽極條來纏繞經(jīng)涂覆的集電器而形成膠輥電極組裝件；和將所述膠輥電極組裝件置于圓柱形容器內并封閉該容器。應注意的是，該漿料混合物相較于供給至所述漿料混合物的固體總重量具有大于的狗&。值得注意的是，在整個本說明書中，應當理解容量不僅是對電池組消費者有用的量度，而且對容量的改進也表示基本可靠的電池組設計。即是說，為了輸送更大的容量，必須對放電鋰-二硫化鐵電池組中的徑向膨脹力和其它起作用的動力學給予仔細的考慮。例如，如果設計在集電器中提供不充分的厚度，那么放電過程中的徑向力可能壓縮該集電器直至其斷開。一旦發(fā)生該斷開，所述電池組則可能停止輸送容量而不管活性材料是否已被全部放電。對于膠輥設計的堅固性、涂層和容器作為整體中的空隙體積、整個電池組的電連接、電池組用通風機制以及任何數(shù)目的其它設計標準而言，情況相似。因此，本文所提到的容量起著代表設計的總的堅固性的作用。而且，依照本發(fā)明的電池組所輸送的容量相較于現(xiàn)有技術表示出顯著的增加——這是當考慮FR6和FR03電池組的尺寸不能改變時，不容易實現(xiàn)或預測的結果。換而言之，為了實現(xiàn)容量的任何增加，除了簡單地選擇在該標準大小的電池組中添加更多的活性材料之外，還必須進行很多的設計選擇。圖1例示了相較于市售可得的鋰-二硫化鐵AA-大小的電池組，在變化的電耗率下，放電曲線(沿右手軸以伏特表示)和膠輥徑向膨脹(以磅/平方英寸的施加在10密耳不銹鋼圓柱形容器上的壓力來表示)之間的關系。圖2是電化學電池組電池的一個實施方案的縱向橫截面視圖，該電化學電池組電池具有設置于容器壁側和該容器外表面之間的引線，用于形成該容器和電池電極之間的電接觸。具體實施例方式除非另有說明，此處所用的下列術語在本公開內容中自始至終均定義和使用如下容量一在特定組的條件下(例如，電耗率(drainrate)、溫度等)在放電過程中通過單個電極或整個電池輸送的容量；典型地以毫安-小時(mAh)或毫瓦-小時(mWh)或數(shù)字靜態(tài)照相機試驗中取得的圖像數(shù)來表示；比能量密度——電池或電池組的容量除以整個電池或電池組的總重量，一般以瓦-小時/千克(Wh/kg)或毫瓦-小時/克(mWh/g)來表示；數(shù)字靜態(tài)照相機試驗——照相機每分鐘拍攝兩幅照片(圖像)直到電池組壽命3ΙANSIC18.3M,Part1-2005(^AmericanNationalStandardforPortableLithiumPrimaryCellsandBatteries-GeneralandSpecificationsHjIK,|S^/"BatterySpecification15LF(AALithiumirondisulfide),Digitalcameratest，，)中所概述的試驗程序。該試驗由如下構成在1500mW放電AA大小的鋰二硫化鐵電池組2秒，然后于650mW放電觀秒，重復該30秒的循環(huán)到5分鐘的總循環(huán)(10個循環(huán))，然后是休息期(即，OmW)55分鐘。記錄整個每小時一次的循環(huán)，每天M小時，直到最終為1.05電壓或更低。每個30秒循環(huán)意欲表示一幅數(shù)字靜態(tài)照相機圖像。理論輸入容量——單個電極或整個電池中電化學材料(一種或多種)的容量，基于構成該電極/電池的材料的理論可用電化學容量；可以通過將電極中每種活性材料的重量乘以該活性材料的理論比容量來計算，其中每種活性材料的理論比容量通過下述確定[(96，487安培-秒/摩爾)/(活性材料的克/摩爾數(shù))]X(活性材料的電子/摩爾數(shù))/(3600秒/小時)X(1000毫安小時/安培-小時)；表1列出了依照該式計算出的示例性理論輸入容量表1.選定材料的理論輸入容量。材料理論輸入容量(mAh/g)Li3862S1672FeS2893.6CFx864.3CuO673.8CuS560.7MnO2308.3FeCuS2292.1理論界面輸入容量——電極或整個電池的容量，以整個電池放電反應機理(一種或多種)和含在活性材料混合物的與相反電極中活性材料相鄰的那部分內的活性材料總量為基礎，假設所有活性材料完全反應；如果電極條的兩個主要表面的僅僅之一和相反電極中的活性材料相鄰，則只有該電極的該側上的活性材料——或者固體集電器片的該側上的材料或者沒有固體集電器片的電極的一半厚度中的該材料——被包括在界面容量的確定中；陽極——負極；更具體地說，在本發(fā)明的含義范圍內，它基本由鋰或含有至少90wt%鋰作為主要電化學活性材料的合金構成；陰極——正極；更具體地說，在本發(fā)明的含義范圍內，它包含被涂覆到金屬性集電器上的二硫化鐵(作為主要電化學活性材料)以及一種或多種流變性的、聚合物的和/或傳導性添加劑；陰極干混合密度——指的是陰極涂層的固體成分的添加劑密度，但并不包括集電器的密度；“膠輥(jellyroll)”或“螺旋纏繞”電極組裝件——陽極和陰極的條連同適當?shù)木酆衔锔綦x物，通過沿著它們的長度或寬度纏繞(例如圍繞著心軸或中央核心)而被組合成組裝件；電池外殼——物理上包圍構成完全功能化電池組的電化學活性材料、安全裝置及其它惰性部件的結構；典型地由容器(形成為杯子形狀，也稱為“罐”)和蓋(適配在該容器開口上，典型地由通風機構和密封機構構成，用于阻止電解質流出和水分/大氣進入)；取決于上下文，有時可以與術語罐或容器可互換地使用；圓柱形電池大小——任意具有一般圓柱形狀的電池外殼，其中圓柱的高度大于該圓柱的直徑，以特別地排除任何鈕扣電池、微型電池或試驗性的“冰球(hockeypuck)”電池；電極組裝件界面高度/面積——視情況而定，膠輥電極組裝件的長度或面積，其中陽極、陰極和隔離物全部被排列以允許電化學反應進行(例如，圓柱形狀的膠輥電極組裝件中的電極組裝件界面高度將通過沿下述所有點的縱軸來測定，所述點上陽極、陰極和隔離物在該軸上互相垂直相鄰)；空隙體積——從某具體特征件(feature)的總可得體積中減去該特征件的固體的體積；平均粒度——某組成的樣品的體積分布的平均直徑；電極載量——每單位電極表面面積的總材料混合物干重，一般以克每平方厘米(g/cm2)表示；電極填充度(electrodepacking)——每單位電極表面面積的總材料干重除以每單位電極表面面積的理論活性材料混合物干重，以混合物中固體材料的真密度為基礎，一般表示為百分數(shù)；電化學活性材料——一種或更多種的如下化學化合物其是電池放電反應的一部分，且對電池放電容量有貢獻；包括雜質和存在的少量其它部分；標稱的——由制造商規(guī)定的值，其代表針對某特征或性質能夠期望的值；和環(huán)境溫度或室溫——約20°C-約25°C;除非另有說明，所有實施例、數(shù)據(jù)和其它性能以及制造信息均在環(huán)境溫度進行。鋰-二硫化鐵電池組領域的技術人員會理解，可在不脫離此處公開的本發(fā)明原理的范圍內進行各種替換和/或改變。參照圖1和2會更好地理解本發(fā)明。圖2中，電池10是FR6(AA)型圓柱形Li/FeS2電池組電池的一個實施方案，但是本發(fā)明應對FR03(AAA)或其它圓柱形電池具有等同的適用性。在一個實施方案中，該電池10具有外殼，該外殼包括罐12形式的容器，該罐12具有封閉的底部和用電池蓋14與墊圈16封閉的開口頂端。該罐12在所述頂端附近具有卷邊(bead)或減小直徑的臺階以支持所述墊圈16和蓋14。所述墊圈16被壓在所述罐12和所述蓋14之間以將陽極或負極18、陰極或正極20以及電解質密封在所述電池10內。在一個實施方案中，所述陽極18、陰極20和隔離物沈一起螺旋纏繞成電極組裝件。所述陰極20具有金屬集電器22，其從該電極組裝件的頂端延伸出來并用接觸彈簧M連接至所述蓋14的內表面。所述陽極18通過金屬引線(或翼片(tab))36電連接至所述罐12的內表面。所述引線36固定于所述陽極18，從所述電極組裝件的底部延伸出來，折疊跨過底部并沿該電極組裝件的側面向上。所述引線36與所述罐12側壁的內表面壓力接觸。所述電極組裝件纏繞后，其可在制造過程中通過使用工具插入前保持到一起，或者材料(例如，隔離物或聚合物膜外包裝38)的外端可通過例如熱密封、膠粘或膠帶而固定。在一個實施方案中，絕緣錐體(insulatingcone)46圍繞著所述電極組裝件頂部的周邊部分設置，以防止所述陰極集電器22與所述罐12形成接觸，并且通過所述隔離物沈的向內折疊延伸和位于該罐12底部的電絕緣底盤44，防止了所述陰極20的底緣和所述罐12底部的接觸。在一個實施方案中，電池10具有分離的正極末端蓋40，其通過所述罐12的向內卷曲的頂緣和墊圈16而保持就位，并具有一個或多個通風孔隙(未示)。所述罐12起負接觸末端的作用?？稍谒龉?2的側壁上施加絕緣夾套(insulatingjacket)，比如粘性標簽48。在一個實施方案中，設置在末端蓋40的周邊凸緣和電池蓋14之間的是正溫度系數(shù)(PTC)裝置42，其在濫用的電學條件下基本限制電流的流動。在另一個實施方案中，電池10也可以包括壓力釋放通風口(pressurereliefvent)。所述電池蓋14具有孔隙，該孔隙包含向內凸出的中央通風井觀，且在該井觀的底部中具有通風孔30。所述孔隙被通風球32和薄壁狀熱塑性襯套34密封，該襯套被壓在所述通風井觀的垂直壁和所述通風球32的周邊之間。當電池內部壓力超過預定水平時，該通風球32，或者該球32和襯套34兩者，被擠出所述孔隙外，以從該電池10釋放增壓的氣體。在其它實施方案中，所述壓力釋放通風口可以是由破裂膜(rupturemembrane)封閉的孔隙，比如公開在U.S.專利申請出版物No.2005/0244706(此處通過參考全部并入)，或者是較薄的區(qū)域比如壓花槽(coinedgroove)，其可以撕開或以其它方式破開，以在該電池的一部分(比如密封板或容器壁)上形成通風孔隙。在一個實施方案中，設置在電極組裝件的側面和所述罐的側壁之間的電極引線36的末端部分，可以在該電極組裝件插入到該罐中之前具有形狀，優(yōu)選為非平面狀，所述形狀增強了與該罐側壁的電接觸并且提供類似彈簧的力以使所述引線向所述罐側壁傾斜。在電池制造過程中，可以使引線的所述有形狀的末端部分變形(例如朝向該電極組裝件的側面)，以促進其插入所述罐，然后該引線的末端部分可以部分地彈回其初始的非平面形狀，但至少保持部分的壓縮以向該罐側壁的內表面施加力，從而制造與該罐良好的物理接觸和電接觸。電池容器常常是具有封閉底部的金屬罐，比如圖2中的罐。罐材料和容器壁的厚度將部分地取決于電池中所使用的活性材料和電解質。普通的材料類型是鋼。例如，該罐可以由冷軋鋼(CRS)制成，且可以用鎳鍍覆在至少外側上以保護該罐的外側不受腐蝕。典型地，依照本發(fā)明的CRS容器可以具有的壁厚度，對于FR6電池為約7至10密耳，或對于FR03電池為6至9密耳?？梢愿淖冨兏差愋鸵蕴峁┎煌潭鹊哪透g性，以改善接觸電阻或提供期望的外觀。鋼的類型將部分取決于容器形成的方式。對于拉制罐，所述鋼可以是擴散退火的、低碳的、鋁鎮(zhèn)靜的、SAE1006或等效的鋼，其具有ASTM9至11的晶粒尺寸和等軸至稍微拉長的晶粒形狀。可以使用其它鋼，比如不銹鋼，來滿足特殊要求。例如，當所述罐與陰極電接觸時，可以使用不銹鋼來改善對陰極和電解質所造成腐蝕的耐受性。電池蓋可以為金屬。雖可以使用鍍鎳鋼，但不銹鋼常常是理想的，尤其是當所述蓋與陰極電接觸時。蓋形狀的復雜性也會成為材料選擇中的因素。電池蓋可以具有簡單形狀，比如厚的、平盤，或者它也可以具有更復雜的形狀，比如圖2所示的蓋。當蓋具有如圖2中的復雜形狀時，可以使用具有ASTM8-9晶粒尺寸的304型軟化退火不銹鋼，以提供期望的耐腐蝕性和金屬成形容易性。成形的蓋也可以例如用鎳來鍍覆。末端蓋應當具有良好的對周圍環(huán)境中的水所致腐蝕的耐受性，良好的電導率和有吸引力的外觀(當在消費性電池組上可見時)。末端蓋常常由鍍鎳冷軋鋼制成，或由鋼制成，在蓋成形后被鍍鎳。在末端位于壓力釋放通風口之上的情形中，末端蓋一般具有一個或多個孔以促進電池通風。墊圈可以由提供期望密封性能的任何合適的熱塑性材料制成。材料選擇部分基于電解質組成。合適材料的實例包括聚丙烯、聚苯硫醚、四氟化物-全氟烷基乙烯基醚共聚物、聚對苯二甲酸丁二醇酯和它們的組合。優(yōu)選的墊圈材料包括聚丙烯(例如，PRO-FAX6524，獲自Wilmington，DE，USA的BasellPolyolefins)和聚苯硫醚(例如XTELXE3035或XE5030，獲自TheWoodlands，TX，USA的ChevronPhillips)。也可以將少量的其它聚合物、增強無機填料和/或有機化合物添加至該墊圈的基礎樹脂中。所述墊圈可以用密封劑涂覆以提供最好的密封。乙烯丙烯二烯三元共聚物(EPDM)是合適的密封材料，但也可以使用其它合適的材料。通風襯套可以由對高溫下(例如，75°C)的冷流有耐受性的熱塑性材料制成。所述熱塑性材料可以包含基礎樹脂，比如乙烯-四氟乙烯、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚苯硫醚、聚鄰苯二甲酰胺、乙烯-氯三氟乙烯、氯三氟乙烯、全氟-烷氧基烷烴、氟化全氟乙烯聚丙烯和聚醚醚酮。優(yōu)選乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、聚苯硫醚(PPS)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)和聚鄰苯二甲酰胺。樹脂可以通過添加熱穩(wěn)定性填料來改性以提供高溫下具有期望密封和通風特征的通風襯套。所述襯套可以由熱塑性材料注射塑模。TEFZELHT2004(具有切碎的玻璃填料的ETFE樹脂)、聚鄰苯二甲酰胺(例如AMODELET10011NT，獲自SolvayAdvancedPolymers,Houston,TX)和聚苯硫醚(例如，例如XTELXE3035或XE5030，獲自TheWoodlands,TX,USA的ChevronPhillips)是優(yōu)選的熱塑性襯套材料。通風球可以由任何合適的材料制成，所述材料在與電池內容物接觸時穩(wěn)定，并且提供期望的電池密封和通風特征?？梢允褂貌ＡЩ蚪饘伲热绮讳P鋼。在使用箔通風口代替上述通風球組裝件(例如，按照U.S.專利申請出版物No.2005/0244706)的情形中，上述提到的材料仍可被適當?shù)靥娲?。所述陽極包含鋰金屬條，有時稱作鋰箔。盡管對于電池組級鋰，純度通常高，但鋰的組成可以改變。鋰可以與其它金屬比如鋁形成合金，以提供期望的電池電性能或操作容易性，盡管在任何合金中鋰的量任然應被最大化，且并未考慮設計用于高溫應用(即，高于純鋰的熔點)的合金。含有0.5wt%鋁的合適的電池組級鋰-鋁箔可由ChemetallFooteCorp.,KingsMountain,NC,USA獲得。優(yōu)選基本由鋰或鋰合金(例如，0.5wt.%Al和99+wt.%Li)構成的陽極，且重點是使得活性材料(也即，鋰)在任何該類合金中的量最大化。如在圖2的電池中，因為鋰具有高電導率，故分離的集電器(也即，陽極焊接或涂覆于其上的電導構件比如金屬箔，或者沿陽極的大部分長度延展以使該集電極會被螺旋纏繞在膠輥內的電導條)對于陽極來說并不需要。通過不使用這類集電器，可使容器內有更多空間可用于其它部件，比如活性材料。陽極集電器可以由銅和/或其它合適的高傳導率金屬制成，只要它們在暴露于電池的其它內部部件(例如，電解質)時穩(wěn)定，并且也因此增加了成本。電連接可以維持在各電極和貼近或與外殼集成的相反末端之間。電引線36可以由薄金屬條制備，其將陽極或負電極連接至一個電池末端(示于圖2的FR6電池的情形中的罐)。當該陽極包括這種引線時，它基本沿著膠輥電極組裝件的縱軸取向，并沿著該陽極的寬度部分地延伸。這可以通過將該引線的端部嵌入到該陽極的一部分之內或通過將引線的一部分(比如端部)簡單地壓在鋰箔的表面上來實現(xiàn)。鋰或鋰合金具有粘著性，且一般引線和電極之間的至少輕微的、足夠的壓力或接觸就會將所述部件焊接到一起。所述負電極在纏繞到膠輥構造之前可提供有引線。該引線也可以經(jīng)由適當?shù)暮附舆B接。構成引線36的金屬條常常由具有足夠低電阻(例如，一般小于15mQ/cm，且優(yōu)選小于4.5mΩ/cm)的鎳或鍍鎳鋼制成，以允許經(jīng)由該引線提供足夠的電流傳遞且對該電池的使用壽命具有最小的或者沒有影響。合適的負電極引線材料的實例包括，但不限于銅、銅合金，例如銅合金7025(包含約3%鎳、約0.65%硅和約0.15%鎂、余量為銅和較少量雜質的銅、鎳合金)；銅合金110；和不銹鋼。引線材料應當選擇以使得組合物在包括非水性電解質的電化學電池中穩(wěn)定。一般來說，引線材料不應包括或者僅應包括較少量(雜質)的鋁、鐵和鋅。陰極為條的形式，其包含集電器和混合物，該混合物包括一種或多種通常顆粒形式的電化學活性材料。二硫化鐵(FeS2)是優(yōu)選的活性材料。在Li/FeS2電池中，所述活性材料包含大于50wt%WFeS2。取決于所期望的電池電特征和放電特征，所述陰極也可以含有一種或多種另外的活性材料。所述另外的活性陰極材料可以是任何合適的活性陰極材料。實例包括金屬氧化物，Bi203、C2F,CFx,(CF)n,CoS2,CuO、CuS,FeS、FeCuS2,MnO2,Pb2Bi2O5和S。更優(yōu)選地，用于Li/FeS2電池陰極的活性材料包含至少約95wt%FeS2,還更優(yōu)選至少約99wt%FeS2,且最優(yōu)選FeS2為唯一的活性陰極材料。具有至少95wt%純度水平的FeS2可由WashingtonMills,NorthGrafton,MA,USA；ChemetallGmbH,Vienna,Austria；禾口KyaniteMiningCorp.，Dillwyn，VA，USA獲得。應注意的是，F(xiàn)eS2“純度”的討論認可了黃鐵礦是FeS2的特殊且優(yōu)選的礦物形式。然而，黃鐵礦時常具有低水平的雜質(典型地為硅氧化物)，并且因為在黃鐵礦中僅FeS2是電化學活性的，故對FeS2的百分比純度的提及是相對于黃鐵礦的量，通?；谥亓堪俜謹?shù)。陰極、其配制和制造該陰極的方式的更全面描述提供如下。集電器可以設置在陰極表面內或嵌入陰極表面，或者可將陰極混合物涂覆在薄金屬條的一側或兩側上。鋁是通常使用的材料。集電器可以延伸超過所述陰極的含有陰極混合物的部分。集電器的該延伸的部分可以提供方便的區(qū)域用于制造與連接到正極末端的電引線的接觸。理想的是使該集電器的延伸部分的體積最小，以得到盡量多的可用于活性材料和電解質的電池內部體積。所述陰極電連接至電池的正極末端。這可以用如圖2所示的常常為薄金屬條或彈簧的形式的電引線來實現(xiàn)，盡管也可以是焊接連接。該引線常常由鍍鎳不銹鋼制成。而另一個實施方案可以使用類似于公開在美國專利出版物No.20070275298和/或應當在2008年10月16日或之后出版的美國專利申請序列No.11/787，436中的連接，兩者均普通地轉讓于本申請的受讓人，且此處通過引用并入。值得注意的是，直到電池設計可以使用這些可選電連接器/限流裝置之一的程度，可以避免使用PTC。在使用任選的限流裝置比如標準PTC來作為安全機構以防止該電池的失控放電/加熱的情形中，合適的PTC是由MenloPark,CA,USA的TycoElectronics銷售的。典型的標準PTC裝置一般包含大約36mQ/cm的電阻。也可用的是其它可選物，包括具有大約18mQ/cm的更低電阻裝置。隔離物是薄微孔膜，其是離子可透過的且電非傳導性的。能夠在該隔離物的氣孔內容納至少一些電解質。該隔離物被設置在陽極和陰極的相鄰表面之間，以使電極互相電絕緣。隔離物的一部分也可以隔離與電池末端電接觸的其它部件，以防止內部短路。隔離物的邊緣常常延伸超過至少一個電極的邊緣以確保即便陽極和陰極并不完美地互相排列時，它們也不會產(chǎn)生電接觸。然而，理想的是將延伸超過電極的隔離物的量最小化。為了提供良好的高功率放電性能，理想的是隔離物具有1994年3月1日授權的U.S.專利No.5，290，414中公開的特征(最小尺寸至少約0.005μm且最大尺寸不超過約5μm(跨距)的氣孔，約30-70%范圍內的孔隙度，2至15歐姆-cm2的面積比電阻和小于2.5的曲率)，并且該專利通過引用特此并入。合適的隔離物材料也應當足夠堅固以經(jīng)得起電池制造過程、以及在電池放電過程中可能施加到該隔離物上的壓力，而不出現(xiàn)撕裂、裂縫、孔洞或其它可導致內部短路的缺口。為了最小化電池中隔離物的總體積，隔離物應當盡可能的薄，優(yōu)選小于約25μm厚，且更有選不大于約22μm厚，比如20μm或16μm。期望高拉伸應力，優(yōu)選在橫向上為至少約500kgf/cm2，在機器方向上為至少約700kgf/cm2。優(yōu)選地，平均介電擊穿電壓將為至少約1500伏。優(yōu)選的最大有效氣孔大小為約0.08μm至0.40μm。優(yōu)選BET比表面積將為不大于40m2/g-至少約15m2/g，且面積比電阻優(yōu)選為小于5.0歐姆-cm2。這些性質更具體地記載在U.S.專利出版物No.2005/0112462中，該出版物通過引用特此并入。最后，必須將隔離物的厚度最優(yōu)化以允許電極的充分物理隔離(特別是在濫用條件下)，同時仍提供最佳的離子傳導。成本考慮連同更薄的隔離物可以在膠輥中活性材料之間實現(xiàn)更多表面面積的事實，決定了可能最薄的隔離物也許不一直是優(yōu)選選擇，特別是在電極的厚度也影響膠輥中的表面面積并因而影響最終要求的隔離物的量方面來說。因而，具有16-25微米厚度的微孔膜、結合陰極組成以及此處所公開的對容器強度的限制，形成了本發(fā)明的優(yōu)選方面。更加優(yōu)選地，考慮了具有聚丙烯和/或聚乙烯，且厚度為約16至約22微米的微孔膜。類似地，電極的厚度影響膠輥中表面面積的量。同樣，厚度和表面面積進一步?jīng)Q定放電過程中反應如何進行和最后需要多少空隙空間以及在放電過程中多大的徑向力被施加到容器上。因此，具有約150-約200微米厚度的陽極和具有約180-約220厚度(包括集電器的厚度，在陰極涂層干燥和壓延之后測量)的陰極是優(yōu)選的。這些厚度代表當整個電極結合到膠輥組裝件中時(即，陰極集電器兩側上的涂層和從兩個表面放電的陽極)的整個電極。相應地，標準FR6電池中電極間界面表面積的優(yōu)選量(即，越過隔離物互相相鄰的陽極和陰極的量，因此預期為放電/傳輸容量)為約185至230cm2。用于鋰電池組中的隔離物膜常由聚丙烯、聚乙烯或超聚合物量聚乙烯制成，且優(yōu)選聚乙烯。所述隔離物可以是雙軸取向微孔膜的單一層，或者可以層疊兩層或更多層以在正交方向上提供期望的拉伸強度。優(yōu)選單一層以最小化成本。合適的單一層雙軸取向聚乙烯微孔隔離物可由TonenChemicalCorp.獲得，可由EXXONMobileChemicalCo.,Macedonia，NY，USA獲得。SetelaF20DHI級隔離物具有20μm標稱厚度，Setela16MMS級具有16μm標稱厚度。具有類似性質的合適隔離物也可由EntekMembranes,Lebanon,0R,USA獲得。本發(fā)明的電池組電池(batterycell)中使用含有僅僅極少量水作為雜質(例如，取決于所使用的電解質鹽，以重量計每百萬份不超過約500份)的非水性電解質?？梢允褂眠m于與鋰和活性陰極材料使用的任何非水性電解質。該電解質含有一種或多種溶解在有機溶劑中的電解質鹽。對于Li/FeS2電池來說，合適鹽的實例包括溴化鋰、高氯酸鋰、六氟磷酸鋰、六氟磷酸鉀、六氟砷酸鋰、三氟甲磺酸鋰和碘化鋰；合適的有機溶劑包括一種或多種下述溶劑碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸亞乙酯、碳酸亞丙酯、碳酸1，2_亞丁酯、碳酸2，3-亞丁酯、甲酸甲酯、Y-丁內酯、環(huán)丁砜、乙腈、3，5-二甲基異噁唑、η,η-二甲基甲酰胺和醚。所述鹽/溶劑組合將提供足夠的電解電導率和電導率以滿足所期望溫度范圍內的電池放電要求。因為其一般地低的粘度、良好的潤濕能力、良好的低溫放電性能和良好的高速率放電性能，醚常常是理想的。這在Li/FeS2電池中特別如此，因為醚比用MnO2陰極更加穩(wěn)定，故可以使用更高的醚水平。合適的醚包括但不限于無環(huán)醚比如1，2-二甲氧基乙烷、1，2_二乙氧基乙烷、二(甲氧基乙基)醚、三甘醇二甲醚、四甘醇二甲醚(tetraglyme)和二乙醚；和環(huán)醚比如1，3_二氧戊環(huán)、四氫呋喃、2-甲基四氫呋喃和3_甲基-2-噁唑烷酮。合適的電解質的實例公開在U.S.專利No.5，290，414和5，514，491中，它們通過引用特此并入。1，3_二氧戊環(huán)和1，2_二甲氧基乙烷是優(yōu)選的溶劑，而碘化鋰和/或至少一種下述鹽是優(yōu)選的鹽三氟甲磺酸鋰、亞氨基化鋰和高氯酸鋰。陽極、陰極和隔離物條在電極組裝件中結合到一起。該電極組裝件可以是螺旋纏繞設計，比如圖2中所示，通過圍繞心軸纏繞交替的陰極、隔離物、陽極和隔離物的條而制成，所述心軸在纏繞結束后從所述電極組裝件取出。一般至少一層隔離物和/或至少一層電絕緣膜(例如，聚丙烯)纏繞所述電極組裝件的外側周圍。這用于許多目的其有助于將所述組裝件保持在一起，并且可以用于調節(jié)該組裝件的寬度或直徑至期望的尺寸。隔離物或其它外膜層的最外端可以用一片粘合膠帶或通過熱密封來固定。陽極可以是最外面的電極，如圖2所示，或者陰極可以是最外面的電極。任一電極均可與電池容器電接觸，但是當最外面的電極是意欲與該罐電接觸的同一電極時，該最外面的電極和容器側壁之間的內部短路可被避免。電池可以使用任意適合的工藝來封閉和密封。這類工藝可包括，但不限于卷邊、再拉制、套爪(colleting)和它們的組合。例如，對于圖2中的電池，在插入電極和絕緣錐體后，在罐中形成卷邊(bead)，并將墊圈和蓋組裝件(包括電池蓋、接觸彈簧和通風襯套)置于該罐的開口端中。將該電池支持在所述卷邊處，同時將所述墊圈和蓋組裝件向下推向所述卷邊。將所述卷邊上方的罐的頂部直徑用分節(jié)的套爪減小，以將墊圈和蓋組裝件在該電池中保持就位。在將電解質經(jīng)由通風襯套和蓋中的孔隙分配至該電池中后，將通風球插入所述襯套中以密封電池蓋中的孔隙。將PTC裝置和末端蓋置于電池上在電池蓋上方，并用卷邊模具將罐的頂緣向內彎曲以夾持和保持所述墊圈、蓋組裝件、PTC裝置和末端蓋，并通過所述墊圈完成該罐開口端的密封。盡管許多用電裝置在環(huán)境溫度下有較高的電耗率(也即，200mA和以上，基于連續(xù)的或間斷的)，但本發(fā)明人對極低電耗速率和在升高的溫度——即，在45°C或高于45°C以小于IOmA連續(xù)電耗——進行觀察，發(fā)現(xiàn)對于FR6電池組(包含鋰陽極、FeS2陰極和非水性電解質)的正常一步式放電曲線，如圖1中所例示，分裂成兩個清晰的電壓平臺(如圖1中沿著右手軸所示)，其中曲線Al表示45°C的8mA連續(xù)電耗，曲線A2表示室溫200mA連續(xù)電耗值得注意的是，相信該兩步放電對應于下述反應，其中第一步在環(huán)境條件下正常會快速進行2Li+FeS2“Li2FeS22Li+Li2FeS22Li2S+Fe假定標準大小的容器中限定的內部體積，可以使用施加到容器放電上的力(由該容器內形成/膨脹的反應產(chǎn)物所引起)，以測定該電池的內部空隙體積。就該膨脹在環(huán)境溫度下在穩(wěn)定狀態(tài)下發(fā)生來說，然后可以使用源自完全放電的電池的信息來確定提供于最初電池設計中的初始空隙體積。應注意的是，“初始”內部空隙體積將在電池基本為0%放電時，但在完成任意常規(guī)調節(jié)或預放電之后，進行測量。因此，將應變測量儀校準以量化使用空的10密耳鍍鎳冷軋鋼(CRS)容器由鋰-二硫化鐵膠輥電極組裝件施加的徑向力。受控的氣壓在電池內產(chǎn)生不同量的徑向力，記錄所述測量儀的性能/輸出。進而，隨后使用這些性能量度并結合應變測量儀，以測定放電循環(huán)全過程中在實際FR6電池中由膠輥對該容器施加的徑向力(如圖1的左側，記為磅/平方英寸)，其中曲線Bl和B2所表示的針對8mA/45°C行為的結果與圖1中的200mA/環(huán)境條件。由該信息，可以確定用于改良的鋰-二硫化鐵電池的空隙空間的最佳量。也就是說，使用應變測量儀作為代理，可以在任意電池組的放電過程中進行測量，以使放電過程中已知構造(也即，材料和厚度)的容器上的應變與提供于膠輥電極組裝件的初始設計中的空隙量相關。相信施加在容器上的徑向力代表著所使用的陰極涂層配方以及本文討論的其它關鍵電池設計考慮的組合。為了確保安全操作并消除在電池放電期間出現(xiàn)解體的可能性，優(yōu)選對電池進行設計以將所述徑向力限定為容器的整個脆裂強度或屈服強度的大約70%_80%，無論它是冷軋鋼(CRS)、鈦、鋁、不銹鋼或某種其它金屬/合金。依靠這些參數(shù)，產(chǎn)生了全面的電池設計，其主要集中于兩個互相相關的特征改良的陰極涂層配方和適當惰性組分的選擇，這兩者和由電池組放電過程中預期進行反應(并因而膨脹)的二硫化鐵的量所決定的空隙需求相一致。適當?shù)亩栊?非活性材料必須被應用于總的電池組設計，該設計在長時期內、在用電電池組所典型遇到的各種環(huán)境條件下，對電池組提供一致性的可靠性和安全性。對于陰極，所有已知的市售FR6和FR03電池組均結合有涂覆到金屬性箔集電器(典型地為具有約16至20μm厚度的鋁箔)上的陰極。該陰極被作為混合物涂覆，所述混合物含有許多必須仔細選擇以平衡涂層的加工性、傳導率和總效率的材料。該涂層主要由下述構成二硫化鐵(及其雜質)；一般用于將顆粒材料固定在一起并將該混合物粘附至集電器的粘合劑，比如聚合物粘合劑；添加以對該混合物提供改良電導率的一種或多種導電材料比如金屬、石墨和炭黑粉末，但是導體的量取決于活性材料和粘合劑的電導率、集電器上混合物的厚度以及集電器設計；和取決于涂覆方法、所用溶劑和/或混合方法本身的各種加工助劑或流變助劑，比如蒸氣沉積二氧化硅(AER〇SIL200)或高堿性磺酸鈣復合物(EFKA6950)。以前的設計方法集中在改良的粘附性上，以聚合物變化為基礎，其允許施加更大的壓緊力但并未改善基礎活性能量體積百分數(shù)(basicactiveenergyvolumetricpercentage)0相反，在下述表2a和2b中所示的本發(fā)明陰極混合配方則以最小化非電化學活性材料和使用起到多種功能的添加劑為基礎。也就是說，導體提供短和長兩個范圍的電導率(作為實例，石墨化乙炔或炭黑)，加工助劑提供漿料/分散體穩(wěn)定性以及流變性能(比如，用于高質量涂層的剪切靈敏度，和通過中和隨時間產(chǎn)生的酸性副產(chǎn)物的黃鐵礦穩(wěn)定性)。該方法允許最小量的聚合物粘合劑以將組分固定到一起，并最小化否則由粘合劑造成的電絕緣效果(這進而會需要更多的導體)。以下是在新陰極配方中所使用的代表性材料。所述活性材料包含黃鐵礦，其為至少約95wt.%純(“電池組級”)。該導體可以包含獲自SuperiorGraphiteChicago,IL的PureBlack(炭黑)205-110、和/或獲自TimcalWestlake，OH的MX15。所述粘合劑/加工助劑可以包含聚合物粘合劑，該聚合物粘合劑包含苯乙烯_乙烯/丁烯_苯乙烯(SEBS)嵌段共聚物，比如獲自KratonPolymersHouston,TX的gl651和獲自Ciba，Heerenveen,Netherlands的EFKA6950高堿性磺酸鈣復合物、或獲自EvonikIndustriesAG,Essen,Germany的AEROSIL200蒸氣沉積二氧化硅。在任意前述材料中可天然存在少量的雜質，但是應當注意使用可獲得的最高純度黃鐵礦源以便最大化存在于陰極中的FeS2的量。關于陰極配方，優(yōu)選具有至少約94wt%的活性材料，該活性材料包含電池組級或更純的黃鐵礦。更優(yōu)選具有至少約95wt%的包含黃鐵礦的活性材料。更優(yōu)選具有至少約96wt%的包含黃鐵礦的活性材料。還更優(yōu)選具有至少約96.5襯％的包含黃鐵礦的活性材料。就FeS2是陰極干混物中最致密的成分來說，陰極干混物密度越高，則預示著陰極涂層中有越多的FeS2。陰極涂層中活性材料的量可以通過制備前分析混合物來測定，或者可以通過測定配制后的鐵含量并將鐵的檢出水平與陰極中黃鐵礦的重量百分數(shù)相關來測定。配制后鐵含量的檢測方法可以通過下述實施在酸中溶解已知量(以質量和體積/面積為單位)的陰極，然后使用常見定量分析技術(比如感應耦合等離子體原子發(fā)射光譜法或原子吸收光譜法)檢測該溶解的樣品中鐵的總量。依照該方法的已知涂覆的陰極配方的檢測已經(jīng)驗證了鐵的總量代表著電池中的FeS2(特別是就最大化該陰極涂層中FeS2W純度是理想的情形來說)。也可以能夠使用比重計來測定陰極密度，但是某些粘合劑在暴露于鋰_二硫化鐵電池的內部環(huán)境可能會經(jīng)歷體積變化以使通過該方法建立的密度可能需要進一步調整以得出陰極干混合密度。值得注意的是，樣品中鋁的量的檢測將允許以類似的方式(例如，ICP-AES或AA光譜學)來計算集電器的厚度(當集電器是鋁時)。可以采用其它類似的分析技術來對粘合劑、加工助劑等進行檢測，具體取決于那些成分的原子和/或分子組成，并且陽極和/或隔離物的分析可使用類似的分析和定量/定性技術進行。另外地，優(yōu)選具有小于約6wt.%的導體、粘合劑和加工助劑的組合。更優(yōu)選具有小于約5wt%。更優(yōu)選具有小于約的導體、粘合劑和加工助劑的組合。還更優(yōu)選具有小于約3.5wt%。對于導體而言，優(yōu)選所述陰極混合物中具有小于約3wt.%的導體。更優(yōu)選具有小于約2wt%的導體。對于粘合劑而言，優(yōu)選所述陰極混合物中具有小于約3wt%的粘合劑。更優(yōu)選具有小于約的粘合劑。還更優(yōu)選該混合物中具有小于約1.5wt%的粘合劑。對于加工助劑而言，優(yōu)選所述陰極混合物中具有小于約的加工助劑。更優(yōu)選在該混合物中具有約0.5wt%或更少。就完全的陰極混合物組成而言，理想的是具有下述陰極混合物，其具有大于約Mwt.%且小于約99wt.%的包含黃鐵礦的活性材料、約0.1-3.Owt.%的導體、約0.1-3.Owt.%的粘合劑和約0-1.Owt.%的加工助劑。更理想的是具有下述陰極混合物，其具有約95-98wt%的黃鐵礦、約0.5-2.Owt.%的導體、約0.5-2.Owt.%的粘合劑和約0.1-0.5wt.%的加工助劑。還更理想的是具有下述陰極混合物，其具有約96-97wt.%的黃鐵礦、約1.0-2.Owt.%的導體、約1.0-1.5wt.%的粘合劑和約0.3-0.5wt.%的加工助劑。還理想的是使用具有小粒度的陰極材料，以最小化刺穿隔離物的風險。例如，可以篩分!^eS2，至少經(jīng)由230目(62μπι)或更小的篩網(wǎng)。更優(yōu)選地，可以將1研磨或加工，如U.S.專利出版物No.2005/0233214(其通過引用并入此處)中記載的那樣。在一個實施方案中，對1優(yōu)選的是進行介質研磨以具有10μm或更少的平均d50粒度。其它陰極混合物成分應當仔細選擇，著眼于化學相容性/反應性并避免類似地基于粒度的機械故障問題。還理想的是形成下述陰極混合物組成，其具有較大體積百分比的活性材料和減小的體積百分數(shù)的非活性材料?，F(xiàn)有技術實例已經(jīng)顯示黃鐵礦占陰極混合物的約78.8-81.3體積％。另外，導體、聚合物粘合劑和加工助劑分別占約9.2-11.5體積％、7.3-9.3體積％和0-1.1體積％。使用以上討論的各種優(yōu)選材料，理想地實現(xiàn)下述陰極混合物，其具有大于約85體積％的黃鐵礦。更優(yōu)選實現(xiàn)大于約87體積％的黃鐵礦。還更優(yōu)選在該陰極混合物中實現(xiàn)大于約89體積％的黃鐵礦。另外，優(yōu)選實現(xiàn)小于約6體積％的導體。更優(yōu)選實現(xiàn)小于約5體積％的導體。還更優(yōu)選在該陰極混合物配方中實現(xiàn)小于約4體積％的導體。值得注意的是，本領域中存在一般性教導，比如中國專利申請No.200410(^6754.0，其記載了極寬范圍的可能陰極配方。在所引用的實例中，它考慮了下述涂層，其具有60-99wt.%的二硫化鐵、0.5-20wt.%的“膠粘劑”以及0.5-20Wt%的導電添加劑。然而，在電池組的設計考慮上，特別是對于電池容器，膠輥成分尺寸或其它非活性物，并未提供進一步指導。為了舉例說明，該具體出版物中優(yōu)選配方的實例簡單地公開了具有87.7wt.%的FeS2、5.3wt.%的導電添加劑和7.Owt%的膠粘劑的涂層，所得的電池(推測為AA大小)僅僅輸送約3000mAh的容量(以IOOOmA放電至0.8V截止電壓)和3IOOmAh的容量(以200mA放電至0.8V截止電壓)。還理想的是形成下述陰極混合物組成，其具有最低的陰極干混合密度?，F(xiàn)有技術典型地具有約4.12至4.31g/cc的干混合密度。使用以上討論的各種優(yōu)選材料以它們的優(yōu)選組成水平，可以實現(xiàn)將陰極干混合密度增加為大于約4.35g/cc。更優(yōu)選實現(xiàn)大于約4.40g/cc的干混合密度。還更優(yōu)選實現(xiàn)大于約4.45g/cc的干混合密度。使用許多合適的工藝(比如三輥翻轉、逗號涂層(commacoating)或狹縫模涂)將陰極混合物施加到箔集電極上?？梢允褂糜涊d在U.S.專利申請序列No.11/493，314(其應該在2008年1月31日或之后出版，且通過引用并入)中的涂層方法。制造FeS2陰極的一個優(yōu)選方法是將活性材料混合物材料在高揮發(fā)性有機溶劑(例如，三氯乙烯)中的漿料輥涂到鋁箔片的兩側，干燥涂層以除去溶劑，壓延經(jīng)涂覆的箔以壓緊該涂層，切割該經(jīng)涂覆的箔至期望寬度并將該細長陰極材料的條切成期望長度。盡管可以使用其它溶劑(包括基于水性的組合物)來輥涂上述的陰極混合物，但使用揮發(fā)性溶劑最大化回收該溶劑的效率。在干燥以除去任何不需要溶劑之后或同時，將所得陰極條經(jīng)由壓延或類似方式致密化，以進一步壓緊整個正電極。根據(jù)然后用隔離物和類似(但不必相同)大小的陽極條來螺旋纏繞該條以形成膠輥電極組裝件的事實，該致密化最大化了膠輥電極組裝件中電化學材料的載量?，F(xiàn)有技術實例已顯示陰極載量為約21-22mg/cm2。在一個實施方案中，該陰極載量可以增加至大于約24mg/cm2。然而，陰極不能被過度致密化，因為需要一些內部陰極空隙以允許放電以及二硫化鐵被有機電解質潤濕的過程中二硫化鐵的膨脹。更特別地，關于可施加來將涂層壓緊為高密度的力的量也存在操作限制，由這種力產(chǎn)生的對集電器的應力可以導致涂層出現(xiàn)不想要的伸長和/或實際的分層。因此，優(yōu)選陰極配方中存在足夠的陰極空隙體積。優(yōu)選陰極中的空隙體積為約20至50%。更優(yōu)選其在約25至45%。還更優(yōu)選該空隙體積為約28至40%。對于適當惰性材料(所有都在上面指明和記載)的選擇，特別關注的是選擇具有足夠拉伸強度的隔離物，容器和具有充分厚度以經(jīng)得起由膠輥(其結合有表2a和2b的改良陰極涂層)施加的徑向力的隔離物以及對放電之前電池內內部空隙體積的指定初始量的慎重規(guī)定是關鍵部分?？梢栽诟鞣N不同檢測中基于電化學電池性能來測量對電化學電池的改進。在一個方面，該電化學電池可以在數(shù)字靜態(tài)照相機(DSC)中按照上述檢測程序來檢測。在該DSC檢測中，照相機每分鐘拍攝兩張照片/圖像，直到電池壽命耗盡。典型的現(xiàn)有技術Li/FeS2電池已經(jīng)顯示能夠持續(xù)約320分鐘(或640幅圖像)。這通常是典型的堿性電池組的四至八倍長。在一個方面，該改進的陰極配方優(yōu)選可以拍攝至少約350分鐘(700幅圖像)。更優(yōu)選拍攝至少約360分鐘(720幅圖像)。還更優(yōu)選拍攝至少約370分鐘(740幅圖像)。在另一個方面，所述電化學電池可以在恒流電耗條件下進行檢測，至1.OV的截止電壓。優(yōu)選在環(huán)境溫度下在200mA恒流電耗下實施該檢測。電池性能可以依據(jù)能量(mWh)或能量/電池重量(Wh/kg或mWh/g)來限定。典型的現(xiàn)有技術Li/FeS2電池已經(jīng)顯示在200mA恒定電耗能夠制造約4200至4400mWh，或接近于約300Wh/kg。在一個方面，改進的電化學電池可以在200mA的恒定電耗制造至少約4550mWh。更優(yōu)選制造至少約4650mWh。還更優(yōu)選制造至少約4750mWh。可選地，該電化學電池可以制造至少約310Wh/kg。更優(yōu)選制造至少約315Wh/kg。還更優(yōu)選制造至少約320Wh/kg。還更優(yōu)選制造至少約325Wh/kg。對于依照本發(fā)明的FR03電池組，在IOOmA連續(xù)電耗至1.OV截止電壓下，可以實現(xiàn)大于1950mAh的容量和^5Wh/kg的能量密度。在另一個方面，所述電化學電池可以在恒功率電耗條件下進行檢測，至1.0V截止電壓。優(yōu)選在環(huán)境溫度下在IOOOmW恒功率電耗下實施該檢測。電池性能可以依據(jù)能量(mWh或Wh)或能量每電池重量(Wh/kg)來限定。典型的現(xiàn)有技術電池已經(jīng)顯示在IOOOmW的恒功率電耗下，能夠制造約3600至3800mWh，或大約250Wh/kg。在一個實施方案中，改進的電化學電池在IOOOmW的恒功率電耗下可以產(chǎn)生至少約4100mWh。更優(yōu)選制造至少約4200mWh。還更優(yōu)選制造至少約4300mWh?？蛇x地，該電化學電池可以制造至少約270Wh/kg。還更優(yōu)選制造至少約^OWh/kg。還更優(yōu)選制造至少約^OWh/kg。還更優(yōu)選制造至少約300Wh/kg。以上描述特別與圓柱形電池(比如FR6和FR03型)有關，該電池如InternationalElectrotechnicalCommission,Geneva,Switzerland出版的InternationalStandardsIEC60086-1和IEC60086-2所限定。然而，本發(fā)明也適于其中側壁高度超過容器直徑的其它圓柱形電池大小、具有其他陰極涂層方案和/或密封和/或壓力釋放通風設計的電池。為了比較，本發(fā)明之時公眾可獲得的已知市售Lii^S電池組，在FR03大小中，在IOOmA連續(xù)至1.OV截止電壓輸送約1800mAh，具有約M4Wh/kg的相應能量密度。市售可得的FR6電池組在200mA連續(xù)至1.OV截止電壓下提供約3100mAh。關于之前已知的FR6電池組的性能的進一步信息也可以見于以下實施例中。在兩種情形(和如圖1中結合FR6電池組更好例示的)中，這些市售電池組沒有施加低于50%的、更具體為約45%的所述容器的屈服強度。本發(fā)明的特征和其優(yōu)點將由實施本發(fā)明的那些人進一步認識到。而且，將認識到部件的一些實施方案和如本文所述組裝起來的電池的性能。以同樣方式，實施本發(fā)明的那些人和本領域技術人員將認識到在不偏離所公開概念的精神下可以對本發(fā)明進行各種改變和改進。提供的保護范圍將由權利要求和法律許可的理解寬度來確定現(xiàn)在，本發(fā)明將參照以下非限定性實施例進行描述。除非實施例中另有說明，否則各電池的隔離物厚度均為20微米。實施例1在此實施例中，如下構建了包含鋰作為活性陽極材料和黃鐵礦作為活性陰極材料的電化學電池。提供了用鋁合金化的鋰金屬箔連續(xù)條，以及鋁陰極集電器連續(xù)條。使用下述固體制備陰極涂料漿料權利要求1.電池組，其包含a.膠輥電極組裝件，該組裝件包含鋰陽極、具有16-22微米厚度的微孔隔離物、和包含集電器與涂層的陰極，其中所述涂層具有至少4.4g/cc的干混合密度；b.有機電解質，包含1，3_二氧戊環(huán)和1，2_二甲氧基乙烷；c.圓柱形容器，該容器具有屈服強度、高度和直徑，所述高度超過所述容器的直徑；和d.其中，在任意放電條件下，所述膠輥電極組裝件施加大于50%但不超過80%的所述容器的屈服強度。2.權利要求1所述的電池組，其中對于FR6電池組而言，所述電池組在200mA連續(xù)電耗下具有至少4000mAh的容量，或對于FR03電池組而言在IOOmA連續(xù)電耗下具有至少1950mAh的容量。3.權利要求2所述的電池組，其中所述涂層進一步包含導體、粘合劑、加工助劑、或它們的組合。4.權利要求3所述的電池組，其中所述涂層包含小于2wt.%的導體。5.權利要求4所述的電池組，其中所述涂層包含2wt.%或更少的粘合劑、加工助劑、或它們的組合。6.權利要求1所述的電池組，其中所述圓柱形容器由冷軋鋼形成。7.權利要求6所述的電池組，其中所述圓柱形容器在該電池是FR6電池時具有厚度7-10密耳的壁，在該電池是FR03電池時具有厚度6-9密耳的壁。8.FR6鋰-二硫化鐵電池組，其包含a.膠輥電極組裝件，該組裝件包含螺旋纏繞的陽極、隔離物和陰極，所述陽極基本由鋰或鋰合金構成，所述陰極基本由干燥于金屬性箔集電器上的漿料涂層構成，所述涂層基本由(i)95.0-98.0財％的佝&，(ii)2.0-5.Owt.%的非活性材料構成，其中全部所述均基于干燥涂層的總重量但不包括集電器的重量，且其中所述非活性材料是選自由下述構成的組的至少一種導體、粘合劑和加工助劑；和b.有機電解質；c.圓柱形容器；和d.其中該電池提供以下性能特征中的至少一種(i)以IOOOmW恒功率直到1.0V截止電壓，大于約270Wh/kg的能量密度；(ii)以200mA恒流直到1.0V的截止電壓，大于約315ffh/kg的能量密度；和(iii)依照ANSI數(shù)字靜態(tài)照相機試驗的至少700幅圖像。9.權利要求8所述的電池組，其中所述涂層包括1.0-3.Owt%的導體和0.1-3.Owt.%的粘合劑。10.權利要求9所述的電池組，其中所述涂層進一步包括0.1-0.5wt.%的加工助劑。11.權利要求8所述的電池組，其中供給至所述漿料涂層的干燥材料具有至少4.4g/cc的干混合密度。12.權利要求8所述的電池組，其中所述1包含小于10微米的平均d50顆粒尺寸。13.制造在IOOOmW恒功率電耗時具有至少4Wh的容量的鋰電池組的方法，該方法包含下述步驟a.選擇容器，該容器具有適合于FR6電池組的大?。籦.確定必需的1的量，所述量確保在該電池完全放電時徑向膨脹力為所述容器的屈服強度的50%_80%，此時徑向膨脹力在所述電池組在任意條件下的放電期間處于最大值；c.將1以所述確定的量供給至漿料混合物并將該漿料混合物涂覆到金屬性箔集電器之上，所述漿料混合物相較于供給至所述漿料混合物的固體的總重量具有大于的FeS2；d.通過用隔離物和基本由鋰或鋰合金構成的陽極條來纏繞經(jīng)涂覆的集電器而形成膠輥電極組裝件；e.將所述膠輥電極組裝件置于所述圓柱形容器內并封閉該容器。14.依照權利要求13所述的方法制造的電化學電池。15.制造在IOOOmA恒功率電耗時具有至少1950mAh的容量的鋰電池組的方法，該方法包含下述步驟a.選擇容器，該容器具有適合于FR03電池組的大?。籦.確定必需的1量，所述量確保在該電池完全放電時膨脹徑向力為所述容器的屈服強度的50%-80%，此時徑向膨脹力在所述電池組在任意條件下的放電期間處于最大值；c.將1以所述確定的量供給至漿料混合物并將該漿料混合物涂覆到金屬性箔集電器上，所述漿料混合物相較于供給至所述漿料混合物的固體的總重量具有大于的FeS2；d.通過用隔離物和基本由鋰或鋰合金構成的陽極條來纏繞經(jīng)涂覆的集電器而形成膠輥電極組裝件；e.將所述膠輥電極組裝件置于所述圓柱形容器內并封閉該容器。16.依照權利要求15所述的方法制造的電化學電池。全文摘要本發(fā)明涉及具有膠輥電極組裝件的電化學電池，所述膠輥電極組裝件包括鋰基負極、具有涂層的正極，所述涂層包含大于大約94wt％的二硫化鐵。文檔編號H01M4/58GK102187494SQ200880112089公開日2011年9月14日申請日期2008年10月17日優(yōu)先權日2007年10月19日發(fā)明者J·馬普爾申請人:永備電池有限公司