專利名稱：電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電池、以及相關(guān)的組件及方法。
背景技術(shù)：
電池或電化學(xué)電池是通常使用的電能來(lái)源。電池包含通常被稱作陽(yáng)極的負(fù)極和通常被稱作陰極的正極。陽(yáng)極包含可被氧化的活性物質(zhì)；陰極包含或消耗可被還原的活性物質(zhì)。陽(yáng)極活性物質(zhì)能夠還原陰極活性物質(zhì)。當(dāng)在裝置中使用電池作為電能來(lái)源時(shí)，與陽(yáng)極和陰極實(shí)現(xiàn)電接觸，從而允許電子流過(guò)裝置并發(fā)生各自的氧化和還原反應(yīng)以提供電能。與陽(yáng)極和陰極相接觸的電解質(zhì)包含流 過(guò)位于電極之間的分隔體的離子，以在放電過(guò)程中保持電池整體的電荷平衡。一種類型的電池包括作為陽(yáng)極活性物質(zhì)的堿金屬和作為陰極活性物質(zhì)的ニ硫化鐵。

發(fā)明內(nèi)容
一般來(lái)講，本發(fā)明涉及包括陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)的電池，所述電解質(zhì)包含一種或多種鋰鹽和溶劑組合。在ー個(gè)方面，所述電池具有陽(yáng)極，所述陽(yáng)極包含含鋰陽(yáng)極活性物質(zhì)；包括過(guò)渡金屬硫化物的陰極；以及包括溶劑中的碘化鋰和六氟磷酸鋰的電解質(zhì)，所述溶劑包括1，3- ニ氧雜環(huán)戊烷和1，2- ニ甲氧基こ烷。電解質(zhì)可包含ー種或多種添加剤，例如3，5- ニ甲基異II惡唑、吡啶和/或水。電解質(zhì)可提供具有良好的安全特性、良好的穩(wěn)定性、良好的高電流和中電流放電特性、以及成本有益效果的電池。電解質(zhì)可具有較低的粘度和良好的導(dǎo)電性。在ー個(gè)方面，本發(fā)明特征在于包括外殼的電池。外殼包括陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)，所述陽(yáng)極包括含鋰陽(yáng)極活性物質(zhì)、所述陰極包含過(guò)渡金屬硫化物或過(guò)渡金屬氧化物、所述電解質(zhì)包含介于0. 05M和0. 5M之間的碘化鋰，介于0. 05M和0. 5M之間的六氟磷酸鋰、按重量計(jì)30%或更多的1，3- ニ氧雜環(huán)戊烷、以及按重量計(jì)20%或更多的1，2- ニ甲氧基こ烷。電池的實(shí)施方案可包括下列ー個(gè)或多個(gè)特征。陰極可包括FeS2、FeSJP / 或 CuS。電解質(zhì)還可包括水(例如，少于500ppm的水，250ppm或更少的水，或者IOOppm或更少的水，介于50ppm和500ppm之間的水,介于IOOppm和400ppm之間的水，或者介于200ppm和300ppm之間的水)。電解質(zhì)可包含添加劑，例如3，5-ニ甲基異|惡唑或吡啶，含量介于500ppm 和 5000ppm 之間(例如，介于 IOOOppm 和 5000ppm 之間，介于 2000ppm 和 4000ppm 之間，介于3000ppm和4000ppm之間)。電解質(zhì)可包含介于0. 05M和0. 3M之間(介于0. 05M和0. 4M之間，介于0. 05M和
0.3M之間，介于0. IM和0. 4M之間，介于0. IM和0. 3M之間，介于0. IM和0. 25M之間，或者介于0. IM和0. 2M之間)的LiI或LiPF6。在一些實(shí)施方案中，電解質(zhì)優(yōu)選地包含介于0. IM和0. 3M之間的碘化鋰，以及介于0. IM和0. 3M之間的六氟磷酸鋰。在電解質(zhì)中，總鹽濃度可為至少約0. 05M (例如，至少0. 1M，至少約0. 3M，至少約0. 5M，或者至少約0. 7M)和/或至多約一摩爾(M)(例如，至多約0. 8M，至多約0. 5M，至多約0. 3M，或者至多0. 1M)。電解質(zhì)可包含按重量計(jì)70%的1，3- ニ氧雜環(huán)戊烷和/或按重量計(jì)30%的1，2- ニ甲氧基こ烷。在一些實(shí)施方案中，電解質(zhì)具有介于0. 6和0. 8cps之間(例如，介于0. 7和0. 8cps之間)的粘度。電解質(zhì)可具有介于100和600 Q cm之間(例如，介于150和600 Q cm之間，介于150和400 Q cm之間，或者介于200和400 Q cm之間)的電阻率。電池在預(yù)放電后具有3. 86Ah或更小的放電比容量。外殼還可包括具有介于35%和65%之間的孔隙率的分隔體。本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的細(xì)節(jié)示出于以下附圖和說(shuō)明中。其它特征和優(yōu)點(diǎn)由發(fā)明詳述、附圖及權(quán)利要求將顯而易見(jiàn)。



圖I為非水性電化學(xué)電池的一個(gè)實(shí)施方案的截面圖。圖2為示出電解質(zhì)組合物的實(shí)施方案的電阻率的圖形。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1，一次電化學(xué)電池10包括與負(fù)極引線14電接觸的陽(yáng)極12、與正極引線18電接觸的陰極16、分隔體20和電解質(zhì)。陽(yáng)極12、陰極16、分隔體20和電解質(zhì)包含在殼體22內(nèi)。電解質(zhì)可包含至少部分溶解于溶劑混合物中的鹽，例如碘化鋰和六氟磷酸鋰，所述溶劑為例如1，3-ニ氧雜環(huán)戊烷(DX和1，2_ ニ甲氧基こ烷(DME)。電化學(xué)電池10還包括頂蓋24和環(huán)形的絕緣墊圈26以及安全閥28。陰極16包括陰極集流體和涂覆到陰極集流體的至少ー側(cè)上的陰極材料。陰極材料包括陰極活性物質(zhì)，并且也可包括一種或多種導(dǎo)電材料(例如導(dǎo)電助劑、電荷控制劑)和/或ー種或多種粘合剤。陰極活性物質(zhì)包括ー種或多種具有化學(xué)式MmSn的過(guò)渡金屬硫化物，其中M為過(guò)渡金屬，m為至少I,并且n為至少I。在一些實(shí)施方案中n為2。在其它實(shí)施方案中n大于
2.5或3. O。過(guò)渡金屬的實(shí)例包括鐵和銅。過(guò)渡金屬硫化物的實(shí)例包括FeS2、FeS、CuS、C0S2、NiS2, MoS2, Co2S9, Co2S7, Ni2S7, Fe2S7, Mo2S30在一些實(shí)施方案中，陰極活性物質(zhì)包括混合金屬硫化物，例如NiCoS7。過(guò)渡金屬硫化物還描述于例如Bowden等人的美國(guó)專利4，891，283和Bowden等人的美國(guó)專利4，481，267中。陰極材料包括例如按重量計(jì)至少約85%和/或按重量計(jì)至多約99%的陰極活性物質(zhì)。導(dǎo)電材料可以增強(qiáng)電化學(xué)電池10內(nèi)的陰極16的導(dǎo)電性。導(dǎo)電材料的實(shí)例包括導(dǎo)電助劑和電荷控制劑。導(dǎo)電材料的具體實(shí)例包括炭黑、石墨化炭黑、こ炔黑和石墨。陰極材料包括例如按重量計(jì)至少約3%且按重量計(jì)最多約8%的一種或多種導(dǎo)電材料。粘合劑可有助于保持陰極材料的均勻性并能增強(qiáng)陰極的穩(wěn)定性。粘合劑的實(shí)例包括線性的ニ嵌段共聚物和三嵌段共聚物。粘合劑的附加實(shí)例包括與三聚氰胺樹脂交聯(lián)的直鏈三嵌段聚合物；こ烯-丙烯共聚物；こ烯-丙烯-ニ烯三元共聚物；三嵌段氟化熱塑性材料；氟化聚合物；氫化丁腈橡膠；氟代-乙烯-こ烯基醚共聚物；熱塑性聚氨酯；熱塑性烯烴；苯こ烯-こ烯-丁烯-苯こ烯嵌段共聚物；和聚偏ニ氟こ烯均聚物。陰極材料包括例如按重量計(jì)至少約0. 5% (例如，按重量計(jì)至少約1%,按重量計(jì)至少約2%，按重量計(jì)至少約3%，按重量計(jì)至少約4%)和/或按重量計(jì)至多約5% (例如，按重量計(jì)至多約4%，按重量計(jì)至多約3%，按重量計(jì)至多約2%，或者按重量計(jì)至多約1%)的ー種或多種粘合剤。陰極集流體可由例如ー種或多種金屬和/或金屬合金形成。金屬的實(shí)例包括鈦、鎳和鋁。金屬合金的實(shí)例包括鋁合金(例如，1N30U230)和不銹鋼。集電器一般可為金屬薄片或網(wǎng)柵的形式。金屬薄片可具有例如至多約35微米(例如，至多約30微米，至多約25微米)和/或至少約15微米(例如，至少約25微米，至少約30微米)的厚度。首先使一種或多種陰極活性物質(zhì)、導(dǎo)電材料和粘合劑與ー種或多種溶劑組合，從而形成漿液(例如，通過(guò)使用雙行星攪拌器在溶劑中分散陰極活性物質(zhì)、導(dǎo)電材料和/或粘合剤)，然后例如通過(guò)延伸模涂或輥涂的方式把漿液涂覆到集流體上，這樣就可以形成陰極
16。然后對(duì)涂覆的集電器進(jìn)行干燥和壓延，用以提供理想的厚度和孔隙率。 陽(yáng)極12包含ー種或多種作為陽(yáng)極活性物質(zhì)的堿金屬(例如，鋰、鈉、鉀)。堿金屬可為純金屬或金屬合金。在一些實(shí)施方案中，鋰為優(yōu)選的金屬；鋰可與例如堿土金屬或鋁合金化。在一些實(shí)施方案中，堿金屬與鎂、鎵、I丐、秘、銦、錫和娃中的一種或多種合金化。優(yōu)選的鋰金屬為與招形成合金的鋰。鋰合金可包含例如至少約500ppm且至多約5000ppm (例如，至少約IOOOppm且至多2000ppm,或者至少約1200ppm且至多約1700ppm)的招或其它合金材料。鋰合金可以金屬薄片的形式混入電池中。作為另外ー種選擇，陽(yáng)極12可包括顆粒物質(zhì)如嵌鋰化合物，例如LiC6、Li4Ti5O12,LiTiS20在這些實(shí)施方案中，陽(yáng)極12可包含ー種或多種粘合剤。粘合劑的實(shí)例包括聚こ烯、聚丙烯、三元こ丙橡膠、丁苯橡膠和聚偏ニ氟こ烯(PVDF)。陽(yáng)極組合物包括例如按重量計(jì)至少約0. 5%且按重量計(jì)至多約9%的粘合剤。為了形成陽(yáng)極，可將陽(yáng)極活性物質(zhì)與ー種或多種粘合劑混合以形成能施用到基底上的糊劑。干燥之后，基底可任選地在陽(yáng)極插入到外殼內(nèi)之前移除。陽(yáng)極材料包括例如按重量計(jì)至少約90%且按重量計(jì)至多約100%的陽(yáng)極活性物質(zhì)。電解質(zhì)優(yōu)選為液體形式。電解質(zhì)包含一種或多種溶劑。在一些實(shí)施方案中，電解質(zhì)包含1，2- ニ甲氧基こ烷(DME)和/或1，3- ニ氧雜環(huán)戊烷(DX)。電解質(zhì)包含例如按重量計(jì)15%或更多(例如，20%或更多，25%或更多，或者30%或更多)和/或40%或更少(例如，30%或更少，25%或更少，或者20%或更少)的1,2-ニ甲氧基こ烷。在一些實(shí)施方案中，電解質(zhì)包含按重量計(jì)介于15%和40%之間(例如，介于20%和40%之間、介于30%和40%之間、20%、25%或30%)的1，2-ニ甲氧基こ烷。不受理論的束縛，據(jù)信1，2-ニ甲氧基こ烷能夠降低電解質(zhì)的粘度至期望目標(biāo)。電解質(zhì)可包含按重量計(jì)20%或更多(例如，30%或更多，50%或更多，60%或更多，或者70%或更多)和/或80%或更少(例如，70%或更少，60%或更少，50%或更少，或者30%或更少)的1，3- ニ氧雜環(huán)戊烷。在一些實(shí)施方案中，電解質(zhì)包含按重量計(jì)介于20%和80%之間(例如，介于30%和70%之間、介于50%和70%之間、介于60%和70%之間、介于60%和80%之間、60%、70%、75%)的1，3-ニ氧雜環(huán)戊烷。不受理論的束縛，據(jù)信1，3-ニ氧雜環(huán)戊烷能夠促進(jìn)電解質(zhì)鹽在例如較低溫度下的溶解度。在一些實(shí)施方案中，電解質(zhì)包含500ppm或更多(例如，IOOOppm或更多，2000ppm或更多，3000ppm或更多，或者4000ppm或更多)和/或5000ppm或更少(例如,4000ppm或更少,3000ppm或更少,2000ppm或更少,或者IOOOppm或更少)的3，5-ニ甲基異寒唑。電解質(zhì)可包含介于500ppm和5000ppm之間(例如，介于IOOOppm和5000ppm之間、介于2000ppm和4000ppm 之間、介于 3000ppm 和 4000ppm 之間、2000ppm、3000ppm、4000ppm、或 5000ppm)的3，5-ニ甲基異_唑。不受理論的束縛，據(jù)信3，5- ニ甲基異噁唑?yàn)樘砑觿?并且能夠抑制ニ氧戊環(huán)的聚合。在一些實(shí)施方案中，電解質(zhì)可包含作為添加劑的吡啶。例如，電解質(zhì)可包含介于500ppm 和 5000ppm 之間(例如，介于 IOOOppm 和 5000ppm 之間、介于 2000ppm 和 4000ppm 之間、介于 3000ppm 和 4000ppm 之間、2000ppm、3000ppm、4000ppm、或 5000ppm)的卩比唳。電解質(zhì)可包含500ppm或更多(例如，IOOOppm或更多，2000ppm或更多，3000ppm或更多，或者4000ppm或更多)和/或5000ppm或更少(例如,4000ppm或更少，3000ppm或更少，2000ppm或更少，或者IOOOppm或更少)的吡啶。不受理論的束縛，據(jù)信吡啶能夠抑制ニ氧戊環(huán)的聚 ム
ロ o在一些實(shí)施方案中，電解質(zhì)還包含水。例如，電解質(zhì)可包含介于IOppm和IOOOppm之間(例如，介于50ppm和IOOOppm之間、介于50ppm和500ppm之間、介于IOOppm和400ppm之間、介于 200ppm 和 300ppm 之間、50ppm、lOOppm、200ppm> 300ppm、400ppm、或 500ppm)的水。在一些實(shí)施方案中，電解質(zhì)可包含50ppm或更多(例如，IOOppm或更多，250ppm或更多，或者500ppm或更多)和/或IOOOppm或更少(例如，500ppm或更少，250ppm或更少，或者IOOppm或更少)的水。水含量借助具有碘調(diào)節(jié)的卡爾費(fèi)休滴定法測(cè)定。卡爾費(fèi)休滴定法描述于例如Bruttel P.和 Schlink R.的 Water Determination by Karl Fisher Titration, MetrohmIon Analysis monograph, 2003中。碘調(diào)節(jié)如下進(jìn)行稱量一定量的電解質(zhì)樣品至燒杯中，將第二量的0. 5重量％的淀粉溶液加入到燒杯中，用0. 9mM的硫代硫酸鈉溶液滴定電解質(zhì)樣品直至藍(lán)色變成白色，并且計(jì)算滴定消耗的硫代硫酸鈉的摩爾數(shù)。電解質(zhì)中碘的摩爾數(shù)(例如，當(dāng)電解質(zhì)包含LiI吋)等于消耗的硫代硫酸鈉的二分之一。碘濃度可基于下式計(jì)算碘(ppm)=碘的摩爾數(shù)X254/電解質(zhì)的重量。在電解質(zhì)中，基于下式調(diào)節(jié)水量用于存在于電解質(zhì)中的碘濃度水的分子量/碘的分子量X 100=7. 1%。在一些實(shí)施方案中，電解質(zhì)包含其它溶劑。例如，電解質(zhì)可包含四氫呋喃(THFXZj腈(AN)、Y-丁內(nèi)酯(GBL)、碳酸ニこ酯(DEC)、碳酸ニ甲酯(DMC)、碳酸甲こ酯(EMC)、ニ甲基亞砜(DMSO)、3-甲基-2-Ig唑烷酮、甲酸甲酯(MF)、環(huán)丁砜(SU)、無(wú)環(huán)醚基溶劑例如ニ甲氧基こ烷、こ基甘醇ニ甲醚、ニ甘醇ニ甲醚、ニ甲氧基丙烷(DMP)、或它們的組合。電解質(zhì)可包含一種或多種鹽。優(yōu)選的鋰鹽包括碘化鋰(LiI)和六氟磷酸鋰(LiPF6)0其它鹽的實(shí)例包括雙(三氟甲烷磺?；?酰亞胺鋰(LiTFSI)、三氟甲基磺酸鋰(LiTFS)、雙(こニ酸)硼酸鋰(LiB(C2O4)2)和雙(全氟こ基)磺酰亞胺鋰(LiN(SO2C2F5)2X在一些實(shí)施方案中，電解質(zhì)包含其它附加鹽。例如，電解質(zhì)可包含緩蝕劑，例如高氯酸鋰(LiClO4)和/或硝酸鋰(LiNO3X 附加鹽可包括 LiTFS、Lil、LiBr, LiTFSI、LiBF4' LiPF6,LiAsF6, LiBOB、Li (CF3SO2)2N, Li (CF3SO2)3C,以及它們的組合。電解質(zhì)鹽描述于例如Suzuki等人的美國(guó)專利5，595，841和1'0^1'等人的美國(guó)專利申請(qǐng)公布2005/020232(^1中。電解質(zhì)包含例如至少約0. 05M(例如，至少0. 1M，至少約0. 3M，至少約0. 5M，或者至少約0. 7M)和/或至多約一摩爾(例如，至多約0. 8M，至多約0. 5M，至多約0. 3M，或者至多0. 1M)的總鹽濃度。在一些實(shí)施方案中，當(dāng)鋰鹽為L(zhǎng)iI時(shí)，電解質(zhì)包含介于0. 05M和0. 5M之間(例如，介于0. 05M和0. 4M之間、介于0. 05M和0. 3M之間、介于0. IM和0. 4M之間，介于0. IM和0. 3M之間、介于0. IM和0. 25M之間、或者介于0. IM和0. 2M之間、0. 1M、0. 2M、0. 25M、或0. 3M)的Lil。例如，電解質(zhì)可包含0. 05M或更多(例如，0. IM或更多，0. 15M或更多，0. 2M或更多，0. 25M或更多，0. 3M或更多，或者0. 4M或更多)和/或0. 5M或更少(例如，0. 4M或更少，0. 3M或更少,0. 25M或更少，0. 2M或更少，0. 15M或更少，或者0. IM或更少)的Lil。電解質(zhì)優(yōu)選地包含介于0. IM和0. 3M之間的碘化鋰。在一些實(shí)施方案中，當(dāng)鋰鹽為L(zhǎng)iPF6吋，電解質(zhì)包含介于0. 05M和0. 5M之間(例如，介于0. 05M和0. 4M之間、介于0. 05M和0. 3M之間、介于0. IM和0. 4M之間，介于0. IM和0. 3M之間、介于0. IM和0. 25M之間、或者介于0. IM和0. 2M之間、0. 1M、0. 2M、0. 25M、或0. 3M)的LiPF6。例如，電解質(zhì)可包含0. 05M或更多(例如，0. IM或更多，0. 2M或更多，0. 25M或更多,0. 3M或更多，或者0. 4M或更多)和/或0. 5M或更少(例如，0. 4M或更少，0. 3M或更少，0. 25M或更少，0. 2M或更少，或者0. IM或更少)的LiPF6。電解質(zhì)優(yōu)選地包含介于0. IM和0. 3M之間的六氟磷酸鋰。在一些實(shí)施方案中，當(dāng)電解質(zhì)包含LiPF6和LiI吋，LiPF6可替換ー些LiI以改善導(dǎo)電性并提供良好的成本有益效果。在一些實(shí)施方案中，添加LiI可抑制LiPF6分解產(chǎn)物的生成，所述分解產(chǎn)物如PF5和HF。包括LiI和LiPF6鹽組合的電解質(zhì)組合物可具有較良好的電解率和電導(dǎo)率、穩(wěn)定性、良好的傳質(zhì)特性、以及良好的貯藏能力(例如，在介于0和60°C的溫度下)。電解質(zhì)組合物可在較低的成本下具有較好的高倍率性能和中倍率性能。在一些實(shí)施方案中，當(dāng)電解質(zhì)組合物包括LiI和LiPF6鹽時(shí)，所述鹽可溶解于1，2- ニ甲氧基こ烷、1，3- ニ氧雜環(huán)戊烷和3，5-ニ甲基異1 唑的溶劑混合物中。例如，溶劑混合物可包括按重量計(jì)介于60%和75%之間的1，3-ニ氧雜環(huán)戊烷、按重量計(jì)介于25-40%之間的1，2-ニ甲氧基こ烷、以及介于IOOOppm和3000ppm之間的3，5-ニ甲基異嚼唑。電解質(zhì)具有例如至少0. 2厘泊(cps)(例如，至少0. 4cps,至少0. 6cps,至少
0.8cps,至少I. 2cps,至少I. 6cps)且至多2. 5cps (例如，至多2cps,至多I. 6cps,至多
1.2cps,至多0. 8cps,至多0. 6cps,或者至多0. 4cps)的粘度。例如，粘度可介于0. 4和Icps之間(例如，介于0. 4和0. 8cps之間，介于0. 6和Icps之間，介于0. 6和0. 8cps之間，介于0. 7和0. 8cps之間，介于0. 6和0. 85cps之間，介于0. 7和0. 85cps之間)。如本文所用，利用Cannon-Fenske粘度計(jì)#50在25°C下作為標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)測(cè)量粘度。具有較低粘度的電解質(zhì)可具有增強(qiáng)的質(zhì)量傳輸，并且可具有較大的電導(dǎo)率。電解質(zhì)在25°C下具有例如lg/cm3或更多(例如，I. lg/cm3或更多)和/或I. 2g/cm3或更少(例如，1. lg/cm3或更少)的密度。在一些實(shí)施方案中，密度介于lg/cm3和I. 2g/cm3之間(例如，介于lg/cm3和I. lg/cm3之間)。具有較低密度的電解質(zhì)可具有增強(qiáng)的質(zhì)量傳輸和較大的電導(dǎo)率。密度通過(guò)用電解質(zhì)的比重乘以相同溫度下水的密度進(jìn)行計(jì)算，并且在25°C下利用比重計(jì)和具有0. OOOlg精度的分析天平測(cè)量,如American Institute of PhysicsHandbook，第 3 版，D. E. Gray 編輯，McGraw-Hill, NY (1972)，2-152 至 2-153 中所述。正極引線18可包括不銹鋼、鋁、鋁合金、鎳、鈦或鋼。正極引線18可為環(huán)形形狀，可與圓柱形電池的圓柱同軸配置。正極引線18也可包括能夠與集流體接合的在陰極16方向上的徑向延伸。延伸可為圓形(例如，圓形或橢圓形)、矩形、三角形或別的形狀。正極引線18可包括不同形狀的延伸。正極引線18與集流體電接觸?？梢酝ㄟ^(guò)機(jī)械接觸的方式實(shí)現(xiàn)正極引線18與集流體之間的電接觸。在一些實(shí)施方案中，可以將正極引線18與集流體
焊接在一起?？梢杂捎糜陔娀瘜W(xué)電池中的任何標(biāo)準(zhǔn)分隔體材料形成分隔體20。例如，可以由聚丙烯(例如，非織造聚丙烯、微孔聚丙烯)、聚こ烯和/或聚砜形成分隔體20。分隔體描述于例如Blasi等人的美國(guó)專利5，176，968中。分隔體也可為例如多孔的絕緣聚合物復(fù)合層(例如，聚苯こ烯橡膠和硅粉)、或微孔擠出膜或流延膜(薄膜)。在一些實(shí)施方案中，可利用通過(guò)例如熔噴非織造薄膜技術(shù)由微纖維制成的分隔體。此類薄膜通常具有多個(gè) 微米直徑的孔，但是具有較少的曲折路徑。在一些實(shí)施方案中，分隔體可具有介于8 ii m和25 ii m之間(例如，介于10 ii m和25iim之間，介于15iim和25 之間，介于IOiim和20 y m之間，或者介于20 y m和25 y m之間)的厚度。在一些實(shí)施方案中，分隔體包括介于35%和70%之間(例如，介于37%和70%之間，介于37%和65%之間，介于40%和60%之間，或者介于45%和55%之間)的孔隙率。通?？衫?5%的最小孔隙率以提供中等離子傳輸。大于70%的孔隙率可導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度不足以用于加工成電化學(xué)電池并且需要厚于期望的分隔體。優(yōu)選的分隔體孔隙率可介于約35%和約65%之間。在一些實(shí)施方案中，除了包括鹽的電解質(zhì)之外，低阻抗的分隔體還提供最佳的高倍率電池性能，所述鹽例如至少部分溶解于溶劑混合物中的碘化鋰和六氟磷酸鋰，所述溶劑如1，3-ニ氧雜環(huán)戊烷(DX)和1，2_ ニ甲氧基こ烷(DME)。分隔體材料可包括微孔擠出膜或流延膜(薄膜)。微孔膜分隔體可具有范圍為約0. 005至約5微米且優(yōu)選地約0. 005至約0. 3微米的平均孔徑，范圍為約30%至約70%，優(yōu)選地約35%至約65%的孔隙率，與電解質(zhì)組合測(cè)量的小于25Q cm2的面積比電阻，以及小于約2. 5的曲折度。分隔體的孔徑可在如下最小值以上，所述最小值使得溶劑化離子能夠無(wú)阻礙地遷移。在一些實(shí)施方案中，分隔體具有0. 005微米的最小孔徑以使得離子能夠無(wú)阻礙地通過(guò)孔，和/或調(diào)和離子對(duì)和/或內(nèi)襯孔壁的電解質(zhì)溶劑單層的存在。當(dāng)孔徑增加時(shí)，無(wú)孔區(qū)域也可增加以便提供機(jī)械強(qiáng)度。通常，在具有亞微米尺寸孔的分隔體中，孔之間的距離也可小于ー微米。分隔體還可用作阻止電極粒子穿過(guò)分隔體的物理屏障，所述電極粒子穿過(guò)分隔體會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)極和陰極之間發(fā)生電短路。此類粒子可小至幾個(gè)微米，因此也限制了上述孔徑。因此，孔徑可優(yōu)選地在亞微米的范圍內(nèi)(例如小于ー微米)，或者這些孔應(yīng)足夠地曲折以提供阻止電極粒子穿過(guò)分隔體的物理屏障。用于測(cè)定多孔材料的孔徑的方法為液體排量和氣流測(cè)量法。這些測(cè)量法可使用商業(yè)儀器例如Coulter II氣孔計(jì)來(lái)實(shí)施。Coulter II氣孔計(jì)測(cè)定的是克服潤(rùn)濕孔內(nèi)的液體的表面張カ所需的壓力?？自叫?，則所需的壓カ就越大。通過(guò)比較潤(rùn)濕膜與干燥膜的壓カ特征圖，可測(cè)定孔徑分布?？讖奖硎酒骄琢髦睆?，即，所述流的一半穿過(guò)大于該值的孔并且一半流過(guò)小于該直徑的孔。面積比電阻為實(shí)測(cè)的分隔體和電解質(zhì)組合的特性，所述特性受到其它特性例如孔徑、孔的數(shù)目、孔隙率、曲折度和可潤(rùn)濕性的影響。面積比電阻值可與電化學(xué)電池倍率容量關(guān)聯(lián)。在具有有機(jī)電解質(zhì)和固體陰極的鋰電池中，用于高倍率性能的優(yōu)選的面積比電阻值可小于25 Q cm2。分隔體和超過(guò)25 Q cm2的電解質(zhì)面積比電阻會(huì)妨礙電池的倍率性能。按其最簡(jiǎn)單的定義來(lái)講，曲折度為實(shí)際孔長(zhǎng)度(即離子穿過(guò)分隔體所必須行進(jìn)的路程)與分隔體厚度的比率。然而，該定義假定通過(guò)某個(gè)孔的質(zhì)量傳輸僅受距離的影響并且不考慮對(duì)質(zhì)量傳輸?shù)钠渌恋K因素。此類妨礙因素包括孔瓶頸或孔約束部、非互連孔或閉端、受抑制的離子流(當(dāng)離子在導(dǎo)槽彎曲處碰撞孔側(cè)壁吋)。分隔體曲折度可由測(cè)量的電解質(zhì)中電阻值估計(jì)。最常見(jiàn)的測(cè)定分隔體的有效曲折度的方法是基于分隔體孔隙率以及分隔體的比電導(dǎo)率與電解質(zhì)的比電導(dǎo)率的比率。因此，

R分隔俅 = 曲折度2 R溶液孔隙率其中R分隔體為以Q-cm2計(jì)的分隔體的面積比電阻，Riga為以Q _cm2計(jì)的電解質(zhì)的面積比電阻，并且孔隙率按體積分?jǐn)?shù)計(jì)。雖然該公式假定了所有孔均具有相同的曲折度，但其對(duì)于定義本發(fā)明的分隔體來(lái)講是精確的。已發(fā)現(xiàn)最佳高倍率分隔體表現(xiàn)出小于2. 5且優(yōu)選小于2.0的曲折度。殼體22可由例如ー種或多種金屬(例如，鋁、鋁合金、鎳、鍍鎳鋼、不銹鋼)和/或塑料(例如，聚氯こ烯、聚丙烯、聚砜、ABS、聚酰胺)制成。頂蓋24可由例如鋁、鎳、鈦或鋼制成。盡管圖I中的電化學(xué)電池10為一次電池，但在ー些實(shí)施方案中，二次電池也可具有包含上述陰極活性物質(zhì)的陰扱。一次電化學(xué)電池意味著僅放電一次(例如至耗盡)，然后被丟棄。不打算對(duì)一次電池進(jìn)行再充電。一次電池描述于例如David Linden的Handbookof Batteries (McGraw-Hill,第2版，1995)中。二次電化學(xué)電池可再充電多次(例如大于五十次、大于ー百次、或更多次)。在一些情況下，二次電池可包括相對(duì)堅(jiān)固的分隔體，例如具有許多層和/或相對(duì)厚的那些。二次電池單元還可設(shè)計(jì)成使其能適應(yīng)可能在電池單元中發(fā)生的變化，如溶脹。二次電池描述于例如Falk &Salkind的“ Alkaline StorageBatteries”，John Wiley & Sons, Inc. 1969 和 DeVirloy 等人的美國(guó)專利 345，124 中。為裝配電池，可以將分隔體20切割成與陽(yáng)極12和陰極16尺寸類似的片，并放置在它們之間。然后將陽(yáng)極12、陰極16和分隔體20置于殼體22內(nèi)，然后填充有電解質(zhì)溶液并密封。殼體22的一端用頂蓋24和環(huán)形的絕緣墊圈26封閉，該墊圈可提供氣密性及流體封閉性密封。正極引線18將陰極16連接至頂蓋24。安全閥28設(shè)置在頂蓋24的內(nèi)側(cè)，其配置成當(dāng)電化學(xué)電池10的內(nèi)部壓カ超過(guò)某ー預(yù)定值時(shí)能夠降低該內(nèi)部壓力。裝配電化學(xué)電池的方法描述于例如Moses的美國(guó)專利4，279，972、Moses等人的美國(guó)專利4，401, 735和Kearney等人的美國(guó)專利4，526, 846中。裝配之后，電池可進(jìn)行多種性能測(cè)試，例如機(jī)動(dòng)玩具測(cè)試、遙控器測(cè)試、無(wú)線游戲控制器測(cè)試、便攜式燈測(cè)試、數(shù)碼相機(jī)測(cè)試、CD播放器測(cè)試和/或收音機(jī)測(cè)試。與包括僅僅含有較高濃度的LiI鹽的電解質(zhì)的電池相比，測(cè)試電池可具有類似或優(yōu)異的性能(例如，約0. 5%或更大，約3%或更大，約6%或更大，或者約12%或更大)，所述較高濃度是與測(cè)試電池電解質(zhì)中的鹽濃度的總和相比。電解質(zhì)在20°C時(shí)可具有介于100和600 Q cm之間(例如，介于150和600 Q cm之間，介于150和400 Q cm之間，介于150和400 Q cm之間，介于200和400 Q cm之間)的電阻率。在一些實(shí)施方案中，電阻率為100Q cm或更多(例如，150 Q200 Q cm或更多，250 Q cm或更多，或者400 Q cm或更多)和/或600 Q cm或更少(例如，400 Q ^cm或更少,250 Q ^cm或更少,200 Q cm或更少，或者150 Q .cm或更少)。電解質(zhì)可為電池提供較低的電阻率，其可增加電池性能。電解質(zhì)的電阻率可通過(guò)利用電導(dǎo)池(型號(hào) 13403 cell K=l/0cm. SN:02H0081 AC. YSI Incorporated, Yellow Springs, Ohio45387USA)在20°C下于Tenney Jr.熱處理室中測(cè)量。在一些實(shí)施方案中，電池在預(yù)放電后可具有3. 86Ah或更小(例如，3. 6Ah或更小，
3.4Ah或更小)和/或3. 2Ah或更大(例如，3. 4Ah或更大，3. 6Ah或更大)的計(jì)算理論比放電容量。也可采用電化學(xué)電池的其它構(gòu)型，包括例如紐扣電池或硬幣電池構(gòu)型、棱柱狀電池構(gòu)型、剛硬的薄片電池構(gòu)型以及軟質(zhì)盒狀電池、封套式電池或袋狀電池構(gòu)型。此外，電化學(xué)電池可以具有不同的電壓(例如，I. 5V、3. 0V、4. 0V)。具有其它構(gòu)型的電化學(xué)電池描述于例如 Berkowitz 等人的 U. S. S. N. 10/675，512、專利公布 2005/0112467A1 和 Totir 等人的美國(guó)專利申請(qǐng)公布2005/0202320A1中。以下實(shí)施例是例證性的而非限制性的。實(shí)施例I 電解質(zhì)的密度和粘度。制備兩種對(duì)照電解質(zhì)和兩種實(shí)驗(yàn)電解質(zhì)。電解質(zhì)組合物及其相應(yīng)的測(cè)量密度和粘度列于表I中。表I :電解質(zhì)組合物的密度和粘度
權(quán)利要求
1.一種電池,所述電池包括外殼以及所述外殼內(nèi)的以下物質(zhì) (a)陽(yáng)極，所述陽(yáng)極包含含鋰陽(yáng)極活性物質(zhì)； (b)陰極，所述陰極包含過(guò)渡金屬硫化物或過(guò)渡金屬氧化物；和 (c)電解質(zhì)，所述電解質(zhì)包含以下物質(zhì)介于0.05M和0. 5M之間的碘化鋰，介于0. 05M和0. 5M之間的六氟磷酸鋰，按重量計(jì)30%或更多的1，3-ニ氧雜環(huán)戊烷，以及按重量計(jì)20%或更多的1，2_ ニ甲氧基こ烷。
2.如權(quán)利要求I所述的電池,其中所述陰極包含F(xiàn)eS2、FeS和CuS中的ー種或多種。
3.如權(quán)利要求2所述的電池，其中所述陰極包含F(xiàn)eS2。
4.如權(quán)利要求1-3中任ー項(xiàng)所述的電池，其中所述電解質(zhì)還包含水。
5.如權(quán)利要求4所述的電池，其中所述電解質(zhì)包含少于500ppm的水。
6.如權(quán)利要求1-5中任ー項(xiàng)所述的電池，其中所述電解質(zhì)還包含添加剤。
7.如權(quán)利要求6所述的電池，其中所述添加劑為3，5-ニ甲基異_唑或吡啶。
8.如權(quán)利要求7所述的電池，其中所述電解質(zhì)包含介于500ppm和5000ppm之間的3，5-ニ甲基異_唑。
9.如權(quán)利要求7所述的電池，其中所述電解質(zhì)包含介于500ppm和5000ppm之間的吡啶。
10.如權(quán)利要求1-9中任ー項(xiàng)所述的電池，其中所述電解質(zhì)包含介于0.05M和0. 3M之間的Li I。
11.如權(quán)利要求1-10中任ー項(xiàng)所述的電池，其中所述電解質(zhì)包含介于0.05M和0. 3M之間的LiPF6。
12.如權(quán)利要求1-11中任ー項(xiàng)所述的電池，其中所述電解質(zhì)包含按重量計(jì)70%的1,3-ニ氧雜環(huán)戊烷。
13.如權(quán)利要求1-12中任ー項(xiàng)所述的電池，其中所述電解質(zhì)包含按重量計(jì)30%的1,2-ニ甲氧基こ烷。
14.如權(quán)利要求1-13中任ー項(xiàng)所述的電池，其中所述電解質(zhì)具有介于0.6cps和0. 8cps之間的粘度。
15.如權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的電池,其中所述電解質(zhì)具有介于100Q^cm和600 Q .cm之間的電阻率。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種包括陽(yáng)極、陰極、以及電解質(zhì)的電池，所述陽(yáng)極具有堿金屬作為活性物質(zhì)，所述陰極具有例如二硫化鐵作為活性物質(zhì)，所述電解質(zhì)包含鋰鹽，諸如碘化鋰和六氟磷酸鋰。
文檔編號(hào)H01M4/38GK102656731SQ201080056667
公開(kāi)日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2010年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月14日
發(fā)明者M·D·斯利格爾, M·波津, N·N·伊薩夫 申請(qǐng)人:吉列公司