[发明专利]锂电池阴极

说明书

发明领域

本发明涉及制备用于锂一次电池的阴极的方法，所述锂一次电池具有 包含锂金属或锂合金的阳极与包含二硫化铁的阴极以及包含锂盐与溶剂的 电解质。

发明背景

具有锂阳极的一次(不可充电)电化学电池为众人所知，并具有广泛 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 的阴极和电解质，所述电解质包括溶解于非水溶剂中的锂盐如三氟甲基磺 酸锂(LiCF₃SO₃)。所述电池在本领域被称作一次锂电池(一次Li/MnO₂电 池)，一般不打算可再充电。具有锂金属阳极但具有不同阴极的另外一种 一次锂电池也为人所知。例如，此类电池具有包含二硫化铁(FeS₂)的阴 极并被称作Li/FeS₂电池。二硫化铁(FeS₂)也已知为黄铁矿。Li/MnO₂电 池或Li/FeS₂电池通常为圆柱形电池形式，通常为AA尺寸或AAA尺寸电 池，但是也可为其它尺寸的圆柱形电池。Li/MnO₂电池具有约3.0伏的电 压，是常规Zn/MnO₂碱性电池的两倍，并且还具有比碱性电池更高的能量 密度(瓦特-小时/cm³电池体积)。Li/FeS₂电池具有介于约1.2和1.8伏 之间的电压(新制的)，大约与常规的Zn/MnO₂碱性电池相同。然而， Li/FeS₂电池的能量密度(瓦特-小时/cm³电池体积)却高于类似尺寸的 Zn/MnO₂碱性电池。锂金属的理论比容量高，为3861.7毫安-小时/克，而 FeS₂的理论比容量为893.6毫安-小时/克。FeS₂的理论容量基于每个FeS₂分子由4Li的4电子转移，所得反应产物为元素铁Fe和2Li₂S。也就是 说，4个电子中的2个使FeS₂中的Fe⁺²的+2氧化态(价态)改变为元素铁 (Fe⁰)中的0价，而余下的2个电子使硫的氧化态从FeS₂中的-1改变为 Li₂S中的-2。为了实现电化学反应，在阳极上产生的锂离子，Li⁺，必须 透过分隔体和电解质介质传送并到达阴极。

总体上，Li/FeS₂电池比相同尺寸的Zn/MnO₂碱性电池强效得多。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，Li/FeS₂电池比Zn/MnO₂碱性电池的电压下降慢得多，如可在电压对时 间的特征图中所明显看出的。这导致可由Li/FeS₂电池得到的能量输出比 可由相同尺寸的碱性电池得到的更高。在其中新电池从低至0.01瓦特至 5瓦特范围内固定连续功率输出下放电至完全时的能量(瓦特-小时)对 恒定功率(瓦特)连续放电的绘制图中，也更直接清楚地显示出Li/FeS₂电池的较高能量输出。在此类测试中，功率消耗维持在选定的介于0.01 瓦特与5瓦特之间的恒定连续功率输出。(由于放电期间电池的电压下 降，负载电阻逐渐减小，提高耗用电流以维持固定的恒功率输出)。 Li/FeS₂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，Li/FeS₂电池优于相同尺寸的碱性电池，例如AAA、AA、C或D 尺寸或任何其它尺寸电池，因为Li/FeS₂电池可与常规的Zn/MnO₂碱性电 池互换使用，并且将具有更长的使用寿命，尤其是在高功率要求的情况 下。同样，为一次(非再充电的)电池的Li/FeS₂电池可用来替换相同尺 寸的可再充电镍金属氢化物电池，后者具有与Li/FeS₂电池大约相同的电 压(新制)。