[发明专利]锂电池

说明书

发明领域

本发明涉及一次锂电池，所述一次锂电池具有包含锂金属或锂合金的阳极和包含二硫化铁的阴极以及包含锂盐和加入了水的有机溶剂的电解质。

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包含溶解在非水溶剂中的锂盐的电解质，所述锂盐例如三氟甲烷磺酸锂(LiCF₃SO₃)。该种电池就是本领域中提及的一次锂电池(一次Li/MnO₂电池)，一般不旨在为可再充电的。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们所知。此类电池例如具有包含二硫化铁(FeS₂)的阴极，并被指定为Li/FeS₂电池。二硫化铁(FeS₂)也称硫铁矿。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，该电压是常规Zn/MnO₂碱性电池的两倍，Li/MnO₂电池还具有高于碱性电池的能量密度(每cm³电池体积的瓦特-小时数)。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3861.4毫安-小时/克，而FeS₂的理论比容量为893.6毫安-小时/克。FeS₂理论容量是基于每个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。

整体Li/FeS₂电池比相同尺寸的Zn/MnO₂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，Li/FeS₂电池比Zn/MnO₂碱性电池的电压下降得平缓因而持续时间更长，如可在电压对时间的特征图中明显看出的那样。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。从能量(瓦特-小时数)对恒定功率(瓦特)下的连续放电的图表中也更直接清楚地显示出了Li/FeS₂电池的高能量输出，其中新电池在低至0.01瓦特到5瓦特的固定连续功率输出下放电至完全。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电池优于例如为AAA、AA、C或D尺寸或任何其它尺寸电池的相同尺寸的碱性电池之处在于，Li/FeS₂电池可以与常规的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)。