專利名稱：具有改進(jìn)的分隔體和電解質(zhì)的電化學(xué)電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電化學(xué)電池。更具體地講，本發(fā)明涉及一種包括改進(jìn)的分隔體與電解質(zhì)組合的電化學(xué)電池。
背景技術(shù)：
高能電池組系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)要求具有期望的電化學(xué)特性的電解質(zhì)具有與高反應(yīng)性、高能量密度的陽(yáng)極材料和陰極材料例如鋰、鈉、FeS2等的相容性。盡管相對(duì)來(lái)講易于計(jì)算出理論能量，即潛在地得自所選擇的陽(yáng)極-陰極電偶的電、能，但需要選擇用于此類電偶的電解質(zhì)，所述電解質(zhì)允許由裝配的電池組所產(chǎn)生的實(shí)際能量接近理論能量。通常遇到的問(wèn)題是，實(shí)際上不可能事先預(yù)測(cè)電解質(zhì)將會(huì)在多大程度上(如果有的話)將與所選擇的電偶共同起作用。雖然必須將電池考慮為具有三個(gè)部分即陰極、陽(yáng)極和電解質(zhì)的單元，但應(yīng)當(dāng)了解，不可能預(yù)測(cè)一個(gè)電池的這些部分是否可與另一個(gè)電池的部分互換而產(chǎn)生有效且可工作的電池。已認(rèn)識(shí)到的是，與電解質(zhì)結(jié)合的分隔體可在電池的性能特征方面起到重要作用。許多電化學(xué)系統(tǒng)在它們剛被制造出來(lái)的時(shí)候可在各種環(huán)境中發(fā)揮作用。然而，當(dāng)電池系統(tǒng)在高溫下被長(zhǎng)時(shí)間地貯藏時(shí)，它們的阻抗特征可能發(fā)生改變而使得電化學(xué)系統(tǒng)不適用于某些消費(fèi)應(yīng)用。電池的一種具體的高速率應(yīng)用為其在照相機(jī)中的應(yīng)用。雖然電池可在正常條件下發(fā)揮作用，但許多電池在高消耗速率下可表現(xiàn)出高電壓降，例如在閃光照相機(jī)中就是如此。需要提供一種用于電化學(xué)電池的電解質(zhì)溶液與分隔體組合以提供較低的總體電池阻抗，從而基本上增強(qiáng)電池性能。發(fā)明概述本發(fā)明的一個(gè)方面的特征在于一種電化學(xué)電池。所述電化學(xué)電池包括陽(yáng)極、陰極、介于陽(yáng)極和陰極之間的分隔體、和電解質(zhì)。陰極包含二硫化鐵。電解質(zhì)包括溶解于有機(jī)溶劑中的鹽。分隔體與電解質(zhì)組合具有小于2 Q-cm2的面積比電阻。在一些具體實(shí)施中，分隔體可具有介于約0. 005至約5微米之間的孔徑。分隔體可具有小于約2. 5的曲折度。分隔體可具有介于約30%和約70%之間的孔隙率。電解質(zhì)可包含多種溶解于有機(jī)溶劑中的鹽。有機(jī)溶劑可包括醚基溶劑。有機(jī)溶劑可包括環(huán)狀醚基溶劑和無(wú)環(huán)醚基溶劑的混合物。環(huán)狀醚基溶劑可包括二氧戊環(huán)。無(wú)環(huán)醚基溶劑與二氧戊環(huán)的重量比可為1:99至45:55。無(wú)環(huán)醚基溶劑與二氧戊環(huán)的重量比還可為10:90至40:60。無(wú)環(huán)醚基溶劑可選自由下列組成的組二甲氧基乙烷、乙基甘醇二甲醚、二甘醇二甲醚、二甲氧基丙烷和三甘醇二甲醚。無(wú)環(huán)醚基溶劑可為1，2-二甲氧基乙烷。在電解質(zhì)溶劑中可包含至少一種共溶劑。基于電解質(zhì)溶液中的溶劑的重量，共溶劑可以小于25重量％的量存在。共溶劑可選自由下列組成的組3，5- 二甲基異嗯唑、3-甲基-2-曝唑烷酮、碳酸亞丙酯、碳酸亞乙酯、碳酸亞丁酯和環(huán)丁砜。陽(yáng)極可包含鋰。分隔體可被電解質(zhì)潤(rùn)濕。分隔體可具有約8至約30微米的厚度。附圖概述
雖然在說(shuō)明書(shū)之后提供了特別指出和清楚地要求保護(hù)本發(fā)明的權(quán)利要求書(shū)，但是據(jù)信通過(guò)下面的描述并結(jié)合附圖可以更好地理解本發(fā)明。圖I為圓柱形Li/FeS2電池的繪畫(huà)視圖。發(fā)明詳述參見(jiàn)

圖1，一次電化學(xué)電池10包括與負(fù)極引線14電接觸的含鋰陽(yáng)極12、與正極引線18電接觸的含二硫化鐵的陰極16、分隔體20、以及電解質(zhì)?？蓪㈥?yáng)極12和陰極16、以及位于它們之間的分隔體20卷成通常稱為凝膠卷的組件。陽(yáng)極12、陰極16、分隔體20和電解質(zhì)被包含在外殼22內(nèi)。電化學(xué)電池10還包括頂蓋24和環(huán)形的絕緣墊圈26。電池10可包括安全閥28。陰極16優(yōu)選地包含二硫化鐵、導(dǎo)電性碳粒和粘合劑的共混物。電解質(zhì)包括溶解于有機(jī)溶劑中的鹽。鹽可包括一種鹽或可包括多種鹽。有機(jī)溶劑可包括醚基溶劑。有機(jī)溶劑可包括醚基溶劑的混合物。有機(jī)溶劑可包括環(huán)狀醚基溶劑和·無(wú)環(huán)醚基溶劑的混合物。環(huán)狀醚基溶劑可包括二氧戊環(huán)。如本文所用，術(shù)語(yǔ)二氧戊環(huán)是指1，3-二氧雜環(huán)戊烷(DI0X)、烷基取代的二氧戊環(huán)或它們的混合物。烷基取代的二氧戊環(huán)的實(shí)例為4-甲基-1，3- 二氧雜環(huán)戊烷或2，2- 二甲基-1，3- 二氧雜環(huán)戊烷。用于本發(fā)明的優(yōu)選的二氧戊環(huán)為1，3-二氧雜環(huán)戊烷。適用于本發(fā)明的典型的無(wú)環(huán)醚基溶劑為二甲氧基乙烷、1，2-二甲氧基乙烷(DME)、乙基甘醇二甲醚、二甘醇二甲醚、二甲氧基丙烷和三甘醇二甲醚。有機(jī)溶劑可包括有機(jī)碳酸鹽。有機(jī)溶劑可包括有機(jī)碳酸鹽的混合物。有機(jī)碳酸鹽的實(shí)例包括碳酸亞乙酯(EC)、碳酸亞丙酯(PC)、碳酸二甲酯(DC)、乙基碳酸二甲酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)和碳酸亞乙烯酯(VC)。就某些應(yīng)用而言,可使用至少一種任選的共溶劑,例如3，5-二甲基異曝唑(DMI )、3-甲基-2- 1惡唑烷酮(3Me20x)、碳酸亞丙酯(PC)、碳酸亞乙酯(EC)、碳酸亞丁酯(BC)、四氫呋喃(THF)、碳酸二乙酯(DEC)、亞硫酸乙二醇(EGS)、二氧雜環(huán)己烷、亞硫酸二甲酯(DMS)、伽瑪丁內(nèi)酯(GBL)等。用于本發(fā)明的優(yōu)選的共溶劑為3，5-二甲基異曝唑、3-甲基-2-曝唑烷酮和碳酸亞丙酯。就大多數(shù)應(yīng)用而言，基于電解質(zhì)的溶劑總重量，任選的共溶劑的加入應(yīng)當(dāng)被限制在25重量％或更少，優(yōu)選地小于20重量％。無(wú)環(huán)醚基溶劑與二氧戊環(huán)的優(yōu)選的重量比為1:99至45:55，更優(yōu)選地10:90至40:60,并且最優(yōu)選的重量比之一為約29:71。最優(yōu)選的電解質(zhì)為29. 0重量％的DME、70. 8重量％的DI0X、0. 2重量％的DMI和0. I重量％的LiTFS，連同每升溶液I. 0摩爾的Lil。已發(fā)現(xiàn)除了電解質(zhì)以外，低電阻分隔體也允許具有最佳的高速率電池性能。一種期望的用于高速率鋰電池的分隔體材料包括微孔的擠出或澆鑄薄膜(膜)。分隔體可具有約8至30微米(微米)的厚度。所述微孔膜分隔體可具有在約0. 005至約5微米且優(yōu)選地約0. 005至約0. 3微米范圍內(nèi)的孔徑；在約30至約70%，優(yōu)選地約35至約65%范圍內(nèi)的孔隙率；與電解質(zhì)組合測(cè)量的小于2 Q-cm2的面積比電阻；和小于約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。溶劑化鋰離子可為大約10?；?.001微米。由于有機(jī)電解質(zhì)系統(tǒng)通?？赡苄纬呻x子對(duì)，并且通常可能有至少一個(gè)單層的電解質(zhì)溶劑襯墊在分隔體的孔壁上，因此0. 005微米的最小孔徑使得離子能夠無(wú)阻礙地穿過(guò)孔。然而，當(dāng)孔徑增加時(shí)，無(wú)孔面積也需要增加以便提供機(jī)械強(qiáng)度。增加這些無(wú)孔面積的結(jié)果可能會(huì)阻塞分隔體的主要部分，從而阻礙離子遷移。因此，相對(duì)于一些極大的孔來(lái)講，大量中等尺寸的孔可為優(yōu)選的。評(píng)判該效應(yīng)的另一種方法是，孔之間的距離可與孔徑同樣重要。通常，在亞微米尺寸的分隔體中，孔之間的距離應(yīng)當(dāng)也小于一微米。此外，分隔體的功能還在于形成一種物理屏障以阻止電極粒子穿過(guò)分隔體，電極粒子穿過(guò)分隔體可導(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，因此也限制了上述期望的孔徑。因此，孔徑可優(yōu)選地在亞微米的范圍內(nèi)，或這些孔應(yīng)當(dāng)足夠地曲折以提供物理屏障，從而阻止電極粒子穿過(guò)分隔體。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)的液體的表面張力所需的壓力?？自叫?，則所需的壓力就越大。通過(guò)比較潤(rùn)濕膜與干燥膜的壓力特征圖，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。通?？衫?5%的最小孔隙率以提供中等離子傳輸。大于70%的孔隙率通?？蓪?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。 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。面積比電阻值可為最佳參數(shù)，所述最佳參數(shù)可關(guān)聯(lián)于電化學(xué)電池的速率能力。在具有有機(jī)電解質(zhì)和固體陰極的鋰電池的情形中，已發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)于高速率性能的最優(yōu)選的面積比電阻值應(yīng)當(dāng)小于2 Q-cm2。分隔體和2 Q-cm2以上的電解質(zhì)面積比電阻會(huì)妨礙電池的速率性能。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)壁時(shí))。由于沒(méi)有模型可精確地描述分隔體的曲折度并且由于每個(gè)分隔體的曲折度均不相同，因此對(duì)分隔體曲折度的最佳指示是從實(shí)測(cè)的電解質(zhì)中的電阻值估算得到的曲折度。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，
權(quán)利要求
1.ー種電化學(xué)電池，所述電化學(xué)電池包括陽(yáng)極、陰極、介于所述陽(yáng)極和所述陰極之間的分隔體、和電解質(zhì)，所述陰極包含ニ硫化鐵，所述電解質(zhì)包括溶解于有機(jī)溶劑中的鹽，并且所述分隔體與所述電解質(zhì)組合具有小于2 Ω-Cm2的面積比電阻。
2.如權(quán)利要求I所述的電化學(xué)電池，其中所述分隔體具有介于約O.005至約5微米之間的孔徑。
3.如權(quán)利要求I或權(quán)利要求2所述的電化學(xué)電池，其中所述分隔體具有小于約2.5的曲折度。
4.如前述權(quán)利要求中的任ー項(xiàng)所述的電化學(xué)電池，其中所述分隔體具有介于約30%和約70%之間的孔隙率。
5.如前述權(quán)利要求中的任ー項(xiàng)所述的電化學(xué)電池，其中所述電解質(zhì)包括多種溶解于有機(jī)溶劑中的鹽。
6.如前述權(quán)利要求中的任ー項(xiàng)所述的電化學(xué)電池，其中所述有機(jī)溶劑包括醚基溶剤。
7.如前述權(quán)利要求中的任ー項(xiàng)所述的電化學(xué)電池，其中所述有機(jī)溶劑包括環(huán)狀醚基溶劑與無(wú)環(huán)醚基溶劑的混合物。
8.如權(quán)利要求7所述的電化學(xué)電池，其中所述環(huán)狀醚基溶劑包括ニ氧戊環(huán)。
9.如權(quán)利要求8所述的電化學(xué)，其中所述無(wú)環(huán)醚基溶劑與所述ニ氧戊環(huán)的重量比為1:99 至 45:55。
10.如權(quán)利要求9所述的電化學(xué)電池，其中所述無(wú)環(huán)醚基溶劑與所述ニ氧戊環(huán)的重量比為 10:90 至 40:60。
11.如權(quán)利要求7所述的電化學(xué)電池，其中所述無(wú)環(huán)醚基溶劑選自由下列組成的組ニ甲氧基こ烷、こ基甘醇ニ甲醚、ニ甘醇ニ甲醚、ニ甲氧基丙烷和三甘醇ニ甲醚。
12.如權(quán)利要求11所述的電化學(xué)電池，其中所述無(wú)環(huán)醚基溶劑為1，2-ニ甲氧基こ烷。
13.如權(quán)利要求I所述的電化學(xué)電池，所述電化學(xué)電池還包含至少ー種共溶劑，所述共溶劑被包括在所述電解質(zhì)溶劑中。
14.如權(quán)利要求13所述的電化學(xué)電池，其中基于所述電解質(zhì)溶液中的溶劑的重量，所述共溶劑以小于25重量％的量存在，并且其中所述共溶劑選自由下列組成的組3，5- ニ甲基異I惡唑、3-甲基-2-1 唑烷酮、碳酸亞丙酷、碳酸亞こ酷、碳酸亞丁酯和環(huán)丁砜。
15.如權(quán)利要求I所述的電化學(xué)電池，其中所述陽(yáng)極包含鋰。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種電化學(xué)電池。該電化學(xué)電池包括陽(yáng)極、陰極、介于所述陽(yáng)極和所述陰極之間的分隔體、和電解質(zhì)。電解質(zhì)包括溶解于有機(jī)溶劑中的鹽。分隔體與電解質(zhì)組合具有小于2Ω-cm2的面積比電阻。
文檔編號(hào)H01M4/134GK102668170SQ201080053094
公開(kāi)日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2010年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月24日
發(fā)明者E·內(nèi)沃克, F·J·伯科威茨, M·D·斯利格爾, M·波津, N·N·伊薩夫 申請(qǐng)人:吉列公司