CN101361211A - 电池 - Google Patents

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Abstract

一种电池，其包括外壳，在所述外壳中的阳极，和在所述外壳中的阴极，所述阴极的特征在于其包括具有第一侧面和与第一侧面相对的第二侧面的集电体，和负载到所述集电体上的阴极材料，所述阴极材料包括二硫化铁，其中所述集电体的第一侧面和第二侧面中的至少一方在每平方厘米的所述第一侧面和/或所述第二侧面上负载了超过21.5毫克的阴极材料。

Description

电池
技术领域
本发明涉及电池、以及相关的部件及方法。
发明背景
电池或电化学电池是通常使用的电能来源。电池包含通常称作阳极的负极和通常称作阴极的正极。阳极包含能被氧化的活性材料；阴极包含或消耗能被还原的活性材料。阳极活性材料能够还原阴极活性材料。
当在装置中使用电池作为电能来源时，与阳极和阴极实现电接触，使电子流过装置，发生各自的氧化和还原反应以提供电力。与阳极和阴极相接触的电解质包含流过位于电极之间的隔板的离子，从而在放电期间保持电池整体的电荷平衡。
发明概述
本发明涉及电池、以及相关的构件及方法。
一方面，作为本发明的特征的电池包括外壳、外壳内的阳极和外壳内的阴极。阴极包括具有两个相反侧面的集电体。阴极还包括由集电体负载且包括二硫化铁的阴极材料。至少在集电体的一个侧面上，集电体的每平方厘米的该侧面负载超过21.5毫克的阴极材料。
另一方面，本发明的特征在于一种电池阴极的制作方法。该方法包括形成包括二硫化铁和溶剂的浆料、把浆料施加到具有两个相反侧面的基板上和干燥浆料以形成负载到基板上的阴极材料。至少在集电体的一个侧面上，集电体的每平方厘米的该侧面负载超过21.5毫克的阴极材料。
实施例中可以包括一个或多个以下的特征。
电池可以为一次电池或二次电池。
阴极材料可以包括至少约85重量百分比和/或最多约92重量百分比的二硫化铁。至少在集电体的一个侧面上，集电体的每平方厘米的该侧面可以负载至少约22毫克(例如，至少约23毫克、至少约24毫克、至少约25毫克、至少约26毫克、至少约27毫克、至少约28毫克、至少约29毫克)和/或最多约30毫克(例如，最多约29毫克、最多约28毫克、最多约27毫克、最多约26毫克、最多约25毫克、最多约24毫克、最多约23毫克)的阴极材料。
阴极材料可以包括粘结剂。在一些实施例中，阴极材料可以包括最多五个重量百分比的粘结剂。粘结剂可以包括聚合物，例如聚偏二氟乙烯、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物或其它的烃树脂。
阴极材料可以包括导电助剂。导电助剂可以包括石墨和/或炭黑。在一些实施例中，导电助剂可以包括石墨化炭黑。在某些实施例中，阴极材料可以包括至少约一个重量百分比和/或最多约三个重量百分比的炭黑和/或石墨。在一些实施例中，阴极材料可以包括至少约两个重量百分比和/或最多约六个重量百分比的石墨。
阴极材料的形式可以为由集电体负载的至少一个层。该层可以与集电体相接触。
集电体可以包括铝和/或铝合金。集电体可以包括箔片。箔片可以具有H18或H19的韧度。箔片可以具有至少约20微米和/或最多约35微米的厚度。
阳极可以包括锂。
浆料可以包括至少约55重量百分比和/或最多约70重量百分比的二硫化铁。
浆料可以包括导电助剂，所述导电助剂可以包括炭黑和/或石墨。在一些实施例中，浆料可以包括导电助剂，所述导电助剂包括石墨化炭黑。浆料可以包括至少约三个重量百分比和/或最多约八个重量百分比的导电助剂。浆料可以包括至少约一个重量百分比和/或最多约三个重量百分比的炭黑。浆料可以包括至少约两个重量百分比和/或最多约六个重量百分比的石墨。
浆料可以包括粘结剂，所述粘结剂包括聚偏二氟乙烯和/或苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物。浆料可以包括至少约两个重量百分比和/或最多约五个重量百分比的粘结剂。
浆料可以具有至少约3000mPas和/或最多约15000mPas的粘度。当基板上施加了浆料时，涂布的阴极不包括集电体的干燥厚度可以为至少约200微米和/或最多约400微米。
溶剂可以包括芳族烃、脂族烃和/或N-甲基吡咯烷酮。
实施例中可以包括一个或多个以下的优点。
若电池包括较少量的阴极材料和/或电池包括阴极材料，而阴极材料并不包括二硫化铁。与这样的电池相比而言，在一些实施例中，包含相对高数量的包括二硫化铁的阴极材料(例如，每平方厘米的阴极集电体侧面至少21.5毫克的阴极材料)的电池可以表现出增强的电化学性能。
在某些实施例中，包括二硫化铁的阴极还可以包括相对少量的一种或多种导电材料。导电材料可以提高阴极的电子导电率和/或包括该阴极的电池的电化学性能，但在电池外壳内仅占据相对小量的空间。
在一些实施例中，包括二硫化铁的阴极还可以包括一种或多种粘结剂。粘结剂可有助于保持和/或提高阴极材料和/或阴极材料浆料的均匀性。具有相对良好均匀性的阴极材料能具有相对均匀分布的组分，和/或可以包括彼此接触相对良好的组分。在某些实施例中，具有相对良好均匀性的阴极浆料可以用来在阴极集电体上提供相对均匀的阴极材料涂层。
在一些实施例中，制作阴极的方法可以包括形成包含一种或多种溶剂的浆料，所述一种或多种溶剂具有相对较低的挥发度和/或是相对粘性的。浆料可以用来在阴极集电体上形成相对厚的涂层，和/或可以用来形成这样的阴极，其产生诸如开裂的干燥缺陷的可能性相对较小。
在某些实施例中，制作阴极的方法可以包括采用一种或多种挤压模涂布和/或辊涂的方法用浆料涂布集电体(例如，铝箔)。挤压模涂布和/或辊涂方法可以导致在集电体上形成相对厚的浆料涂层。
在一些实施例中，制作阴极的方法可以包括在具有多个干燥区的干燥器中干燥涂布浆料的集电体。这种干燥过程的结果例如可以使阴极开裂的可能性相对较小。
在某些实施例中，阴极中可以包括能容许电解质在包括阴极的电池内扩散的孔。在一些实施例中，孔可以导致包括阴极的电池的电化学性能提高。
在某些实施例中，包括含二硫化铁的阴极的电池在相对较大负荷(例如，数码相机)的情况下可以表现出相对良好的电化学性能。在一些实施例中，阴极中二硫化铁量的增加可以提高电池的电化学性能。
本发明的其它方面、特征及优点可见于附图、说明书和权利要求当中。
附图概述
图1为非水电化学电池的一个实施例的截面图。
图2所示为涂布过程的一个实施例。
图3所示为涂布过程的一个实施例。
发明详述
参考图1，一次电化学电池10包括与负极引片14电接触的阳极12、与正极引片18电接触的阴极16、隔板20和电解质溶液。阳极12、阴极16、隔板20和电解质溶液容纳在壳体22内。电解质溶液包括溶剂系统和至少部分地溶解在溶剂系统中的盐。电化学电池10还包括帽盖24和环形绝缘垫圈26以及安全阀28。
阴极16包括阴极集电体和涂布到阴极集电体的至少一侧上的阴极材料。阴极材料包括一种或多种阴极活性材料。在一些实施例中，阴极材料还可以包括一种或多种导电材料(例如导电助剂、电荷控制剂)和/或一种或多种粘结剂。
阴极16包括相对高负载量的阴极材料。通常情况下，阴极16中的阴极材料负载量的增加可以提高阴极16的电化学性能。在某些实施例中，至少在阴极集电体的一个侧面上，阴极集电体的每平方厘米的该侧面的阴极材料负载量可以大于21.5毫克(例如，至少约22毫克、至少约23毫克、至少约24毫克、至少约25毫克、至少约26毫克、至少约27毫克、至少约28毫克、至少约29毫克、至少约30毫克、至少约31毫克、至少约32毫克、至少约33毫克、至少约34毫克)和/或最多约35毫克(例如，最多约34毫克、最多约33毫克、最多约32毫克、最多约31毫克、最多约30毫克、最多约29毫克、最多约28毫克、最多约27毫克、最多约26毫克、最多约25毫克、最多约24毫克、最多约23毫克、最多约22毫克)。本文中，通过对涂布区进行抽样，或者例如当两侧面均以相同的方式涂布时，按以下的公式(1)计算阴极材料在阴极16一侧上的负载量，其中Lcm＝每侧阴极材料的平均负载量，Mcat＝涂布阴极的重量，Mcc＝阴极集电体的重量，和Acc＝阴极集电体的涂布面积：
(1)          Lcm＝(Mcat-Mcc)/2Acc
这里对Lcm、Mcat和Acc的抽样区域是相同的。
阴极16的阴极材料中可以包括的阴极活性材料之实例包括金属氧化物、卤化物、硫属化物、硫、有机硫聚合物和导电聚合物。例如，在一些实施例中，阴极16可以包括二硫化铁(FeS2)。阴极活性材料的其它实例包括MnO2、V2O5、CoF3、MoS2、SOCl2、MoO3、S、(C6H5N)n和(S3N2)n，其中n至少为2。
在一些实施例中，阴极16的阴极材料可以包括相对高重量百分比的二硫化铁。在某些实施例中，阴极16的阴极材料可以包括至少约85重量百分比(例如，至少约87重量百分比、至少约89重量百分比、至少约91重量百分比)和/或最多约99重量百分比(例如，最多约92重量百分比、最多约91重量百分比、最多约89重量百分比、最多87重量百分比)的二硫化铁。若电池的阴极包括具有相对低重量百分比二硫化铁的阴极材料，相对于这样的电池而言，在一些实施例中，若电池的阴极包括具有相对高重量百分比二硫化铁的阴极材料，则电池可以表现出电化学性能的提高。
导电材料的实例包括导电助剂和电荷控制剂。导电材料的具体实例包括炭黑、石墨化炭黑、乙炔黑和石墨。导电材料例如可以用来提高电化学电池10内阴极16的电子导电率。在一些实施例中，导电材料可以提高阴极16的电子导电率，而占据阴极16的体积相对较少。由于阴极16被导电材料占据的体积减少，则可以增加阴极16中可供阴极材料利用的体积。由于用在阴极16中的阴极活性材料的量增加，则电化学电池10的电化学性能也可得以提高。在某些实施例中，阴极16的阴极材料可以包括最多约八个重量百分比(例如，最多约七个重量百分比、最多约六个重量百分比、最多约五个重量百分比、最多约四个重量百分比)和/或至少约三个重量百分比(例如，至少约四个重量百分比、至少约五个重量百分比、至少约六个重量百分比、至少约七个重量百分比)的一种或多种导电材料。
在一些实施例中，阴极16的阴极材料可以包括最多约三个重量百分比(例如，最多约两个重量百分比)和/或至少约一个重量百分比(例如，至少约两个重量百分比)的炭黑。在某些实施例中，阴极16的阴极材料可以包括最多约七个重量百分比(例如，最多约六个重量百分比、最多约五个重量百分比、最多约四个重量百分比、最多约三个重量百分比)和/或至少约两个重量百分比(例如，至少约三个重量百分比、至少约四个重量百分比、至少约五个重量百分比、至少约六个重量百分比)的石墨。
如上所述，在一些实施例中，阴极16的阴极材料可以包括一种或多种粘结剂。粘结剂可有助于改善阴极材料的内聚及粘着，并有助于保持粉末在浆料中的悬浮。粘结剂的实例包括线性的二-和三-嵌段共聚物。在某些实施例中，线性的二-和三-嵌段共聚物在它们的初级聚合物链中可以基本上不含双键，和/或可以在它们的初级聚合物链中包括共轭双键。在一些实施例中，粘结剂可以包括聚苯乙烯(例如，29重量百分比至33重量百分比的量)。粘结剂的另外实例包括与三聚氰胺树脂交联的线性三-嵌段聚合物；乙烯-丙烯共聚物(例如，至少约40百分比的乙烯含量)；乙烯-丙烯-二烯三元聚合物(例如，乙烯含量低于约70百分比)；三-嵌段氟化热塑性树脂(例如，TFE/HFP/VF2三元聚合物，其中TFE为四氟乙烯，HFP为六氟丙烯，VF2为偏二氟乙烯)；氟化的聚合物(例如，聚四氟乙烯(PTFE))；氢化丁腈橡胶(例如，具有至少约30百分比丙烯腈))；氟乙烯-乙烯基醚共聚物；热塑性聚氨酯(TPU)；热塑性烯烃(TPO)；苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)嵌段共聚物(例如，Kraton
Figure A20078000150400091
G1651聚合物)；和聚偏二氟乙烯(PVDF)均聚物(例如，Kynar761聚合物)。在一些实施例中，阴极16的阴极材料可以包括由成膜聚合物形成的粘结剂。本文中，可以将成膜聚合物加入到溶剂中形成溶液，然后可以干燥溶液形成膜。在某些实施例中，可以对一种或多种粘结剂进行改性(例如，为了提高阴极的性能)。作为例子，可以对低分子量橡胶粘结剂进行交联和/或硫化。阴极中存在的交联和/或硫化的粘结剂例如可以提高阴极的耐溶剂性。在一些实施例中，可以在干燥器中对粘结剂进行交联(例如，在阴极浆料被干燥，同时被阴极集电体负载的过程期间)。
在某些实施例中，阴极16的阴极材料可以包括至少约一个重量百分比(例如，至少约两个重量百分比、至少约三个重量百分比、至少约四个重量百分比)和/或最多约五个重量百分比的(例如，最多约四个重量百分比、最多约三个重量百分比、最多约两个重量百分比)的一种或多种粘结剂。
阴极16中的阴极集电体可以由例如一种或多种金属和/或金属合金形成。金属的实例包括钛、镍和铝。金属合金的实例包括铝合金(例如，1N30、1230)和不锈钢。阴极集电体的形式例如可以为箔片或网栅。例如，在一些实施例中，阴极集电体的形式可以为铝箔。在某些实施例中，可以由相对薄的箔片形成阴极集电体。例如，可以由厚度最多约35微米(例如，最多约30微米、最多约25微米)和/或至少约20微米(例如，至少约25微米、至少约30微米)的箔片形成阴极集电体。若用于阴极集电体的箔片的厚度减少，则可以增加阴极中可供阴极材料利用的体积。在一些实施例中，可以由具有H18或H19韧度的箔片形成阴极集电体。在某些实施例中，阴极集电体上可以施加一种或多种底料。在一实施例中，预涂底料的箔片(例如，得自Lamart Corp.，Clifton，NJ的)可以用来形成阴极集电体。在某些实施例中，可以由已用水基底料(例如，得自Acheson Industries的Dag
Figure A20078000150400101
EB 012水基底料)涂底的铝箔形成阴极集电体。可以运用例如喷涂、凹版涂布和/或间歇逆辊涂技术将水基底料施加到箔片上。在某些实施例中，在每平方厘米的阴极集电体上，阴极集电体可以包括约0.5毫克至约一毫克的一种或多种底料。
可以按任何许多的不同方式形成阴极16。在一些实施例中，可以按如下方式形成阴极16。
首先，使一种或多种阴极活性材料、导电材料和/或粘结剂与一种或多种溶剂结合，形成浆料(例如，通过使用双行星式混合器在溶剂中分散阴极活性材料、导电材料和/或粘结剂)。在一些实施例中，浆料可以包括至少约55重量百分比(例如，至少约60重量百分比、至少约65重量百分比)和/或最多约70重量百分比(例如，最多约65重量百分比、最多约60重量百分比)的一种或多种阴极活性材料，例如二硫化铁。在某些实施例中，浆料可以包括至少约四个重量百分比(例如，至少约五个重量百分比)和/或最多约六个重量百分比(例如，最多约五个重量百分比)的一种或多种导电材料(例如，炭黑、石墨)。在一些实施例中，浆料可以包括至少约两个重量百分比(例如，至少约三个重量百分比的、至少约四个重量百分比)和/或最多约五个重量百分比(例如，最多约四个重量百分比、最多约三个重量百分比)的一种或多种粘结剂(例如，PVDF均聚物、SEBS共聚物)。
如上所述，浆料包括一种或多种溶剂，例如溶剂的共混物。在一些实施例中，浆料可以包括一种或多种具有相对较低挥发度的溶剂(例如，N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP))。在某些实施例中，包括一种或多种这些溶剂的浆料可以用来在阴极集电体上形成相对厚的涂层，和/或用来形成发生开裂的可能性相对较小的阴极。在一些实施例中，包括一种或多种这些溶剂的浆料可以用来形成缺陷很少或没有缺陷和/或相对均匀的涂层。溶剂的实例包括芳族烃(例如，Shell SolA100)和脂族烃(例如，Shell Sol
Figure A20078000150400112
OMS)。在一些实施例中，浆料可以包括一种或多种直链烃(例如，正己烷)和/或支链烃。在某些实施例中，浆料可以包括一种或多种异-和/或环-烷烃溶剂(例如，VM&P Naphtha HT
Figure A20078000150400113
)。
在一实施例中，浆料可以包括至少约25重量百分比(例如，至少约30重量百分比、至少约35重量百分比、至少约40重量百分比)和/或最多约45重量百分比(例如，最多约40重量百分比、最多约35重量百分比、最多约30重量百分比)的一种或多种溶剂。
在某些实施例中，浆料可以具有相对高的粘度。在一些实施例中，浆料的粘度可以为至少约3,000mPas(例如，至少约4,000mPas、至少约5,000mPas、至少约6,000mPas、至少约7,000mPas、至少约8,000mPas、至少约9,000mPas、至少约10,000mPas、至少约11,000mPas、至少约12,000mPas、至少约13,000mPas、至少约14,000mPas)和/或最多约40,000mPs(例如，最多约14,000mPas、最多约13,000mPas、最多约12,000mPas、最多约11,000mPas、最多约10,000mPas、最多约9,000mPas、最多约8,000mPas、最多约7,000mPas、最多约6,000mPas、最多约5,000mPas、最多约4,000mPas)。例如，浆料的粘度可以为约3,000mPas至约6,000mPas。本文中，使用Brookfield粘度计(Model DV III，购自BrookfieldEngineering Laboratories)测量浆料的粘度。
在某些实施例中，用来形成阴极的浆料可以包括约55至约70重量百分比的二硫化铁、约四个至约六个重量百分比的一种或多种导电材料(例如，炭黑、石墨)、约两个至约五个重量百分比的一种或多种粘结剂(例如，PVDF均聚物、SEBS共聚物)和约25至约45重量百分比的一种或多种溶剂(例如，Shell Sol
Figure A20078000150400122
A100、Shell Sol
Figure A20078000150400123
OMS、NMP)。在一些实施例中，用来形成阴极的浆料可以包括约55至约75重量百分比的固体，粘度可以为约3,000mPas至约15,000mPas(例如，约3,000mPas至约6,000mPas)。
浆料已形成之后，可以用浆料涂布阴极集电体(例如，铝箔)。在一些实施例中，涂布工艺可以包括挤压模涂布或辊涂。
在某些实施例中，挤压模涂布工艺可以包括使用封闭加压的流体分配系统。例如图2所示，将阴极浆料泵入到压力罐30中。将空气31泵入到压力罐30中，迫使阴极浆料通过浆料供给线32。阴极浆料从浆料供给线32进入计量泵34。计量泵34调节通过供给线36的溶液流量。供给线36向挤压模38中供料。可以如上所述被施加底料的箔片40在支承辊42之上移动。当箔片40经过挤压模38时，阴极浆料被施加到箔片40上。箔片40可以在一侧上被涂布，或者在双侧上均被涂布。例如，首次通过箔片40时，可以将挤压模38与支承辊42之间的间隙设定为预定的距离。如果要涂布箔片40的另一侧，则可以增大挤压模38与支承辊42之间的间隙，从而容纳已在一侧上涂布的箔片40。
在一些实施例中，可以采用辊式刮刀涂布工艺实施辊涂。在某些实施例中，涂布工艺可以为间歇式或连续式辊涂工艺。
参见图3A和3B，采用间歇式逆弧形辊涂工艺将浆料98涂布到箔片的连续片材100上。从线轴102将片材100引入到位于两个反向旋转的辊104与106之间的区域R上。辊106包括由金属形成的内部分107和环绕内部分的外部分108，后者由诸如高交联度橡胶的具有高摩擦性、弹性及化学惰性的材料制成。外部分108拉动片材100通过区域R。从储槽120中将浆料110施加到辊104上。过剩的浆料由刀刃辊122清除，后者可以协助在辊104上施加均匀的涂层厚度。辊104把浆料110转移到片材100的第一侧112上。辊104和106可以分开并中断浆料110向片材98的施加，从而形成浆料片。
分开辊104和106还可以在相邻的浆料片之间产生未涂布的空间。辊104和106的分开可以是凸轮或计算机控制的。
对于一种阴极与不同的阴极来说，涂布速度是可变的。这样例如可以容许施加具有不同粘度的浆料涂层。作为例子，可以采用相对缓慢的涂布速度将相对粘性的浆料施加到连续的片材上。在一些实施例中，对于给定的连续片材来说，涂布速度也可以有所变化。这样例如可以得到在片材上具有非均匀的浆料片的阴极。
在用浆料片涂布连续片材98的第一侧112之后，通过使片材经过多个干燥区(例如，三个干燥区)对片进行干燥，其中针对湿表面导入热空气。空气速度和温度逐区地渐渐攀升。涂布的片材可以在每个区中干燥例如约0.5分钟至15分钟。在某些实施例，多区的干燥器可以包括具有约40℃温度的区、具有约60℃温度的区和具有约130℃温度的区。涂布的片材可以以例如至少约每分钟0.5米(例如，至少每分钟0.7米)和/或最多每分钟0.8米的线速度通过干燥区。
任选可以在连续片材98的第二侧114上重复进行上述的涂布及干燥过程(图3B)，从而制作出箔片的连续片材，其在112侧和114侧上具有干燥的片。
相同或相似的干燥工序可以与其它的涂布工艺联合使用，例如与挤压模涂布工艺联合使用。
在一些实施例中，涂布工艺可以包括逆辊涂工艺。逆辊涂工艺描述在例如Stevanovic在2005年12月21日提交的序列号为11/313,509、名称为“Cathode for Battery”的美国专利申请中。
在某些实施例中，任何涂布程序的涂布速度可以为至少约每分钟0.2米(例如，至少约每分钟0.6米、至少约每分钟0.7米、至少约每分钟0.8米、至少约0.9分钟)和/或最多约每分钟一米(最多每分钟0.9米、最多每分钟0.8米、最多每分钟0.7米、最多每分钟0.6米)。例如，涂布速度可以为约每分钟0.5米至每分钟约0.7米。
在某些实施例中，已干燥的阴极可以包含约85重量百分比至约92重量百分比的二硫化铁、少于约五个重量百分比的一种或多种粘结剂和约三个至约七个重量百分比的一种或多种导电材料。
在阴极已干燥后，可以对阴极进行压延。在压延之前切掉阴极上未涂布的边缘，从而减少无涂层区的起皱现象。可以使用四辊改进的“Z”型压延机对阴极进行压延，辊宽约300mm(11.8英寸)，辊直径约400mm。可以根据需要加热和/或冷却压延辊。在一些实施例中，可以按连续的模式(例如，卷到卷)对阴极进行脱线压延。在某些实施例中，可以采用两个辊距的2x2辊配置，或一个辊距的双辊配置。在某些实施例中，压延可以发生在至少约25℃和/或最多约60℃的温度下。在一些实施例中，压延的线速度可以为至少约每分钟0.9米(例如，至少约每分钟一米、至少约每分钟1.1米)和/或最多约每分钟1.2米(例如，最多约每分钟1.1米)。在一些实施例中，箔片集电体(例如，20微米厚的集电体)压延后的延展率可以小于1.5个百分比。在某些实施例中，箔片集电体相对而言不大可能由于压延过程而经历应变硬化。
在一些实施例中，压延的阴极厚度可以为至少约0.15毫米(例如，至少约0.175毫米、至少约0.18毫米、至少约0.19毫米、至少约0.2毫米、至少约0.225毫米、至少约0.25毫米、至少约0.275毫米)和/或最多约0.3毫米(例如，最多约0.275毫米、最多约0.25毫米、最多约0.225毫米、最多约0.2毫米、最多约0.19毫米、最多约0.18毫米、最多约0.175毫米)。例如，在一些实施例中，阴极的厚度可以为至少0.172毫米和/或最多0.188毫米。
在某些实施例中，压延可以导致阴极的阴极材料中孔隙的减少。这些孔例如可以容许电解质在包括阴极的电池内进行扩散。电解质的扩散进而可以导致电池电化学性能的提高。在一些实施例中，阴极的阴极材料具有的孔隙率可以为至少约20％(例如，至少约25％、至少约30％)和/或最多约35％(例如，最多约30％、最多约25％)。在某些实施例中，阴极的阴极材料具有的孔隙率可以为约22％至约30％。本文中，阴极之阴极材料的孔隙率等于阴极材料中被孔占据的体积百分比。下面的方程式(2)计算阴极材料的孔隙率，其中按Vfinal＝最后的阴极的体积，和Vtheo＝最后的阴极中的阴极材料的理论体积减去集电体的体积：
Figure A20078000150400151
在一些实施例中，压延可以导致形成相对薄的阴极。当阴极的一个或多个尺寸(例如，厚度)减小时，可以增加包括阴极的电池内的可利用空间量。该空间例如可以用来保持其它的电池部件和/或在电池运转期间容纳气体析出。在某些实施例中，阴极被压延之后，阴极具有的厚度可以为压延之前阴极厚度的最多约85％(例如，最多约82％、最多约80％、最多约78％)和/或至少约75％(例如，至少约78％、至少约80％、至少约82％)。
阳极12包含一种或多种阳极活性材料，通常形式为碱金属(例如，锂、钠、钾)和/或碱土金属(例如，钙、镁)。阳极12可以包含碱金属(例如，锂)与碱土金属的合金和/或碱金属与铝的合金。例如，在一些实施例中，阳极12可以包含锂-铝合金。可选或者另外地，阳极12可以包含锂-插入化合物(例如，LiC6、Li4Ti5O12、LiTiS2)。阳极12可以包括基板(例如，集电体)，或者可以不包括基板。在一些实施例中，特别来说，阳极12可以包含一种或多种粘结剂。粘结剂的实例包括聚乙烯、聚丙烯、苯乙烯-丁二烯橡胶和聚偏二氟乙烯(PVDF)。在一些其中阳极12包含一种或多种粘结剂的实施例中，阳极活性材料可以包括锡基材料、碳基材料(例如，碳、石墨、炔属中间相碳、焦炭)、金属氧化物和/或锂化的金属氧化物。可以将阳极活性材料和一种或多种粘结剂混合，形成能够施加到基板上的膏剂。用在电池中的具体的阳极活性材料例如可以取决于电池的类型(诸如一次或二次的)。
电解液或电解质的形式可以为液体、固体或凝胶(聚合物)。在一些实施例中，电解质可以包含有机溶剂，例如碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚乙酯(EC)、二甲氧基乙烷(DME)(例如，1，2-二甲氧基乙烷)、碳酸亚丁酯(BC)、二噁戊烷(D X)、四氢呋喃(THF)、γ-丁内酯、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、二甲亚砜(DMSO)、甲酸甲酯(MF)、环丁砜或其组合(例如，混合物)。在某些实施例中，电解质可以包含无机溶剂，例如SO2或SOCl2S。在一些实施例中，电解质可以包含一种或多种盐(例如，两种盐、三种盐、四种盐)。盐的实例包括锂盐，例如三氟甲烷磺酸锂(LiTFS)、三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)和六氟磷酸锂(LiPF6)。可以包含的另外的锂盐例如描述在Suzuki的美国专利5,595,841中。电解质中可以包含的其它盐有双(草酸)硼酸盐。双(草酸)硼酸盐例如描述在2005年9月15日公布的Totir等人的名称为“Non-Aqueous Electrochemical Cells”的美国专利申请公开号US2005/0202320 A1中。
正极引片18可以包括不锈钢、铝、铝合金、镍、钛或钢。正极引片18可以为环形形状的，可以与圆柱形电池的圆柱同轴配置。正极引片18还可以包括能够与集电体接合的在阴极16方向上的径向延伸。延伸可以为圆形(例如，圆或椭圆形)、矩形、三角形或别的形状。正极引片18可以包括不同形状的延伸。正极引片18与集电体是电接触的。可以通过机械接触的方式实现正极引片18与集电体之间的电接触。在一些实施例中，可以将正极引片18与集电体焊在一起。
可以由用于电化学电池中的任何标准隔板材料形成隔板20。例如，可以由聚丙烯(例如，非织造聚丙烯、微孔聚丙烯)、聚乙烯和/或聚砜形成隔板20。隔板描述在例如Blasi等人的美国专利5,176,968中。
可以由例如一种或多种金属(例如，铝、铝合金、镍、镀镍钢、不锈钢)和/或塑料(例如，聚氯乙烯、聚丙烯、聚砜、ABS、聚酰胺)制作壳体22。
可以由例如铝、镍、钛或钢制作帽盖24。
图1中的电化学电池10是一次电池，而在一些实施例中，二次电池可以具有包含上述阴极活性材料的阴极。一次电化学电池意味着仅放电一次(例如至耗尽)，然后被丢弃。不打算对一次电池进行再充电。一次电池描述在例如David Linden的“Handbook of Batteries”(McGraw-Hill，第2版，1995年)一书中。二次电化学电池可以被多次充电(例如，超过五十次、超过一百次或更多次)。在一些情况下，二次电池可以包括相对坚固的隔板，例如具有许多层的和/或相对厚的那些。还可以设计二次电池使其能适应可能在电池中发生的诸如溶胀的变化。二次电池描述在例如Falk & Salkind的“Alkaline Storage Batteries”(JohnWiley & Sons，Inc.1969)和DeVirloy等人的美国专利345,124中。
为装配电池，可以将隔板20切割成与阳极12和阴极16尺寸类似的片，并放置在它们之间，如图1所示。然后将阳极12、阴极16和隔板20置于壳体22内，然后在壳体22内充入电解液并密封。壳体22的一端用帽盖24和环形绝缘垫圈26封闭，该垫圈可以提供气密性及流体封闭性密封。正极引片18将阴极16连接至帽盖24。安全阀28设置在帽盖24的内侧，其配置成当电化学电池1O的内部压力超过某一预定值时能够降低该内部压力。装配电化学电池的方法描述在例如Moses的美国专利4,279,972、Moses等人的美国专利4,401,735和Kearney等人的美国专利4,526,846中。
也可以采用电化学电池的其它构型，包括例如钮扣或硬币式电池构型、棱柱形电池构型、刚性薄片电池构型以及柔性袋式、信封式或包袋式电池构型。此外，电化学电池可以具有许多不同的电压(例如，1.5 V、3.0V、4.0 V)。电化学电池描述在例如Berkowitz等人在2003年9月30日提交的序列号为10/675,512、名称为“Batteries”的美国专利申请；2005年5月26日公布的Berkowitz等人的名称为“BatteryIncluding Aluminum Component”的美国专利申请公开2005/0112467Al；和2005年9月15日公布的Totir等人的名称为“Non-AqueousElectrochemical Cells”的美国专利申请公开2005/0202320 A1中，上述文献均引用在本文中以供参考。
以下的实例是说明性而非限制性的。
实例
在实例1和2中制作大约30至5O个阴极。
实例1
按照以下的程序制备阴极。
首先，使用双行星式混合器在11.32克ShellSol
Figure A20078000150400171
A100和16.98克ShellSol
Figure A20078000150400172
OMS的混合物中分散1.64克Kraton
Figure A20078000150400173
G1651聚合物、66.15克FeS2、1.05克炭黑(SOLTEX AB55)和2.86克石墨粉(TIMREX KS6)，从而形成浆料。使用Brookfield
Figure A20078000150400174
粘度计DV III(#7锭子，50 RPM)确定浆料的粘度为37000mPas。
然后把浆料涂布到由铝合金1N30的35微米厚的回火H18箔片形成的集电体的双侧上。采用挤压模技术以每分钟0.3米的速度和225微米的间隙设置按两遍的方式把浆料涂布到集电体上(每侧一遍)。
接下来，通过使浆料经过干燥器对其进行干燥，所述干燥器具有两个区，每个区长1.2m。第一区温度为35℃，第二区温度70℃。涂布的阴极的干燥厚度为0.315毫米。
最后，以每分钟0.9米的线速度把经过了涂布和干燥过程的阴极压延至0.244毫米的最终厚度。压延以后，阴极包括按阴极材料体积计约24％的孔隙率。
已压延阴极后，阴极在每平方厘米的每个阴极侧包含32.5毫克的阴极材料。
实例2
按照以下的程序制备阴极。
首先，使用双行星式混合器在35.5克N-甲基-2-吡咯烷酮的混合物中分散2.3克Kynar
Figure A20078000150400181
761聚合物、58.7克FeS2、0.9克炭黑(SOLTEX AB55)和2.6克石墨粉(TIMREX MX-15)，从而形成浆料。使用Brookfield
Figure A20078000150400182
DV II粘度计(#7锭子，50RPM)确定浆料的粘度为10000mPas。
然后，把浆料涂布到由铝合金1N30的35微米厚的回火H18箔片形成的集电体的双侧上。采用挤压模技术以每分钟0.26米的速度和254微米的间隙设置按两遍的方式把浆料涂布到集电体上(每侧一遍)。
接下来，通过使浆料经过干燥器对其进行干燥，所述干燥器具有两个区。每个区长1.2m。第一区温度为75℃，第二区温度100℃。涂布的阴极的干燥厚度为0.358毫米。
其它实施例
虽然已描述了某些实施例，但其它的实施例也是可行的。
作为例子，已经描述了使用PVDF均聚物和/或SEBS共聚物粘结剂的阴极，但在一些实施例中，阴极可选或者可以另外地包含一种或多种其它的粘结剂。粘结剂的实例包括聚四氟乙烯(PTFE)、乙烯-丙烯共聚物、氢化丁腈橡胶、氟乙烯-乙烯基醚共聚物、热塑性聚氨酯和热塑性烯烃。
作为另外的例子，在一些实施例中，阴极可以为卷绕的(例如，围绕着心轴)。
一种可选的电池配置披露在Berkowitz等人在同一天提交的作为母案申请的U.S.S.N.__/___,___中。
本文中提及的所有参考文献，例如专利申请、出版物以及专利均全文引入以供参考。
其它实施例见于权利要求中。

Claims (13)

1.一种电池，其包括：
外壳；
在所述外壳中的阳极；和
在所述外壳中的阴极，所述阴极的特征在于其包括：
具有第一侧面和与第一侧面相对的第二侧面的集电体，和
负载到所述集电体上的阴极材料，所述阴极材料包括二硫化铁，
其中所述集电体的第一侧面和第二侧面中的至少一方在每平方厘米的所述第一侧面和/或所述第二侧面上负载了超过21.5毫克的阴极材料。
2.如权利要求1所述的电池，其中所述集电体的第一侧面和第二侧面中的至少一方在每平方厘米的所述第一侧面和/或所述第二侧面上负载了最多约30毫克的阴极材料。
3.如权利要求1所述的电池，其中所述阳极包括锂。
4.如权利要求1所述的电池，其中所述集电体包括箔片。
5.如权利要求1所述的电池，其中所述集电体包括铝、包含铝的合金、或其组合。
6.如权利要求1所述的电池，其中所述阴极材料还包括粘结剂。
7.如权利要求7所述的电池，其中所述阴极材料包括最多五个重量百分比的所述粘结剂。
8.如权利要求7所述的电池，其中所述粘结剂包括选自聚偏二氟乙烯和苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物的聚合物。
9.如权利要求1所述的电池，其中所述阴极材料还包括选自石墨、炭黑及其组合的导电助剂。
10.如权利要求1所述的电池，其中所述阴极材料的形式为由所述集电体负载的至少一个层。
11.如权利要求1所述的电池，其中所述阴极材料包括至少约85重量百分比的二硫化铁。
12.如权利要求1所述的电池，其中所述阴极材料还包括至少约两个重量百分比的石墨。
13.一种制作电池阴极的方法，其特征在于该方法包括：
形成包括二硫化铁和溶剂的浆料；
把浆料施加到具有第一侧面和与第一侧面相对的第二侧面的基板上；和
干燥浆料，从而形成负载到所述基板上的阴极材料，
其中所述基板的第一侧面和第二侧面中的至少一方在每平方厘米的所述第一侧面和/或所述第二侧面上负载了超过21.5毫克的阴极材料。
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