CN101517788B - 具有改进的正电极的锂-二硫化铁圆柱形电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种原电化电池及其制造方法，其依赖于具有沉积在导电载体上的正电极物质的冻辊电极，所述导电载体具有局部未涂布部分，其中电化活性物质只涂布在载体的一个侧面上，以获得比没有这种未涂布部分的电池更好的性能。所述局部未涂布部分沿着冻辊的纵轴被定向。所述正电极物质优选为二硫化铁，而所述负电极包含锂或锂合金。

Description

具有改进的正电极的锂-二硫化铁圆柱形电池
发明领域以及相关申请
本发明涉及电化电池和制造这种电化电池的方法，具体涉及具有作为其主要电化活性物质的锂和二硫化铁以及上面选择性地沉积有电化活性物质的正电极(以提高使用寿命和更有效地利用负电极的电化活性物质)的电化电池。本申请是2006年7月26日提交的美国申请系列第11/493,314号的部分继续申请，其描述了特别适合此文所述发明使用的正性容器电池。通过引用将该申请合并至此文中。
发明背景
含有锂正阳极(positive anode)的电化电池由于其重量轻、高压、高电化当量和良好的电导率或其他原因而变得受亲睐。这种锂电池一般可分为两类：原电池，例如锂-二硫化铁系统、锂-亚硫酰氯系统和锂-二氧化锰系统；和二次电池，其允许这种二次电池的再充电，例如锂-离子、Li-PEO-LiClO4/VO4等等。
与原锂系统相比，从电池设计和化学角度来说，二次锂电池具有非常特殊的约束。许多二次电池需要嵌入(intercalating)锂，意味着必须提供过量的锂，因为在充电-放电循环期间发生锂的剥离(stripping)和重镀(replating)。而且，这种多孔的、高表面积的嵌入锂化合物非常有活性且容易形成短路树枝状晶体(dendrite)，从而带来相当大的安全顾虑。
其他二次电池通常使用的材料包括但不限于聚合物、无机或固态电解质，这些材料极大地不同于在原锂电池中见到的材料，且通常比它们更昂贵。而且，二次电池固有的问题，例如热量控制、为改善充电-放电循环而优化输入(input)和二次系统对自放电的亲和力 (affinity)，往往导致二次电池设计的成本和复杂性显著增高。最后，二次电池可具有非寻常的形状因素(form factor)(例如，棱形的、堆积式板状电极，等等)和/或在许多通常的消费应用(consumer application)中并非广泛或普遍实施的不标准的电压输出(例如，3.6V)。
相反，原锂电池设计的主要焦点围绕安全、便宜的材料的选择和可以商业上可行的生产量实施的方法来考虑。例如，尽管在二次电池中的大多数依赖于嵌入锂的负电极必须与粘合剂(binder)混合并被涂布至箔载体上，但优选的在锂-二硫化铁系统中的负电极是固体锂金属或锂合金本身，而不需要任何涂层。
原电池还必须依照标准尺寸和电压要求(例如，1.5V和AA罐型号)大规模生产。政府规定对电化电池生产者关于某些输入物(例如锂)的类型和最大量强加了进一步的限制(例如，目前，根据某些运输指南，锂的最大为1g)。因此，因为电化活性输入物的形状、尺寸和量被限制，电化电池生产者必须谨慎地策划他们的电池设计的所有方面，以提供改善的性能。同样，因为被消费者购买的原电池必须被制成标准尺寸，如果内部的阳极和阴极物质的利用可被优化，那么能够在较小的标准尺寸(例如，按体积来说，R6型号或更小的型号)中使电化活性物质在体积上最大化，则可相当大地提高使用寿命。
另外，某些用在原锂系统的正电极中的电化活性物质——最值得注意的是二硫化铁——在电池的放电期间经历相当大的膨胀(有时尺寸增加至两倍多)，从而对于如何构建电池提出了另外的困难。当考虑到电化活性物质必须与粘合剂和其他添加剂混合，以让负电极物质涂布至在整个放电循环中维持电接触的导电载体上这个事实时，可能会进一步增加与膨胀相关的困难。因此，原锂电池(特别是锂-二硫化铁系统)的阴极设计，涉及对其他系统来说不是必然固有的特别的考虑。
鉴于以上所述，应当显而易见的是，二次锂电池的教导不会必然地适合在原锂电池设计中遇到的顾虑。而且，需要这样的电池设计，即其使得所有电化活性输入物的使用量最小化并且使得所有电化活 性输入物得到有效利用，同时还提供原锂系统的细微差别(nuance)。
发明概述
鉴于以上问题和考虑，仍然需要一种原电化电池设计，其提供改善的电池性能并优化用于电池中的活性物质。
因此，本发明的一个目的是提供电化电池，其表现出想要的电池性能特性，例如增加的电池容量，而不超出关于各种物质(例如锂)在电池中的量的强制性限度。
本发明的另一目的是通过在正电极上使用电化活性物质的选择性沉积的结构，而提供具有改善的锂利用效率、出乎意料的提高的容量以及负电极和正电极之间改善的界面接触的电化电池。
本发明的另一目的是提供依赖于冻辊(jellyroll)结构的电化电池，其中通过减少所使用的锂的量(当与常规电池设计(其中锂围绕冻辊结构的最外围延伸)相比时)来降低材料成本。
应注意的是，前述目的只是示例性的。本领域的技术人员将容易地意识到，可根据以下实施方式的描述而被并入本发明中的许多优点和改变，以及其所有的各种衍生物和等同物，所有这些都明确地被预期作为本公开的一部分。
因此，本发明的一个方面是原电化电池，其包含非嵌入的(non-intercalating)负性锂电极和二硫化铁正电极，它们被缠绕成冻辊结构，其中隔离物被设置在两个电极之间。冻辊与非水有机电解质一起被设置在圆柱形外壳(housing)中。值得注意的是，二硫化铁被涂布在衬底上，但以在载体的一个侧面留下局部未涂布部分的方式涂布，所述局部未涂布部分由衬底的一个轴向边缘向其相对的轴向边缘延伸。当冻辊被产生时，此未涂布部分沿冻辊/电池容器的高度沿纵轴而延伸。可提供第二个局部未涂布部分，优选在衬底的相对侧面上，以形成第二个纵轴。这些纵轴可彼此重叠(即，彼此直接紧邻，但位于衬底的相对侧面上)或偏离(offset)。未涂布的部分随后可被排列(align)在 冻辊的外围和/或最内部核心上，而不需要将锂放置在与未涂布部分相邻的位置，减少了所需要的锂的量并且总体上使得在构建电池中节约成本。同时，尽管锂输入量减少了，但与具有额外的锂的电池相比，按此设计的电池表现出增加的性能。
本发明的另一方面是电化电池，其具有1.5V的标称电压，使用锂的负电极和具有被涂布在箔载体上的电化活性物质的正电极制成。此处同样地，使用隔离物将电极螺旋缠绕成冻辊，并将其与非水电解质一起设置在圆柱形容器中。在此情况下，导电载体具有由箔的一个末端延伸至另一个末端且在任一侧面没有涂层的长度方向部分，其优选被定向(orient)在冻辊的顶端。同上，至少一个未涂布部分延伸穿过箔载体的宽度。当冻辊被缠绕时，优选将未涂布部分定向在冻辊的最外围上。如果提供多个未涂布部分，第一个和第二个未涂布部分可部分地或完全地重叠(即，彼此紧邻，但位于箔载体的相对侧面上)。但是，如果第三个未涂布部分被提供在箔的与第一个未涂布部分相同的表面上，其必须通过涂布部分而与第一个未涂布部分分离开(即，除未涂布的长度方向部分以外，必须在第一个和第三个部分之间插入涂布部分)。本发明的这个方面又使锂输入量减少，同时与常规电池相比表现出更好的性能。
本发明的另一方面是圆柱形电化电池，其包含含有不多于1g的锂的负电极和具有二硫化铁的正电极，所述二硫化铁被涂布在导电箔上，使得至少一个未涂布的纵向部分由箔的未涂布边缘延伸穿过箔的宽度到达相对的边缘。使用隔离物螺旋缠绕电极，并使用非水有机电解质。当被置于2000mA连续耗电测试(drain test)(采用1.0V的截止电压(cutoff))时，所产生的电池具有至少2400mAh的放电容量。与本发明的其他方面相同，此电池的特点是减少了锂但提高了使用寿命。
除非另有说明，如此文所使用的，以下列出的术语被定义如下：
电化活性物质——一种或多种化学化合物，其是电池的放电反应的一部分且有助于电池放电容量，包括存在的杂质和少量其他部分 (moiety)；
电化活性物质混合物——固体电极物质的混合物，其含有电极活性物质，不包括集流体(current collector)和电极导线；
平均粒度——组合物样品的体积分布的平均直径(MV)；
容量，放电——放电期间由电池产生的实际容量，通常以安培-时(Ah)或毫安-时(mAh)表示；
容量，输入——电极的理论容量，等于电极中每种活性物质的重量乘以那种活性物质的理论比容量，其中每种活性物质的理论比容量根据以下计算确定：[(96,487安培-秒/摩尔)/(克数/活性物质的摩尔数)]×(电子数/活性物质的摩尔数)/(3600秒/小时)×(1000毫安时/安培-时)；使用此等式，可计算出以下理论输入物容量：Li＝3862.0mAh/g、S＝1672.0mAh/g、FeS2＝893.6mAh/g、CoS2＝871.3mAh/g、CFx＝864.3mAh/g、CuO＝673.8mAh/g、C2F＝623.0mAh/g、FeS＝609.8mAh/g、CuS＝560.7mAh/g、Bi2O3＝345.1mAh/g、MnO2＝308.3mAh/g、Pb2Bi2O5＝293.8mAh/g和FeCuS2＝292.1mAh/g)；
容量，电极界面——电极对电池理论放电容量的总贡献，其基于总的电池放电反应机制和被包含在与相反电极中活性物质邻近的那部分活性物质混合物中的活性物质总量，并假设所有活性物质完全反应，其通常以Ah或mAh表示(当只有电极条带的两个主要表面中的一个邻近在相反电极中的活性物质时，只有在电极的那个表面上的活性物质(在固体集流体片的那个侧面上的物质，或者如果没有固体集流体片，即为占电极一半厚度的物质)才决定界面容量)；
电极载荷(electrode loading)——每单位电极表面积的总物质混合物干重，通常以克每平方厘米表示(g/cm2)；
电极密实度(electrode packing)——每单位电极表面积的总物质干重除以每单位电极表面积的理论活性物质混合物干重，其基于混合物中固体物质的真密度，通常以百分数表示；
界面高度，电极组件——组件中电极的界面表面平行于电池的纵 轴的平均高度；
界面体积，电极组件——电池室(cell housing)内的体积，由在容器侧壁的内表面垂直于电池纵轴的横截面面积和电极组件界面高度来界定；
标称的——由制造商指定的值，代表那种特性或性质可被预期的值；
室温——约20℃至约25℃之间；
螺旋缠绕电极——通过沿着电极条带的长度或宽度缠绕(例如围绕心轴或中心核心缠绕)而被组合成组件的多个电极条带；
附图简述
通过阅读本发明的详细描述并结合附图，本发明将被更好地理解且其他特点和优点将变得显而易见，其中：
图1是根据本发明任何实施方式的锂-二硫化铁电化电池的横截面的全视图。
图2a和2b分别显示根据本发明的第一个实施方式的被选择性涂布的正阴极(positive cathode)的横截面侧视图和顶视图，而图2c显示根据此实施方式制造的冻辊组件的横截面顶视图。
图3a、3b和3c分别显示根据本发明的第二个实施方式的被选择性涂布的正阴极的横截面侧视图、顶视图和底视图，而图3d显示根据此实施方式制造的冻辊组件的横截面顶视图。
图4a、4b和4c分别显示根据本发明的第三个实施方式的被选择性涂布的正阴极的横截面侧视图、顶视图和底视图，而图4d显示根据此实施方式制造的冻辊组件的横截面顶视图。
图5a、5b和5c分别显示根据本发明的第四个实施方式的被选择性涂布的正阴极的横截面的侧视图、顶视图和底视图，而图5d显示根据此实施方式制造的冻辊组件的横截面顶视图。
图6a和6b显示可在任何前述本发明的实施方式中实施的备选的 被选择性涂布的正阴极的总体顶视图和/或底视图。
发明的详细描述
图1图示了可与本发明结合使用的代表性锂-二硫化铁电化电池的电池设计。值得注意的是，其他设计或结构是可行的，只要这种其他设计或结构依赖于冻辊电极组件，更具体地，依赖于如以下所描述的被选择性图案化(patterned)的冻辊电极组件。
本发明的电化电池通常是圆柱形的，且优选具有比最大直径更大的最大高度，且圆柱形容器具有比盖子或端帽(end cap)更大的内部体积容量。优选地，电池的尺寸将符合标准尺寸(例如，IEC等)，包括但不限于“AA”、“AAA”和“AAAA”型号。但是，本发明也可适合于其他电池尺寸和形状，和具有椭圆形或圆形冻辊电极组件、外罩、密封件和泄压口设计等的电池。
参考图1，将更好理解本发明的优选实施方式，图1显示原电化电池110。电池110是AA型锂二硫化铁圆柱形电化电池(根据IEC命名法也称作FR6)，其中电极118、120以冻辊结构被提供。电池110具有包括容器112的外罩，优选具有封闭的底部和开放的顶端，以使得电池的组装和封闭/密封简单化。美国专利申请公开第2006/0046154号，其大体描述与本发明共同的一些圆柱形锂二硫化铁电化电池的特性(包括但不限于示例性的结构和用于容器的材料以及电池的示例性活性成分)，通过引用将其合并至此文中。
根据许多已知方法将电池封闭件(cell closure)114固定在容器112的开口端上方。在优选的实施方式中，电池封闭件114包括泄压口113、上端盖(upper terminal cover)115、衬垫116和PTC 142。上端盖115可被容器112向内卷褶的顶部边缘和衬垫116保持在原位。在优选的实施方式中，容器112可在靠近顶端处具有凸缘(bead)或直径减小的台阶，其轴向和/或径向压缩容器112和电池封闭件114，从而形成基本上防漏的密封。值得注意的是，电池封闭件114(在更特定和优选的实 施方式中，衬垫116)必须在容器112和端盖115之间提供电绝缘，以避免不想要的电池110的短路。电池封闭件114和容器110彼此结合工作，以为电池内部部件(包括电极118、120和非水电解质(在图1中未示出))提供防漏密封。
虽然在某些实施方式中，起初在两端开口的金属管可代替罐而被使用，但电池容器112优选是具有整体封闭的底部的金属罐。容器112可以为任何合适的材料，非限制性的例子包括不锈钢、镀镍不锈钢、包镍(nickel clad)或镀镍的钢、铝和其合金。例如，扩散退火的(diffusionannealed)、低碳的、铝镇静的(killed)SAE 2006或等同的钢(具有ASTM9至11的粒度并被等轴成稍微伸长的晶粒形状)，在本发明的一个实施方式中是优选的。容器材料的选择取决于许多因素，包括但不限于，电导率、耐腐蚀性、与电池内的内部部件和活性物质的相容性和成本。
电池封闭件114(包括端盖115)必须也由导电材料制成，例如金属、金属合金或合适的导电塑料。适合的例子包括，但不限于，用于构建容器的材料(已在上文讨论)或其他已知的具有本文所讨论的其他性质的材料。除了在前面的段落中确定的需要考虑的事项外，盖子形状的复杂性、成形/加工/铸造/挤出的容易度(ease)和与电池内部部件的相容性都是要考虑的因素。电池盖(cell cover)114和/或上端盖115可具有简单的形状，例如厚的、扁平的盘状，或可具有更复杂的形状，例如在图1中所示的盖子，且可被设计成当在消费电池组(consumer battery)上可见时具有吸引人的外表。就端盖115或电池盖114位于泄压口113之上来说，各个盖子通常具有一个或多个洞，以便于电池换气(venting)。
衬垫116是电池盖的不导电部分且被压缩在罐112和盖子114之间以密封这些元件的外围边缘，以防止腐蚀并阻止电解质穿过这些元件、围绕这些元件或在这些元件之间渗漏。衬垫116可由聚合物成分(polymeric composition)制成，例如，热塑性或热固性聚合物，其成分部分地基于与电极118、120和在电池110中使用的电解质的化学相 容性。可被用在衬垫116中的材料的例子包括但不限于，聚丙烯、聚苯硫醚、四氟化物-全氟烷基乙烯基醚共聚物、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、乙烯四氟乙烯(ethylene tetrafluoroethylene)、聚邻苯二酰胺，和前述材料的任何合适的组合或混合。可被使用的优选的聚丙烯是来自Wilmington，Delaware，USA的Basell Polyolephins的PRO- 6524。优选的聚苯硫醚可为购自Shiner，Texas，USA的BoedekerPlastics，Inc.的 PPS。优选的聚邻苯二酰胺为可购自Alpharetta，Georgia的Solvay Advanced Polymers的 ET 1001L。除基础树脂(base resin)(例如玻璃纤维等)外，聚合物还可含有增强用无机填料和有机化合物。选择材料的一个重要的因素将依赖于用于电池的电解质的低蒸汽透过率，在这点上，聚邻苯二酰胺通常提供较好的性能。
衬垫116可被涂布有密封剂(sealant)，以提供更好的密封。乙烯丙烯二烯三元共聚物(EPDM)是合适的密封剂材料，但可使用其他合适的材料。
正温度系数(PTC)器件142也可被设置在端盖115的外围边缘和电池盖114之间。PTC 142在电滥用条件(abusive electrical condition)下充分地限制电流的流动。在电池110的正常工作过程中，电流流动通过PTC器件142。如果电池110的温度达到异常高的水平，PTC器件142的电阻增加以减少电流流动，从而使得PTC器件142减缓或防止由电滥用(例如外部短路、异常充电和强制深度放电)引起的电池持续的内部加热和压力累积。然而，如果内部压力继续累积至预定的释放压力，泄压口113将被激活以释放内压力。所以，此文所描述的电池事实上具有众多的安全机制，尽管没有一个这样的机制对于本文描述和要求保护的发明是必不可少的。
电池封闭件114包括作为安全机构的泄压口113，以避免内压力累积并防止在滥用情况下的电池解体。在一个实施方式中，电池盖114包括球形泄压口，其包括具有向内突出的中心排气井(well)128的孔 洞，其中排气孔130位于井128的底部。孔洞被排气球132和薄壁热塑性衬套(bushing)134密封，衬套被压缩在排气井128的垂直壁和排气球132的外围之间。当电池内压力超过预定水平时，排气球132，或排气球132与衬套134，被挤出孔洞以从电池110释放加压的气体。
排气衬套134是由热塑性材料制成的，该材料可抵抗在高温(例如75℃)时的冷流。热塑性材料包括基础树脂，例如乙烯-四氟乙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯硫醚、聚邻苯二酰胺、乙烯氯-三氟乙烯、三氟氯乙烯、全氟烷氧基烷烃、氟化全氟乙烯聚丙烯和聚醚醚酮。乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、聚苯硫醚(PPS)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)和聚邻苯二酰胺是优选的。可通过添加热稳定填料来改性树脂，以给排气衬套提供在高温时所需的密封和排气特性。衬套可由热塑性材料注射成型。 HT2004(具有25重量％的碎玻璃填料的ETFE树脂)是优选的热塑性材料。
排气球132可由任何合适的材料制成，该材料与电池内容物稳定接触并提供想要的电池密封和排气特性。可使用玻璃或金属(例如不锈钢)。
在另一实施方式中，泄压口113可包括单层或层状箔泄压口(foilvent)。这种箔泄压口阻止蒸汽透过，且必须与电极118、120和电解质化学性相容。任选地，这种箔泄压口也可包括由压力、超声能和/或热激活的粘性成分，以进一步完善密封。虽然其他材料是可行的，且可改变层压材料中的层的数目，但在优选的实施方式中，可使用由定向的(oriented)聚丙烯、聚乙烯、铝和低密度聚乙烯组成的四层的泄压口。泄压口可以被卷褶、热封和/或机械地保持在电池密封件114中的孔洞上。值得注意的是，使用这种泄压口增加了电化活性物质可利用的电池110的内部容量。特别地，可理解，应使用适当的材料并必须维持电连接，可使用与在美国专利申请公开第2005/0244706号(通过引用将其合并至此文中)中公开的箔泄压口相似的箔泄压口。
电池110包括正电极118和负电极120，它们以冻辊结构被螺旋 缠绕在一起，并在正电极118和负电极120之间设置隔离物。为了使电池内部体积最大化，优选使用圆形电极组件。
负电极120包含纯锂箔或纯锂薄片或被选择用来增强负电极120的电导率、延性、加工性能(processing capability)或机械强度的锂合金。在优选的实施方式中，锂可与以重量计为0.1％至2.0％的铝熔合，最优选的合金具有以重量计为约0.5％的铝。这样的材料可从ChemetallFoote Corp.，Kings Mountain，NC，USA获得。
根据电池的极性，导电元件或阳极极耳(anode tab)122被沿着电极118的至少一部分而固定连接至负电极118，以将电流传导至电池110的负极端。由于锂的性质，这种连接可通过简单的压力接触来实现，所述压力接触将阳极极耳122的一端嵌入负电极的一部分，或通过将元件的一端压在锂箔的表面上来实现。虽然元件可被连接至电极120上的其他和/或多个位置，但在优选的实施方式中，阳极极耳122沿着冻辊电极组件119的最外围而连接至负电极。
阳极极耳122作为电导线或极耳而将负电极120电连接至电池容器112。在另一实施方式中，可能制造“反极性电池”，其中导电元件(未示出)在负电极120和电池封闭件114的一部分之间实现电接触，从而赋予封闭件114(更具体的是端盖115)负极性。这种导电元件可由优选金属或金属合金的材料制成，它们因其延性、机械强度、电导率和与电池110内的电化活性物质(包括电解质)的相容性而被选择。虽然钢、镍、铜和其他类似材料可能是可行的，但其中一个优选的材料是镀镍冷轧钢。
集流体(未示出)也可被包括为负电极118的一部分，例如，以当锂被消耗时，维持在放电期间负电极内的电连续性(electricalcontinuity)。当负电极包括集流体时，因为铜的电导率的原因，其可由铜制成，但可使用其他导电金属，只要它们在电池内部是稳定的。集流体本身可被完整地成形，或可被单独地附着至锂或锂合金。这样的集流体与上述阳极极耳分离开，但可与其结合使用或可代替其使用。
正电极118包含电化活性物质，所述电化活性物质以选择性涂布的或“图案化的”构造被附着在导电箔的两个侧面上。箔可以是铝或其他合适的材料，虑及适当的流变性质以粘附电化活性物质。电化活性物质优选为二硫化铁。它们的精确性质将在以下更为详细地描述。
使用隔离物(未示出，但沿着电极118、120之间的所有界面接触点设置)将正电极118与负电极120螺旋缠绕，以形成冻辊电极组件119。正电极118形成冻辊结构119的最外层缠绕。缠绕前，电极118、120的宽度基本对应于沿容器112的纵向长度延伸的轴。正电极118和负电极120的上端优选是同延的(co-extensive)，其中集流体与每个电极相联，且集流体被定位以与末端(与容器112的底部或侧面相联)和电池封闭件114适当地电接触。或者，电极118或120其中一个可具有沿冻辊电极组件119的顶部被定向的边缘，该边缘基本上与所使用的隔离物的上轴末端高度相等，因而该边缘不伸出，而另一个电极被故意制成较大尺寸，以利于增强与电池封闭件114和/或容器112的底部的电连接。虽然以下几个实施方式的目的是提供冻辊电极组件，其中负电极部分地沿最外围延伸以让阳极极耳附着在最外围，从而消除刺破隔离物和造成电池短路的风险，但应该理解的是，在冻辊中正电极可与负电极的末端重叠(即真正形成冻辊的整个最外层)，且可提供额外的隔离物或绝缘，以克服短路的风险。
因为正电极形成了冻辊组件119最外围的绝大部分，所以容器112可作为电化电池110的正极端(其中集流体组件(collector assembly)114与负电极120配置在一起，以作为负极端)。或者，可围绕最外层缠绕物(wind)设置绝缘材料，例如隔离物或其他合适的绝缘胶带，以防止电池110的短路。在此选择方案中，电化活性物质未沿正电极118的箔载体的顶部轴向边缘被涂布，从而减少了锂输入量(与锂形成最外层缠绕物的情况相比)且通常使得更好地利用电池中的电化活性物质(与二硫化铁被涂布在最外层缠绕物上但因为缺乏邻近的锂而没有被消耗的情况相比)。此未被涂布的部分向上延伸进入电池封闭件114，且可能被绝缘锥体146部分地套住(collar)，在绝缘锥体那里其与接触弹簧148电接触。因此，箔载体优选用作正电极的集流体，但可另外提供单独的集流体，并焊接或整体嵌入正电极表面，且具有与上述负电极集流体相似的设计考虑事项/参数。
电池110的正电极118可含有一种或多种活性物质，通常是微粒形式。如果电化活性物质不是唯一的，二硫化铁(FeS2)为主要成分(即，按重量计至少50％)以实现下述图案化(patterning)的最大利益，也可使用其他活性物质，例如Bi2O3、C2F、CFx、(CF)n、CoS2、CuO、CuS、FeS、FeCuS2、MnO2、Pb2Bi2O5和S。不管怎样，阴极物质的选择将在化学相容性和总体电池性能方面直接影响最佳电解质，因而封闭件114必须根据所选择的物质被特定地设计。
正电极118中的电化活性物质被涂布在箔载体(例如铝)上，电化活性物质的厚度(包括箔和涂层的厚度)优选小于约500μm(20密尔)且更优选的厚度为150-380μm(6-15密尔)。电化活性物质通常为微粒形式，优选的活性物质是二硫化铁。在Li/FeS2电池中，活性物质包含至少大于50重量％的FeS2。更优选地，Li/FeS2电池正电极的活性物质通常包含至少95重量％的FeS2，理想的是包含至少99重量％的FeS2，且优选地，FeS2是唯一的活性正电极物质。具有纯度至少为95重量％的电池级FeS2可从American Minerals，Inc.，Camden，NJ，USA；Chemetall GmbH，Vienna，Austria；Washington Mills，North Grafton，MA；和Kyanite Mining Corp.，Dillwyn，VA，USA获得。
用在电化电池阴极中的黄铁矿或二硫化铁(FeS2)颗粒通常来自被粉碎、热处理和碾磨的天然矿石。研磨的细度受颗粒与空气和湿气的反应性的限制。大的二硫化铁颗粒尺寸可影响生产过程(例如砑光)，导致衬底变形、涂层与衬底的结合的断裂以及由隔离物损坏引起的故障。但是，当粒度被减小时，其表面积被增大且被风化。风化是氧化过程，其中二硫化铁与湿气和空气反应形成硫酸铁。风化过程导致酸度增加和电化活性的减小。最终，黄铁矿颗粒的优选粒度为1至30μm， 且更优选为1.5至15μm，且最优选的为2-6μm。
FeS2的平均粒度优选被预先确定并通过湿磨法(例如介质研磨(media mill))或利用非机械研磨装置的干磨法(例如喷射研磨(jet mill))制成。由平均粒度减小的FeS2颗粒制备的电化电池，无论电池尺寸，在任何给定的放电深度都表现出增加的电池电压。较小的FeS2颗粒还使得在集流体上的正电极物质的涂层可能较薄；例如，仍可使用小于10μm的涂层。优选的FeS2材料及其制备方法已在美国专利申请公开第20050233214A1号和第20050277023A1号中揭露，通过引用将两篇申请全部合并至此文中。
除了活性物质，正电极混合物含有其他物质。通常使用粘合剂来将微粒物质结合在一起，并将混合物粘附至集流体。可添加一种或多种导电物质，例如金属、石墨和炭黑粉末，以给混合物提供改善的电导率。所使用的导电物质的量可取决于以下因素，例如活性物质和粘合剂的电导率、在集流体上的混合物的厚度和集流体设计。也可使用少量的多种添加剂以促进正电极制造和电池性能。以下是用于Li/FeS2电池正电极的活性物质混合物材料的例子。石墨：来自Timcal America，Westlake，OH，USA的KS-6和 MXl 5级合成石墨。炭黑：来自Chevron Phillips Company LP，Houston，TX，USA的C55级乙炔黑或来自Soltex of Houston，TX，USA的SN2AYS乙炔黑。粘合剂：由Polymont Plastics Corp.(之前的Polysar，Inc.)制造并可从HarwickStandard Distribution Corp.，Akron，OH，USA获得的乙烯/丙烯共聚物(PEPP)；非离子水溶性聚环氧乙烷(PEO)：来自Dow Chemical Company，Midland，MI，USA的 和来自Kraton Polymers，Houston，TX的G1651级苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯(SEBS)嵌段共聚物。添加剂：由Micro Powders Inc.，Tarrytown，NY，USA制造的FLUO 微粉化聚四氟乙烯(PTFE)(可购自Dar-Tech Inc.，Cleveland，OH，USA)和来自Degussa Corporation Pigment Group，Ridgefield.NJ的 200级火成二氧化硅。
优选的制造FeS2正电极的方法是将在高挥发性有机溶剂(例如三氯乙烯)中的活性物质混合物材料的淤浆辊涂在铝箔片的两个侧面上、干燥涂层以除去溶剂、砑光被涂布的箔以压紧涂层、将被涂布的箔分裂成所需宽度并将分裂的正电极材料的条带切割成所需长度。使用小粒度的正电极物质以使刺破隔离物的风险最小化是合乎需要的。例如，在使用前，优选通过230目(63μm)的筛子来筛选FeS2。通常的涂层厚度是100μm和更小
图2a至5d(包括图2a和5d)，图示了涂层图案，其帮助表现出本发明优选实施方式的特征，在每种情况中，FeS2和相关的粘合材料(全部都在上文描述过)只是被选择性地沉积在铝箔的一个或两个侧面的多个部分上。例如，图2a和2b显示在冻辊结构内的螺旋缠绕之前的正电极，而图3a-3c、4a-4c和5a-5c显示未被缠绕的正电极的不同的实施方式。由A-A界定的线条在每组图(例如，图2a-2b、图3a-3c等)中是相同的，但线条A-A还界定了径向轴，沿着该轴，图示出图2c、3d、4d和5d的横截面图。
参考图2a，正电极218包含箔载体250的两个界面侧面1S和2S。在图2a中，显示的是箔载体250关于其厚度的横截面。电化活性物质被沉积在界面侧面1S的涂布区域251，使得未涂布区域261沿界面侧面1S被暴露出来。值得注意的是，如涂布区域252所示，界面侧面2S具有沿其在线条A-A方向上的整个长度被涂布的电化活性物质。
图2b图示了界面侧面1S的顶视图。此处，可明显看出，未涂布区域261沿着箔载体250的宽度、或更优选地当箔载体250被螺旋缠绕时沿着冻辊的纵轴、或最优选地(如在图中所示)沿着箔载体250的纵向边缘延伸。任选地，代替集流体，如现有技术已知的，可在两个界面侧面1S和2S上提供轴向未涂布边缘270，以当电极218与隔离物和负电极螺旋缠绕时建立与容器或电池封闭件组件的电连通(electrical connectivity)。
图2c显示当按以上所述与负电极220和隔离物(未示出，但沿着 正电极218和负电极220之间的所有界面接触点设置)螺旋缠绕正电极218时，所产生的冻辊电极219沿线条A-A的径向横截面。值得注意的是，未涂布区域216被沿着冻辊电极组件219的最外围设置，导致产生贯穿全文所述的好处和进步。负电极220可被缠绕成部分地沿着最外围延伸(如图所示)，使得阳极极耳(在图2c中未示出但在上文描述过)可被附着在电极218、220之间的界面区域，而不会增加刺穿隔离物进而导致电池短路的风险。
另一个实施方式被图示在图3a、3b和3c中。此处，两个未涂布区域被提供在箔载体的相对界面侧面上。更具体地，首先参考图3a，正电极318包含箔载体350的两个界面侧面1S和2S。在图3a中，显示的还是箔载体350关于其厚度的横截面。电化活性物质被沉积在界面侧面1S的涂布区域351，使得未涂布区域361沿着界面侧面1S被暴露出来。相似地，界面侧面2S具有沉积在涂布区域352的电化活性物质，以留下未涂布区域362。
图3b接着图示了界面侧面1S的顶视图，而相应的图3c显示了界面侧面2S的顶视图。同上，在图3b中，未涂布区域361沿着箔载体350的宽度、或更优选地当箔载体350被螺旋缠绕时沿着冻辊的纵轴、或最优选地(如在图中所示)沿着箔载体的纵向边缘延伸，而在图3c中，未涂布区域362沿着界面侧面2S的相对的宽度或纵向边缘延伸。同样，轴向未涂布边缘370可任选地被提供来替代集流体，以当与隔离物和负电极螺旋缠绕电极318时建立与容器或电池封闭件组件的电连通。
图3d显示当按以上所述与负电极320和隔离物(未示出，但沿着正电极318和负电极320之间的所有界面接触点设置)螺旋缠绕正电极318时，所产生的冻辊电极319沿线条A-A的径向横截面。值得注意的是，未涂布区域316被沿着冻辊电极组件319的最外围设置，而未涂布区域362位于冻辊319的最内部核心。同样，负电极320优选部分地沿着最外围延伸，以提供沿着冻辊319的纵轴，使阳极极耳(未示 出)可被安全地和牢固地放置。同上，所产生的电池具有改善的使用寿命和减少的锂输入量，所有这些在以下被更详细地描述。
第三种实施方式被图示在图4a、4b和4c中。此处，两个未涂布区域被提供在箔载体的单个界面侧面上，其中第三个未涂布区域被形成在相对的侧面上。更具体地，首先参考图4a，正电极418包含箔载体450的两个界面侧面1S和2S。在图4a中，显示的是箔载体450关于其厚度的横截面。电化活性物质被沉积在界面侧面1S的涂布区域451上，使得未涂布区域461a、461b沿着界面侧面1S被暴露出来，优选区域461a和461b位于箔载体450的相对纵向边缘上。界面侧面2S具有沉积在涂布区域452上的电化活性物质，以留下未涂布区域462，优选正好位于区域461b的下方。区域461b和区域462的至少一部分可被合并为心轴以使螺旋缠绕过程简单化或促进该过程。
图4b图示了界面侧面1S的顶视图，而相应的图4c显示界面侧面2S的顶视图。如在图4b中，未涂布区域461a沿着箔载体450的第一宽度、或更优选地当箔载体450被螺旋缠绕时沿着冻辊的纵轴且最优选地(如图中所示)沿着箔载体450的纵向边缘延伸，且461b沿着其相对的宽度/轴/边缘延伸，而在图4c中，未涂布区域462沿着界面侧面2S的相反的纵向宽度/轴/边缘延伸，其恰好紧邻未涂布区域461a、461b中的一个，或与它们偏离。同样，轴向未涂布边缘470可任选地被提供来替代集流体，以当与隔离物和负电极螺旋缠绕电极418时建立与容器或电池封闭件组件的电连通。
图4d显示了当按以上所述与负电极420和隔离物(未示出，但沿着正电极418和负电极420之间的所有界面接触点设置)螺旋缠绕正电极418时，所产生的冻辊电极419沿线条A-A的径向横截面。值得注意的是，未涂布区域461被沿着冻辊电极组件419的最外围设置，而未涂布区域462位于冻辊419的最内部核心。由于上述原因，区域461b也位于冻辊419的最内部的前沿。同样，负电极420优选部分地沿着最外围延伸，以提供沿着冻辊419的纵轴，使阳极极耳(未示出)可被 安全地和牢固地放置。同上，所产生的电池具有提高的使用寿命和减少的锂输入量，所有这些在以下被更详细地描述。
第四个实施方式被图示在图5a、5b和5c中。此处，两个未涂布区域被提供在箔载体的每个界面侧面上。更具体地，首先参考图5a，正电极518包含箔载体550的两个界面侧面1S和2S。在图5a中，显示的是箔载体550关于其厚度的横截面。电化活性物质被沉积在界面侧面1S的涂布区域551上，使得未涂布区域561a、561b沿着界面侧面1S被暴露出来，优选区域561a和561b位于箔载体550的相对纵向边缘上。界面侧面2S具有沉积在涂布区域552上的电化活性物质，以留下未涂布区域562a、562b，优选562a排列在562b的下方且区域562b恰好紧邻区域561a。虽然与其他实施方式相比可能需要稍微多些隔离物以防止在未涂布区域的短路，但就给螺旋缠绕操作的心轴提供未涂布部分而言，以及就以较不苛求的容差(less exacting tolerance)切割和按一定大小制作电极518而言，这些未涂布区域使得制造过程简单化。具体地，图5d的区域580指示出了可能需要这样的过量的隔离物或绝缘材料的位置。应当理解的是，这种过量的材料也可被用于本发明的任何实施方式中，以便按照比原本可能的容差更宽松的容差，使大的连续电极卷的生产简单化。就任何未涂布区域都位于正电极的内部宽度上而言(即，当冻辊电极结构意味着未涂布区域位于除冻辊的最外围或最内部核心外的任何位置时的所有情况)，这种过量的隔离物/绝缘区域也是必要的。
图5b图示了界面侧面1S的顶视图而相应的图5c显示界面侧面2S的顶视图。例如在图5b中，未涂布区域561a沿箔载体550的第一个纵向边缘延伸，且561b沿其相对边缘延伸，而在图5c中，未涂布区域562a、562b沿界面侧面2S的相反的纵向边缘延伸。同样，轴向或纵向未涂布边缘570可被任选提供来代替集流体，以当与隔离物和负电极螺旋缠绕电极518时建立与容器或电池封闭件组件的电连通
图5d显示当按以上所述与负电极520和隔离物(未示出，但沿着 正电极518和负电极520之间的所有界面接触点设置)螺旋缠绕正电极518时，所产生的冻辊电极519沿线条A-A的径向横截面。值得注意的是，未涂布区域561a被沿着冻辊电极组件519的最外围设置，而未涂布区域562a位于冻辊519的最内部核心。区域561b也位于冻辊519的最内部前沿上，且区域562b虽然不位于其最外围上，但靠近最外缠绕物。同样，负电极520优选部分地沿着最外围延伸，以提供沿着冻辊519的纵轴，使阳极极耳(未示出)可被安全地和牢固地放置。同上，所产生的电池具有提高的使用寿命和减少的锂输入量，所有这些在以下被更详细地描述。
图6a和6b显示可在此文所述的任何一个实施方式中实施的备选涂布模式。参考图6a，显示的是正电极618的顶视图或底视图。此处，沿着正电极618的长度方向边缘除去无物质(mass free)区域，使得只有未涂布区域沿着电极的宽度设置(如未涂布部分660所示)。同上，正电极混合物被涂布在区域651中，所述混合物包括电化活性物质(例如二硫化铁)、任何任选的粘合剂、导电物质和加工助剂。值得注意的是，此图案可在一个或两个界面侧面上产生(例如，在图2a、3a、4a或5a的任何一个中的正电极的1S和/或2S)，且当两个界面侧面被涂布时，它们可彼此紧邻或彼此偏离。相似地，在图6b中，两个未涂布区域660a、660b随同正电极混合物651一起被图案化在电极618上。如在图6a中，此图案可被放置在正电极618的一个或两个侧面上，其中每个侧面上的各自的未涂布区域660a、660b彼此紧邻或偏离。在图6a和6a中，优选的排列是未涂布区域被设置在电极的相反的宽度方向边缘处，涂布区域被插入在它们之间。
一般来说，所有上述结构使得不需要围绕冻辊电极的最外缠绕层提供电化活性物质。此特点甚至更重要，因为现有电池的最流行设计不仅需要电化活性物质，而且以负电极锂的形式提供，负电极锂很昂贵且难以处理。因此，本发明的电池的锂输入量被减少，但是，如在以下更详细讨论的，观察到性能方面许多未预料到的进步。
而且，应注意的是，上述未涂布区域不需要沿着冻辊的整个纵向长度延伸。但是，本发明的最大程度的益处是根据上述实施方式来实现的。
就未涂布区域在箔的宽度方向边缘的相对侧面上彼此直接紧邻来说，此未涂布部分可使得冻辊缠绕程序简单化。此处，未涂布区域定向于缠绕心轴的内部，隔离物和负电极物质以层状形式被提供，冻辊电极组件随后被缠绕。因为未涂布箔主要定向于缠绕心轴的内部，此缠绕程序将导致未涂布区域形成冻辊的非折叠核心(non-collapsingcore)(如在图4d中所见的)。
这种非折叠核心不需要在缠绕程序开始时利用更加昂贵的隔离物或负电极物质，从而导致制造商成本的节约。同时，被提供在缠绕心轴中的未涂布宽度方向边缘不应包含太多的完全未涂布材料(即，在衬底的相对侧面上彼此紧邻的未涂布区域)以至于折叠于自身之上或者当从心轴上脱离后压缩成沿着冻辊的纵轴的实体轴向核心。或者换句话说，所产生的冻辊电极组件不应该被缠的太紧，且不应当具有太多的未涂布的宽度方向部分。优选地，这意味着未涂布部分不应延伸超过心轴的一个完整的缠绕环(winding revolution)。
来看电池110的其余特点，可使用绝缘锥体146(在图1中示出)来包围正电极和/或任何与其一起使用的集流体，以进一步减小电池短路的可能性。环形绝缘锥体146优选被设置在罐的凸缘和冻辊电极组件119的顶部之间。优选地，只有正电极箔载体的未涂布部分270(在图2b中，或适当地，任何其他附图中)的未涂布部分将需要被绝缘锥体146围住。无论如何，应当注意避免使绝缘锥体146不必要地压缩冻辊电极组件119的顶端，因为这种压缩可导致电池110不想要的短路。也可能将未涂布部分270(在图2b中或适当地，在任何其他附图中)定向，以接触电池外罩的底部，从而不需要绝缘锥体146。
用于锂电池，特别是锂二硫化铁电池的电解质是非水电解质，其仅含有作为污染物的非常少量的水(例如，根据所使用的电解质盐，以重量计为每百万份不超过约500份)。可使用适合与锂和活性正电极物质一起使用的任何非水电解质。电解质含有一种或多种溶解在有机溶剂中的电解质盐。合适的盐取决于阳极和阴极活性物质和所需的电池性能，但例子包括溴化锂、高氯酸锂、六氟磷酸锂、六氟磷酸钾、六氟胂酸锂、三氟甲磺酸锂和碘化锂。合适的有机溶剂包括一种或多种以下溶剂：碳酸二甲酯；碳酸二乙酯；碳酸二丙酯；碳酸甲·乙酯；碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯；碳酸-1，2-丁二醇酯(1，2-butylene carbonate)；碳酸-2，3-丁二醇酯；甲酸甲酯(methaformate)；γ-丁内酯；环丁砜；乙腈；3，5-二甲基异噁唑；n，n-二甲基甲酰胺；和醚。盐和溶剂混合将提供足够的电解电导率和电导率以满足在所需温度范围内的电池放电需求。当醚被用在溶剂中时，它们通常提供低粘度、良好的湿润能力、良好的低温放电性能和高速放电性能。合适的醚包括，但不限于，无环醚(例如1，2-二甲氧基乙烷(DME)；1，2-二乙氧基乙烷；双(甲氧基乙基)醚；三甘醇二甲醚、四甘醇二甲醚和二乙醚)、环醚(例如1，3-二氧戊环(DIOX)、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃和3-甲基-2-噁唑烷酮)和它们的混合物。也可能使用额外的共溶剂(以上所列的或本领域已知的)。
特别是对于Li/FeS2，合适的盐的例子包括溴化锂、高氯酸锂、六氟磷酸锂、六氟磷酸钾、六氟砷酸锂、三氟甲磺酸锂和碘化锂；且合适的有机溶剂包括一种或多种以下溶剂：碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲.乙酯、碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸-1，2-丁二醇酯、碳酸-2，3-丁二醇酯、甲酸甲酯、γ-丁内酯、环丁砜、乙腈、3，5-二甲基异噁唑、n，n-二甲基甲酰胺和醚。盐/溶剂混合必须提供足够的电解电导率和电导率以满足在所需温度范围内的电池放电需求。醚通常是合乎需要的，因为它们通常具有低粘度、良好的湿润能力、良好的低温放电性能和良好的高速放电性能。在Li/FeS2电池中尤其如此，因为醚比使用MnO2正电极更稳定，因此可使用更高含量的醚。合适的醚包括，但不限于，无环醚，例如1，2-二甲氧基乙烷、1，2-二乙氧基乙烷、双(甲氧基乙基)醚、三甘醇二甲醚、四甘醇二甲醚和二乙醚；和环醚，例如 1，3-二氧戊环、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃和3-甲基-2-噁唑烷酮。
可改变电解质盐的摩尔浓度来改变电解质的导电性。合适的含有一种或多种溶解在有机溶剂中的电解质盐的非水电解质的例子包括，但不限于，在1，3-二氧戊环、1，2-二乙氧基乙烷和3，5-二甲基异噁唑(以重量计为24.80∶60.40∶0.20％)的溶剂混合物中的、浓度为1摩尔/升溶剂的三氟甲磺酸锂(以重量计为14.60％)，其具有2.5mS/cm的电导率；在1，3-二氧戊环、1，2-二乙氧基乙烷和3，5-二甲基异噁唑(以重量计为23.10∶56.30∶0.20％)的溶剂混合物中的、浓度为1.5摩尔/升溶剂的三氟甲磺酸锂(以重量计为20.40％)，其具有3.46mS/cm的电导率；和在1，3-二氧戊环、1，2-二乙氧基乙烷和3，5-二甲基异噁唑(以重量计为63.10∶27.60∶0.20％)的溶剂混合物中的、浓度为0.75摩尔/升溶剂的碘化锂(以重量计为9.10％)，其具有7.02mS/cm的电导率。被用在本发明的电化电池中的电解质应具有的电导率通常大于约2.0mS/cm，理想的是大于约2.5或约3.0mS/cm，且优选的是大于约4、约6或约7mS/cm。
合适的隔离物材料是离子透过性的且是不导电的。合适的隔离物的例子包括由例如聚丙烯、聚乙烯和超高分子量聚乙烯的材料制成的微孔膜。用于Li/FeS2电池的合适隔离物材料为可得自Charlotte，NorthCarolina，USA的Celgard Inc.的 2400微孔聚丙烯膜；Macedonia，New York，USA的Exxon Mobil Chemical Company的Setella F20DHI微孔聚乙烯膜；和Lebanon，Oregon，USA的EntekInternational LLC的Teklon Gold LP微孔聚乙烯膜。
隔离物是薄微孔膜，它是离子透过性的且是不导电的。它能够将至少一些电解质保持在隔离物的孔中。隔离物被设置在阳极和阴极的相邻表面之间，以使电极彼此电绝缘。隔离物的多个部分也可使其他与电池接线端电接触的部件绝缘，以防止内部短路。隔离物的边缘通常超出至少一个电极的边缘，以确保即使阳极和阴极彼此没有完美地排列，它们也不会电接触。但是，使超出电极的隔离物的量最小化是 合乎需要的。
另外，就电池被设计成容器负性的来说，将在冻辊结构和外罩/容器的侧壁之间设置隔离物层，以提供适当的电绝缘，而附着至锂电极并延伸在冻辊的外面(在纵向侧面上或在底部)的阳极集流体极耳确保了与容器的足够的负性电连接。如以上提到的，可能需要额外的隔离物或绝缘材料来确保沿正电极的任何图案化的(即，未涂布的)长度不会发生短路。
为提供良好的高功率放电性能，合乎需要的是，隔离物具有在美国专利第5,290,414号中揭露的特性，据此通过引用合并此文中。合适的隔离物材料还应当足够牢固，以经受电池制造过程以及在电池放电期间可能施加在隔离物上的压力，且没有裂缝(tear)、裂痕、洞或其他继续发展可导致内部短路的缺口。另外的合适的隔离物材料已在美国专利申请公开第20050112462A1号及其后续中描述，此处通过引用将所有这些全部合并至此文中。
为使电池中的总隔离物体积最小化，隔离物应当尽可能地薄，但至少为约1μm或更大，以便在阴极和阳极之间存在物理性屏障，以防止内部短路。即，隔离物厚度为约1至约50μm，理想的是约5至约25μm，且优选的是约10至约16或约20μm。所需的厚度将部分取决于隔离物材料的强度和可能施加在提供电绝缘的隔离物上的力的大小和位置。
用在锂电池组中的隔离膜通常由聚丙烯、聚乙烯或超高分子量聚乙烯制成，优选由聚乙烯制成。隔离物可以是单层双轴取向的微孔膜，或者两层或多层可被层压在一起以提供在正交方向所需的拉伸强度。优选为单层，以使成本最小化。合适的单层双轴取向的聚乙烯微孔隔离物已在以上确定，每个具有16-20μm之间的优选厚度。
可使用任何合适的方法来封闭并密封电池。这样的方法可包括，但不限于，卷褶、重拉伸、夹持(colleting)和它们的组合。例如，对于在图1中的电池，在电极和绝缘锥体被插入后，在罐中形成凸缘(bead)， 而衬垫和盖子组件(包括电池盖、接触弹簧和排气衬套)被放置在罐的开口端。当衬垫和盖子组件被相对凸缘向下推动时，电池被支撑在凸缘上。利用分段式套爪(segmented collet)来减小凸缘上方的罐的顶部的直径，以将衬垫和盖子组件保持在电池中的适当位置。在电解质被通过排气衬套和盖子中的孔洞分配至电池中后，将排气球插入衬套中以密封在电池盖中的孔洞。将PTC器件和端盖放置在电池的电池盖上方，且使用卷褶模(crimping die)来使罐的顶部边缘向内弯曲，以保持住衬垫、盖子组件、PTC器件和端盖，并通过衬垫来完成罐的开口端的密封。
实施例I
使用标准的“AA”型罐和以上确定的最优选的材料来构建第一组电池。特别地，提供了厚度为150μm(约6密尔)、宽度为39mm且长度为305.1mm的负电极。正电极具有最优选的FeS2混合物，其在铝箔的任一侧面上被沉积至约80μm(约3密尔)的厚度。最终的正电极具有46.7mm的宽度(包括3.0mm宽的未涂布轴向边缘)，和328.7mm的长度(包括长度为31.0mm的、在正电极的仅一个界面侧面的末端纵向边缘的未涂布区域(第二个界面侧面沿其整个长度被涂布，但也具有3.0mm的未涂布轴向边缘))。根据上述程序，使用长度为404.2的优选隔离物螺旋缠绕两个电极，并将其与优选的电解质一起密封在标准的AA型容器中。
使用标准“AAA”型罐和以上确定的最优选的材料来构建第二组电池。特别地，提供的负电极具有150μm(约6密尔)的厚度、34.2mm的宽度和149.2mm的长度。正电极具有最优选的FeS2混合物，其在铝箔的任一侧面上被沉积至约80μm(3密尔)的厚度。最终的正电极具有42.9mm的宽度(包括3.0mm宽的未涂布轴向边缘)，和167.1mm的长度(包括长度为20.8mm的、在正电极的仅一个界面侧面的末端纵向边缘的未涂布区域(第二个界面侧面沿其整个长度被涂布，但也具有 3.0mm的未涂布轴向边缘))。根据上述程序，使用长度为243.4mm的最优选隔离物螺旋缠绕两个电极，并将其与优选的电解质一起密封在标准的AAA型容器中。
实施例II
同样，根据上述原理并使用最优选的材料，构建一组AA型(FR6)电池，并构造对照电池。在这种情况下，存在于对照电池中的合金锂(alloyed lithium)的量为1.000g，而试验电池中合金锂的量变化，如下表1所示。通过减少负电极长度并相应减少正电极长度以确保正电极不会与负电极极耳重叠，从而减少在试验电池中的锂。
通过给电化电池提供上述电极组件，与先前已知的电池设计相比，锂的量可被减少，但同时增加了锂的利用率(utilization)并出乎意料地增加了电池容量。值得注意的是，即使在最外围上提供完全涂布的、双面正电极来代替锂，未反应的FeS2仍将占据内部体积，内部体积对于较小的标准电池尺寸是非常宝贵的，且将可能增加电池短路的可能性，因为黄铁矿的微粒性质及其通过放电的显著的膨胀倾向，使得任何这样的设计更易于短路(通过刺穿冻辊和负性容器之间的绝缘材料(例如隔离物)造成短路)。在这点上，还应当注意的是，发明人认为美国专利系列第11/493,314号(本申请要求其优先权)代表了第一种情况(其中锂-二硫化铁电池被描述为具有正性容器极性)。下表1a和1b显示根据本发明可能的锂输入量的潜在(potential)减少。表2突显了被制造用于对比目的的对照电池的电极与实施例I和实施例II的电极的尺寸差异。注意，对照电池(如在本说明书通篇所提到的)是由与实施例I和II相同的材料并根据相同的程序构建的。应当理解的是，对于在表1a和2中所显示的尺寸差异，这些差异可直接归因于这样的事实，即在对照电池中，锂必须被沿着最外围提供(如本领域已知的及以上记载的)。
表1a对照电池与实施例I的试验电池的比较
表1b对照电池与实施例II的试验电池的比较
阴极长度(cm) 阳极
批次名 总长度 未涂布长度 (cm) Li(g)
对照 29.85 31.62 1.000
II-a 32.87 3.1 30.51 0.965
II-b 32.37 3.2 30.01 0.949
II-c 31.67 3.0 29.51 0.933
II-d 31.17 3.0 29.01 0.917
表2对照电池和试验电池之间的尺寸比较
***注意所有其他尺寸/材料是相同的***
随后在如下表3a和3b中显示的各种条件下，测试分别来自实施例I和对照电池的至少5个电池的使用寿命。相似地，表4说明了所实现的使用寿命进步随电池中锂的减少量而变化。如在全文中所使用的，“Cont.”代表在指定的功率或电流时的连续耗电测试。“1.5/0.65WDSC”指这样的测试，即电池经受2s的1.5W脉冲，随后为28s的0.65W脉冲，如此每小时重复10次。“1.2/0.65 W DSC”指这样的测试，即电池经受2s的1.2W脉冲，随后为28s的0.65W脉冲，如此每小时重复10次。如在表3a、3b和4中所示的所有测试都在室温下进行。
表3a性能数据的比较(AA型号)
表3b性能数据的比较(AAA型号)
表4Li减少量对使用寿命的影响(AA型号)
显然，本发明的电池，无论其尺寸如何，展示了改善的性能，尽管它们比相应的对照电池少含近7％的锂。此结果是未预料到的且表面上是违反直觉的，因为本领域普遍接受的教导是，电池中更多的(而不是更少的)电化活性物质应导致产生提高的使用寿命。而且，无论低耗电或高耗电且无论功率需求，在所有的测试中都观察到了提高的使用寿命。
这些观察到的益处的一个被提议的理论可能是因为在现有螺旋缠绕电极的外缠绕层上的锂(其中锂被提供在最外围)只从一侧消耗或排放，从而留下未反应的锂，而本设计更有效是因为基本上所有的锂都可反应(除了锂延伸至冻辊的最外围以让阳极极耳沿此最外围粘附的情况)。
实施本发明的人和本领域的技术人员将理解，可对本发明作出各 种修改和改进，而不违背所揭露的想法的精髓。所提供的保护的范围由权利要求以及法律所允许的解释的广度来决定。

Claims (41)

1.一种原电化电池，其包括：
含有非嵌入的锂的负电极；
具有被涂布在衬底上的含二硫化铁的电化活性物质的正电极，所述衬底具有第一个和第二个表面和至少一个局部未涂布纵向部分，该局部未涂布纵向部分在所述第一个表面上由所述衬底的一个轴向边缘向相对的轴向边缘延伸，其中电化活性物质未涂布在该局部未涂布纵向部分上；
设置在正电极和负电极之间的隔离物；
圆柱形外罩；
其中所述隔离物、正电极和负电极被螺旋缠绕成具有非折叠核心的冻辊结构，使得所述局部未涂布的纵向部分沿着冻辊结构的纵轴被定向；
其中所述冻辊结构和非水有机电解质被设置在所述外罩中；
其中所有的局部未涂布纵向部分都被定向在所述冻辊结构的最外围上；且
其中所述负电极的一部分也被定向在所述冻辊结构的最外围上。
2.权利要求1的电化电池，其中所述局部未涂布纵向部分被设置在所述冻辊结构的外围上。
3.权利要求1的电化电池，其中所述局部未涂布纵向部分与所述外罩的侧壁电接触。
4.权利要求1的电化电池，其中所述衬底进一步含有未涂布的轴向边缘，其中所述第一个和第二个表面不具有任何涂布在该未涂布的轴向边缘上的电化活性物质，且其中所述未涂布的轴向边缘被设置在所述冻辊结构的顶端。
5.权利要求1的电化电池，其中所述负电极包含锂-铝合金。
6.权利要求1的电化电池，其中所述负电极由非嵌入的锂构成。
7.权利要求1的电化电池，其中所述负电极由非嵌入的锂-铝合金构成。
8.权利要求1的电化电池，其中所述局部未涂布纵向部分具有小于或等于D×H×π的表面积，其中D代表所述冻辊结构的直径，而H代表所述冻辊结构的轴向高度。
9.权利要求8的电化电池，其中D小于或等于14.5mm且H小于或等于50.5mm。
10.权利要求1的电化电池，其中相对锂，二硫化铁是化学计量过量的。
11.权利要求1的电化电池，其中所述正电极进一步包含第二个局部未涂布部分，其在第二个表面上由所述衬底的一个轴向边缘向相对的轴向边缘延伸，其中电化活性物质未涂布在该第二个局部未涂布部分上且其中所述第二个局部未涂布部分沿着所述冻辊结构的第二个纵轴被定向。
12.权利要求11的电化电池，其中所述第二个局部未涂布部分的第二个纵轴与所述局部未涂布纵向部分的纵轴不紧邻。
13.权利要求11的电化电池，其中所述第二个局部未涂布部分被设置在所述冻辊结构的最内部核心上。
14.权利要求11的电化电池，其中所述正电极进一步包含第三个局部未涂布部分，其在所述第一个表面上由所述衬底的一个轴向边缘向相对的轴向边缘延伸，其中电化活性物质未被涂布在该第三个局部未涂布部分上且其中所述第三个局部未涂布部分至少部分地被设置在相对所述第二个未涂布部分的所述衬底的相对侧面上。
15.权利要求1的电化电池，其进一步包含在所述冻辊结构的最外围上附着至负电极的导电极耳，所述导电极耳维持所述负电极和所述圆柱形外罩之间的电接触。
16.权利要求1的电化电池，其中所述冻辊结构的最外围完全由正电极形成。
17.权利要求1的电化电池，其中二硫化铁占所述正电极中的电化活性物质重量的至少95％，但不包括所述正电极中的粘合剂、导电材料和所述衬底产生的任何重量。
18.权利要求1的电化电池，其中二硫化铁占所述正电极中的电化活性物质重量的至少99％，但不包括所述正电极中的粘合剂、导电材料和所述衬底产生的任何重量。
19.一种具有1.5V的标称电压的电化电池，其包括：
含锂的负电极；
具有被涂布在箔载体上的电化活性物质的正电极，所述箔载体具有：(i)第一个和第二个表面，(ii)未涂布的长度方向部分，其沿着箔载体的整个长度延伸，其中所述第一个和第二个表面不具有任何涂布在该未涂布的长度方向部分上的电化活性物质，和(iii)至少一个未涂布部分，其在所述箔载体的第一个表面上延伸穿过所述箔载体的整个宽度，其中电化活性物质未涂布在该未涂布部分上；
设置在所述正电极和所述负电极之间的隔离物；
圆柱形外罩；
其中所述隔离物、正电极和负电极被螺旋缠绕成圆形冻辊结构；
其中所述冻辊结构和非水电解质被设置在所述外罩中；
其中所有的未涂布部分都被定向在所述冻辊结构的最外围上；且
其中负电极的一部分也被定向在所述冻辊结构的最外围上。
20.权利要求19的电化电池，其中所述未涂布的长度方向部分被设置在所述冻辊结构的顶端。
21.权利要求19的电化电池，其中所述未涂布部分具有小于或等于D×H×π的表面积，其中D代表所述冻辊结构的直径，而H代表所述冻辊结构的轴向高度。
22.权利要求21的电化电池，其中D小于或等于14.5mm，且H小于或等于50.5mm。
23.权利要求19的电化电池，其中相对锂，电化活性物质是化学计量过量的。
24.权利要求19的电化电池，其进一步包含在所述冻辊结构的最外围上附着至负电极的导电极耳，所述导电极耳维持所述负电极和所述圆柱形外罩之间的电接触。
25.权利要求19的电化电池，其中所述冻辊结构的最外围完全由正电极构成。
26.权利要求19的电化电池，其中所述电化活性物质由至少95重量％的二硫化铁构成，但不包括由任何粘合剂、任何导电材料和所述箔载体产生的重量。
27.权利要求19的电化电池，其中所述正电极进一步含有第二个未涂布部分，其在所述箔载体的第二个表面上延伸穿过所述箔载体的宽度，其中电化活性物质未涂布在该第二个未涂布部分上。
28.权利要求27的电化电池，其中所述第二个未涂布部分不与在第一个侧面上的未涂布部分直接紧邻。
29.权利要求27的电化电池，其中所述第二个未涂布部分被设置在所述冻辊结构的最内部核心上。
30.权利要求27的电化电池，其中所述正电极进一步包括第三个未涂布部分，其在所述箔载体的第一个表面上延伸穿过所述箔载体的宽度，其中电化活性物质未涂布在该第三个未涂布部分上，且其中所述第三个未涂布部分不与在所述第一个表面上的未涂布部分重叠，但至少部分地直接紧邻所述第二个未涂布部分。
31.权利要求30的电化电池，其中所述正电极进一步包含第四个未涂布部分，其在所述箔载体的第二个表面上延伸穿过所述箔载体的宽度，其中电化活性物质未涂布在该第四个未涂布部分上，且其中所述第四个未涂布部分不与所述第二个未涂布部分重叠，但至少部分地直接紧邻在所述第一个表面上的未涂布部分。
32.一种电化电池，其包括：
圆柱形容器；
包含不多于1.0g的锂的负电极；
包含被涂布在导电箔上的二硫化铁的正电极，所述导电箔具有：(i)导电箔的两个界面表面的任何一个上的未涂布边缘，其中二硫化铁未被涂布在所述未涂布边缘上，和(ii)导电箔的至少一个界面表面上的至少一个未涂布纵向部分，其中二硫化铁未被涂布在所述未涂布纵向部分；
设置在所述正电极和负电极之间的隔离物；
其中所述隔离物、正电极和负电极被螺旋缠绕成冻辊结构；
其中所述冻辊结构和非水有机电解质被设置在所述容器中；
其中至少一个未涂布纵向部分从导电箔的未涂布边缘到相对边缘延伸穿过导电箔的宽度；
其中所述电化电池在以1.0V作为截止电压的2000mA的连续耗电测试上具有至少2400mAh的放电容量；
其中至少一个未涂布纵向部分全都被定向在所述冻辊结构的最外围上；且
其中所述负电极的一部分也被定向在所述冻辊结构的最外围上。
33.权利要求32的电化电池，其中所述正电极具有第一个和第二个未涂布纵向部分，且其中所述第二个未涂布部分被设置在相对于所述第一个涂布纵向部分的相对界面表面上。
34.权利要求33的电化电池，其中所述第一个未涂布部分被定位成与位于所述导电箔的相对界面表面上的第二个未涂布部分至少部分地重叠。
35.权利要求33的电化电池，其中所述第一个未涂布部分被定位成不与位于所述导电箔的相对界面表面上的第二个未涂布部分重叠。
36.权利要求32的电化电池，其中所述正电极具有第一个和第二个未涂布纵向部分，它们之间插有涂布部分，且其中所述第一个和第二个未涂布部分被设置在共同的界面表面上。
37.权利要求36的电化电池，其中所述正电极具有第三个未涂布部分，且其中所述第三个未涂布部分被设置在相对所述第一个和第二个未涂布纵向部分的相对界面表面上。
38.权利要求33的电化电池，其中所述正电极具有第三个未涂布部分，且其中所述第三个未涂布部分被设置在与所述第一个未涂布部分共同的界面表面上，但在它们之间插有涂布部分。
39.权利要求38的电化电池，其中所述正电极具有第四个未涂布部分，且其中所述第四个未涂布部分被设置在相对于所述第二个未涂布部分共同的界面表面上，但在它们之间插有第二个涂布部分。
40.一种制造具有冻辊电极组件的电化电池的方法，其包括：
提供由至少一种选自锂和锂合金的物质构成的负电极条带；
提供具有第一个和第二个界面侧面的衬底；
选择性地将包含黄铁矿和粘合剂材料的正电极混合物涂布在所述衬底上，以形成宽度方向未涂布边缘，所述衬底的宽度方向未涂布边缘在衬底的第一个或第二个界面侧面上没有正电极混合物；
提供两个隔离物条带；
将所述衬底定向使得宽度方向未涂布边缘被保持在缠绕心轴之内；
将负电极条带设置在两个隔离物条带之间并将所述负电极和所述两个隔离物条带定向成紧邻所述衬底但偏离于所述宽度方向未涂布边缘，从而形成缠绕核心；
将所述衬底、所述负电极条带和所述两个隔离物条带缠绕成冻辊电极组件，其中所述缠绕核心自身不折叠；和
将冻辊组件设置在容器中，向所述容器提供非水有机电解质并密封所述容器；
其中所有的未涂布部分都被定向在所述冻辊电极组件的最外围上；且
其中所述负电极的一部分也被定向在所述冻辊电极组件的最外围上。
41.权利要求40的方法，其中所述缠绕核心包含不多于一周的仅宽度方向未涂布边缘。
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