CN101641822A - 锂离子二次电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供了二次电池，其中阴极包括作为活性物质的LiFePO₄。在一些具体实施中，这些电池包含碳阳极。还提供了包含此类电池的助听器和用于此类电池的阴极。

Description

锂离子二次电池

技术领域

本发明涉及锂离子二次电池和用于此类电池的阴极。

发明背景

电池是通常使用的电能来源。电池包含一般称作阳极的负极和一般称作阴极的正极。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，阳极和与阴极发生电接触，使电子流过装置，发生各自的氧化和还原反应以提供电能。与阳极和阴极相接触的电解质包含流过位于电极之间的分隔体的离子以在放电期间保持电池整体的电荷平衡。

可充电电池，也称为二次电池，包含可通过充电而再生的活性物质。取决于它们的构造，当这些电池所产生的能量降低至最佳效率以下时，可将它们以许多方式中的任何一种进行再充电。基于电池的化学组成，可将可充电电池细分为两个主要类别。这两个类别，即碱性二次电池和锂二次电池，均包含很多种类的电池型式。

与二次电池形成对比的是，一次电化学电池旨在仅放电(例如放电至耗尽)一次，然后即废弃。一次电池不打算再充电。一次电池描述于例如David Linden的Handbook of Batteries(McGraw-Hill，第2版，1995)中。二次电化学电池可被再充电许多次，例如，超过五十次，超过一百次，或更多次。在一些情况下，二次电池可包括相对坚固的分隔体，例如具有许多层的那些和/或相对较厚的那些。二次电池也可被设计成能适应可能会在电池中发生的变化，诸如溶胀。二次电池描述在例如Falk&Salkind的“Alkaline Storage Batteries”(John Wiley&Sons，Inc.1969)；美国专利345,124；和法国专利164,681中，这些专利均据此引入以供参考。

标准助听器使用基于锌-空气化学作用的纽扣电池一次(不可充电)电池组。锌-空气化学作用由于可在小体积中产生高能量密度而被广泛采用。但遗憾的是，锌-空气电池具有趋于妨碍使用者满意度的一些限制。由于性能期限和储存寿命这两方面的原因，这些电池必须每月更换一至两次。锌-空气电池是与空气相通的，因此存在如下问题：电解质会变干并且碳化作用会积聚在阴极膜上，从而阻塞空气透进阳极中。纽扣电池趋于难以让老年人来频繁地更换，因为它们尺寸小，从而使得它们难以被看见和操纵。

发明概述

本发明人已开发出纽扣电池型锂离子二次电池，其中阴极包含LiFePO₄。因此，在一个方面，本发明的特征在于一种二次电池，所述电池包括纽扣形外壳，所述外壳容纳阳极、包括LiFePO₄的阴极、以及在阳极和阴极之间的分隔体。这些电池具有可用于助听器和其它应用的所期望的特性。

在一些具体实施中，将本文所述的锂离子二次电池用于助听器，从而可生产出低成本的助听器。在一些情况下，本文所述的电池为可快速充电的可充电电池。在所述电池需要置换之前，它们可提供超过100次的循环，通常数百次或数千次的循环。一些优选的电池具有大于约5mAh的容量，从而允许以恒定功率消耗每日服务超过12小时。

该LiFePO₄基可充电电池具有足够的容量，从而每充电一次可提供至少一天的服务时间，并且可提供1至3年的日常使用年限。这些电池还具有15分钟或更短时间，优选5分钟或更短时间的充电能力。此外，使用LiFePO₄阴极制造的优选的电池一般可表现出良好的安全性、快速充电能力(例如，5分钟或更短时间)、良好的功率密度、一致的性能、以及环境容受性。5分钟或更短时间的快速充电能力可最小化使用者的不方便之处(例如，在助听器的应用中，助听器在充电期间可能不能使用)。在装置内对电池进行充电的能力消除了经常取出和插入电池的必要。优选的电池还提供优异的循环寿命(＞1000次)和储存寿命(3年)。

在一些具体实施中，阴极和阳极呈折叠的电极组合件形式，或作为另外一种选择，呈带状卷绕的电极形式。纽扣形外壳可具有小于约0.5cm³的体积，例如0.25cm³或更小的体积。纽扣形外壳具有大于1的直径与高度的比率。

为了允许阴极和阳极适配在纽扣形外壳内，在折叠(对于折叠的电极组合件而言)之前，阴极和阳极优选地非常薄。在一些具体实施中，阴极在被折叠之前具有小于100微米的总厚度，并且阳极在被折叠之前具有小于75微米的总厚度。

在另一方面，本发明的特征在于一种助听器，所述助听器包括(a)助听器组件；和(b)与助听器组件电气连通的呈纽扣电池形式的二次电池，所述电池包含阳极、包括LiFePO₄的阴极、以及在阳极和阴极之间的分隔体。

在另一个方面，本发明的特征在于用于二次电池的阴极，该阴极包括基底，所述基底包括两个或更多个连接的弓形部分，使得当基底折叠时阴极将具有大致圆形的形状，其中基底在双面上均涂覆有包含锂的活性物质。在一些具体实施中，活性物质包含LiFePO₄。本发明的特征也在于折叠的电极组合件，所述组合件包括堆叠并折叠以形成大致圆形的折叠的电极组合件的阳极、阴极和分隔体；以及包括此类电极组合件的纽扣电池和助听器。

本发明的一个或多个实施方案的细节阐述于附图和以下说明中。通过该说明书和附图并通过所述权利要求书，本发明的其它特征和优点将显而易见。

附图概述

图1为在折叠层压体之前的用于折叠的电极组合件的层压体的图解视图。

发明详述

所述电池包含包括LiFePO₄作为其活性物质的阴极、碳阳极、分隔体和电解质。一些优选的电池呈纽扣电池的形式。所述电池为二次电池，即，它们为可充电的。

阴极也可包括粘合剂。阴极的厚度将取决于电池设计和所需的性能特征。

阳极一般为碳阳极。其它合适的阳极材料可包括基于合金的阳极(例如，与Al、Si或Sn合金的Li金属)、以及各种金属氧化物。

该电池也将包含分隔体和电解质，如电池领域所熟知的那样。在本文所述的电池中，电解质在充电和放电期间一般不消耗。因此，电解质的量由电极中可用的孔隙体积确定。

该电池使用带有间隔开的阴极和阳极的折叠电极设计以增大表面积，如图1所示。在此情况下，阴极9层压到阳极11上，其中分隔体(未示出)喷涂在阳极和阴极上或层压在它们之间。如图1所示，将电极切割以便当层压体折叠起来时所得的折叠的电极组合件具有所期望的形状，所述形状用于包括在特定类型的电池(在图1的情形中为纽扣电池)中。因此，如图1所示，每个电极均可包括多个弓形部分10，所述部分通过纤维网12连接。因此，当弓形部分折叠在彼此上时，所得折叠电极为大致圆形的并且可适配到纽扣形外壳中。

每个电极(阴极和阳极)均可通过如下方式制造：提供基底并且将基底的双面涂覆上适当的材料，例如对于阳极可涂覆碳，并且对于阴极可涂覆粘合剂、导电性碳和活性物质的混合物。优选地，对于阴极，每个侧面上的涂层均为约30微米至45微米厚，以便总阴极厚度在折叠之前为约70微米至90微米。对于阳极，优选的是每个侧面上的涂层均为约15微米至20微米厚，以便总阳极厚度在折叠之前为约45微米至55微米。用于阴极的基底可为例如铝箔，并且可具有约8微米至约35微米的厚度。用于阳极的基底可为例如铝箔，并且可具有约4微米至约35微米的厚度。

在折叠它们以按圆柱形体积堆叠之前，可将电极(阴极和阳极)单独地冲孔成所需的形状并且层压或装配在一起。堆叠的电极组合件的最顶部部件和最底部部件具有相反的极性，并且在它们的外表面上具有无料区以用于电气连接和适当的电池平衡。无料区可使用任何所需的技术来形成，例如通过间歇涂覆基底、通过掩模、或通过从所需用于无料区的位置中移除涂层的部分来形成。可将分隔体喷涂到电极中的任一个或其两者上以便于装配，或其可为层压在阴极和阳极之间的独立组件。

可利用类似的方法来以高表面积电极包括常规化学物质。LiCoO₂/C化学物质可以相同的体积给出两倍的容量，但充电速率会受到限制并且需要使用用于充电控制的电子器件。

作为另外一种选择，可使用带型卷绕电池来替代堆叠的折叠电极设计。在一些情况下，由于容限的缘故，可能难以在高度小于3mm的电池中利用此设计。然而，带状电池的一个优点是，可使用高速卷绕而不要求电极组合件具有特别的形状。带状电池不同于其它卷绕电池之处在于它们的纵横比较低，通常小于约2.3，并且在一些具体实施中小于1.0，例如0.4至0.8。纵横比被定义为电池的高度与卷绕电池的直径的比率。带状电池由于它们的高度非常小而具有低纵横比。带状电池可提供良好的热耗散，因为电极的大表面积可紧靠罐表面。

实施例

LiFePO₄化学物质通过将其用于三种纽扣电池封套(源自Duracell锌-空气电池产品系列的#312、#13和#675)进行了评测。首先在AA型和AAA型圆柱形电池中测量了LiFePO₄/C基化学物质的阴极容量、充电速率和循环寿命，结果如下表1所示。

表1：LiFePO ₄ /C基化学物质的阴极性能

电池类型及设计	阴极厚度(cm)	表现出的阴极容量mAh/cm2	表现出的充电速率(5min)	在AA/AAA型式中表现出的循环寿命
					AA卷绕	0.0180	1.35	5min充电至＞90％充电	＞100次
AAA卷绕	0.0090	0.59	10sec充电至10％充电	＞2000次

基于这些数据，预计了该化学物质在各种尺寸的纽扣电池中的性能，如下表2所示。

表2：纽扣电池尺度和预计的LiFePO ₄ /C化学物质的性能

估算助听器装置中的服务小时数：

LiFePO₄/C可充电电池的服务小时数是基于恒定功率消耗降至2.5V的假设来估算的。所估算出的各种电池类型的服务小时数和充电时间显示于下表3中。

表3：服务小时数和充电时间

表3中的估算值清楚地表明，所有三种型式的可充电电池均可以恒定功率满足每天12小时的放电时间的需要。此外，这些可充电电池可使用数百至数千次，并且循环之间的充电时间非常短。

现在已描述了本发明的一些实施方案。但是应当理解，在不背离本发明精神和范围的条件下可以进行各种修改。

例如，尽管上文已结合助听器的应用描述了本文所公开的电池，但这些电池还可用于许多其它的应用，例如但不限于：用于监测温度、压力和其它参数的低能装置、安全装置、锁、发射器、遥控器、以及LED机械曲柄手电筒。

本文所述的电池可包括LiFePO₄阴极和钛酸锂阳极，并且可呈低电压纽扣电池的形式，它们可与大多数目前的助听器所用的电压相容。

因此，其它实施方案也在以下权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种二次锂电池，所述电池包括：

纽扣形外壳，所述外壳容纳：

阳极；

包括LiFePO₄的阴极；以及

在所述阳极和所述阴极之间的分隔体。

2.如权利要求1所述的电池，其中所述电池为助听器电池。

3.如权利要求1所述的电池，其中所述阳极包含碳。

4.如权利要求1所述的电池，其中所述电池具有大于约5mAh的容量。

5.如权利要求1所述的电池，其中所述电池具有五分钟或更短时间的充电能力。

6.如权利要求1所述的电池，其中所述阴极和阳极呈折叠的电极组合件形式或呈带状卷绕的电极形式。

7.如权利要求1所述的电池，其中所述纽扣形外壳具有小于约0.5cm³的体积。

8.如权利要求1所述的电池，其中所述纽扣形外壳具有的直径与高度的比率大于1。

9.如权利要求6所述的电池，其中所述阴极在折叠之前具有小于100微米的总厚度。

10.一种用于二次电池的阴极，所述阴极包括

基底，所述基底包括两个或更多个连接的弓形部分，使得当所述基底被折叠时所述阴极将具有大致圆形的形状；

其中所述基底在双面上均涂覆有包含锂的活性物质。

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