CN101803069A - 改善内部接触的电化学电池 - Google Patents

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Abstract

电化学电池组电池，该电池具有条样电极，并在电极之一的导线与电池容器侧壁之间具有压力接触。具有螺旋状缠绕的电极组件的电化学电池，该电极组件具有内部导线，该内部导线与不含分开的集电器的锂箔负电极直接压力接触，并与电池容器内部部分接触，其中在导线与锂箔之间的特定接触在容器与箔之间提供电流。

Description

改善内部接触的电化学电池
发明领域
本发明涉及电化学电池组电池，该电池具有条样电极，并在电极之一的导线与电池容器侧壁之间具有压力接触。在又一个实施方案中，本发明涉及具有螺旋状缠绕的电极组件的电化学电池，该电极组件具有内部导线，该内部导线与不含分开的集电器的锂箔负电极直接压力接触，并与电池容器内部部分接触，其中在导线与锂箔之间的特定接触在容器与箔之间提供电流。
发明背景
有靠近的正电极条和负电极条的电池可用于提供良好的高速率放电性能。含这样的条的电极组件可以包括一对或多对扁平的、折叠的或螺旋状缠绕的正电极和负电极。电池可以具有外壳，该外壳包括由导电材料制成的容器，该导电材料与一个电极电接触。在这样的电池中，电池容器可以用作或提供对外部接触末端的电接触。
导电的导线可用于制备电极与另一电池元件例如容器或密闭容器的一部分的盖之间的电接触。导线可以为各种形式和形状例如线、条和弹簧，且导线可以按各种方法，包括通过固定(例如焊接)和通过压力，连接至容器或盖。
美国专利申请公布号2004/0185332、2005/0238956和2006/0147792涉及具有使导线连接至负电极的各种构型的电化学电池。
在以下专利中发现了其中电极导线焊接至电极集电器的暴露边缘或表面的电池实例：美国专利第4,554,227号，该美国专利通过引用结合到本文中，和未审查的日本专利公布号05-121064和09-035739。在这些专利的每一个中，导线通过焊接电连接至外部末端。在美国专利4,554,227中，使导线弯曲，以改善焊接至电极集电器暴露顶端边缘的强度。
在美国专利第3,245,837和5,021,306号中发现了其中在导线与电极集电器暴露部分之间、在电极组件的芯处使用压力接触的电池实例，这些美国专利通过引用结合到本文中。在美国专利3,245,837中，导线是固定至盖板和外部末端的导电条。在美国专利5,021,306中，导线是金属夹板，而在容器的开放末端上焊接至帽的弹簧片与夹板产生压力接触。
在美国专利公布号U.S.2002/0094478A1中发现了导线是从许多电极伸出的集电器的裸露部分的电池实例，该美国专利通过引用结合到本文中。将许多导线弯曲并焊接在一起，然后固定至电池盖。在导线中弯曲提供良好的焊接强度。
在未审查的日本专利公布号09-330697中发现了导线从电极组件底部延伸并焊接至容器底部的电池实例。在焊接至容器的导线的一部分中形成V形槽，以提供良好的焊接强度。
在美国专利第5,418,084和4,963,446号以及本文图1和图2中可发现，导线在一个电极与电池容器之间和在其它电极与密闭容器的盖之间提供电接触的电池实例，这些美国专利通过引用结合到本文中。电池是有螺旋状缠绕的电极组件的圆柱形电池。如在下面参考图1和图2所进一步详述的，在各电池中，弹簧在正电极与电池盖之间提供电接触，而金属条导线在负电极与容器侧壁之间提供电接触。弹簧固定至电池盖，并与在电极组件顶部暴露的正电极集电器产生压力接触。金属条导线固定至负电极并与容器侧壁内表面产生压力接触。在制备中变异性的正常范围下，在导线与容器之间需要可靠的压力接触。
在电池例如图1和图2的电池中，当按照先有技术制备时，通过容器内电极组件的紧密配合而使容器侧壁和电极组件之间的导线保持压力接触。为了可靠的电接触，容器内径和电极组件外径的变异性必须小。一种方法是改变围绕电极组件外侧表面包裹的材料的条长度，以补偿可以导致直径差异的电极厚度变化。如美国专利第4,963,445号所公开的，该材料的外部条可以是一个或多个隔离器条或分开的外包装材料条，该专利通过引用结合到本文中。
将金属锂和锂合金用作各种电池构造中的阴极活性材料，并在电池放电期间经反应消耗锂。为了维持负电极在各处放电的导电性，已经提出各种解决方案，包括利用阳极至阴极的较高的界面理论输入容量比(input capacity ratio)(A/C)，即锂的失衡，理论容量；和利用集电器。已经利用许多不同类型和式样的集电器，见例如美国专利第5,368,958号，它公开了锂片的夹层构造、导电箔和第二锂片，导电箔放置在第一锂片与第二锂片之间。重要的是，因为在放电期间消耗锂阳极，所以具有锂的失衡意指假如在电极中有任何不同，则阳极可能遭受断开。这些断开防止电子跨过阳极输送至合适的集电器，因此理由是许多先有技术解决方案需要集电器跨越阳极的长度和/或宽度。
已经公开了用于锂或锂合金负电极的集电器或导线相对于可以折叠或卷成冻胶辊(jellyroll)形式的条样负电极纵向或横向延伸，例如美国专利申请公布号2005/0238956和美国专利申请公布号2006/0172190公开了负电极导线横向延伸，即轴向地横跨螺旋状缠绕的负电极的一部分约90％的电极宽度或轴向高度，并靠近缠绕的电极组件的外周放置，这两个专利均通过引用整体结合到本文中。
发明概述
本发明的目的是在电极导线与电池容器侧壁之间提供可靠的压力接触。本发明的另外优点可以包括但不限于改善接触可靠性、增加在制备中变异的耐受性、减少电池元件的数目、改善制备的容易性、减少制备的废弃物和降低产品的成本。
本发明的另一个目的是提供包括由锂或锂合金组成的负电极的电化学电池，其意外地可以提供有使电极电连接至电池容器导电元件的导线，其中已经不需要基本上纵向或横向的集电接触。
本发明的再一个目的是提供具有锂负电极和导线的电化学电池，该锂负电极不含分开的集电器，该导线具有相对短的长度直接连接至锂电极和电池容器的一部分，因此提供增加内部面积、优选可利用活性材料的电池。
还另一个目的是提供负电极导线，该导线与锂箔电极具有相对小的接触面积，该导线例如通过减少与电极宽度接触的导线长度或距离来实施，基本上没有影响电池服务。
还另一个目的是提供连接至原电池的锂箔电极的负电极导线，该原电池具有以下设计：防止锂在放电期间与导线分离，这可以防止锂的消耗和减少电池的使用寿命。
本发明的又另一个目的是提供包括电极组件的电化学电池，其界面的理论阳极对阴极输入容量比小于1.0(A/C＜1)，且其中负电极导线具有相对小的面积与负电极接触，所述负电极由锂或锂合金组成，并且不含分开的集电器。
本发明的还另一个目的是提供阳极不足的和界面的理论阳极对阴极输入容量比小于1.0的电化学电池，其中基本上所有的界面定向的负电极活性材料被消耗而基本上没有损失性能，甚至当利用负电极导线时，该负电极导线具有相对小的面积与不含集电器的负电极接触。
本发明的另一方面涉及电化学电池，该电化学电池包含基本上圆柱形的导电性容器、正电极、负电极、隔离器、非水有机电解质、内部导线，该容器具有闭合末端、通过末端组件密封的开放末端和在闭合末端和开放末端之间延伸的侧壁，该正电极包含二硫化铁，该负电极基本上由锂或具有至少90％重量锂的锂合金组成并具有累积表面积，该内部导线位于容器内并与负电极电接触，其中导线的表面积连接至小于0.7％的负电极累积表面积，且其中正电极、负电极和隔离器缠绕成冻胶辊电极组件，以便内部导线与容器或末端组件形成电接触，且其中电池的理论界面阳极对阴极输入容量比小于1.0。
本发明的又一方面涉及电化学电池，该电化学电池包含基本上圆柱形的导电性容器、螺旋状缠绕的电极组件和内部导线，该容器具有闭合末端、通过末端组件密封的开放末端和在闭合末端和开放末端之间延伸的侧壁，该螺旋状缠绕的电极组件置于容器内，并包括负电极、正电极、有机非水电解质和置于负电极与正电极之间的聚合物隔离器，其中负电极基本上由具有一定长度和宽度的一个或多个锂或锂合金层组成，且其中负电极不含分开的集电器，该内部导线位于容器内，并使负电极电连接至容器，其中导线的一个末端部分直接连接至一个或多个锂或锂合金层，且其中导线延伸一段距离，该距离自负电极的一个宽度末端开始测量，为在连接位置平行于电池纵轴测量的锂或锂合金层宽度的10％至小于88％。
本发明的还再一方面涉及电化学电池，该电化学电池包含基本上圆柱形的导电性容器、置于容器内的螺旋状缠绕的电极组件、内部导线，该容器具有闭合末端、末端组件密封的开放末端和在闭合末端与开放末端之间延伸的侧壁，所述螺旋状缠绕的电极组件具有负电极条、正电极条、有机非水电解质和置于负电极条与正电极条之间的隔离器，该负电极条基本上由锂或锂合金组成，具有形成累积表面积的长度和宽度，该内部导线位于容器内，并将负电极电连接至容器，其中导线的一个末端部分连接至锂或锂合金，其中在容器侧壁与负电极或正电极之间没有直接的电接触，其中导线沿负电极的底部部分连接，且在电极组件的外面延伸，与容器的侧壁或底壁形成压力接触，和其中导线的表面积连接至小于0.7％的负电极累积表面积，且延伸一段距离，该距离从负电极的一个宽度末端开始测量，为平行于电池纵轴测量的负电极宽度的10％至小于88％。
通过参考以下说明书、权利要求书和附图，本领域的技术人员将进一步理解和认识到本发明的这些和其它特征、优点和目的。
附图简述
通过阅读本发明的详述以及附图，将更好地理解本发明，且其它特征和优点将变得显而易见，其中：
图1是电化学电池组电池的纵向横切面图，导线置于容器壁侧面与容器外表面之间，以便在容器与电池电极之间形成电接触；
图2是图1电池的一部分的放大视图，显示接触容器的电极导线的位置；
图3A是有单个V形槽的电极导线的末端部分的横切面图；
图3B是有单个弧形槽的电极导线的末端部分的横切面图；
图4A是有V形电极导线的电极组件的垂直于电极组件纵轴的横切面图；
图4B是有弧形电极导线的电极组件的垂直于电极组件纵轴的横切面图；
图5A是在电极组件已经插入罐之后，图4A电极组件和导线的横切面图；
图5B是在电极组件已经插入罐之后，图4B电极组件和导线的横切面图；
图6A是电极组件、扁平电极导线和罐的横切面图，显示它们在用于测定导线对罐的弹簧力的模型中的起始位置；
图6B是电极组件、V形电极导线和罐的横切面图，显示它们在用于测定导线对罐的弹簧力的模型中的起始位置；
图6C是电极组件、弧形电极导线和罐的横切面图，显示它们在用于测定导线对罐的弹簧力的模型中的起始位置；
图7是通过计算机模型产生的图，以0.051mm厚×4.75mm宽扁平电极导线的电极组件位移的函数显示弹簧力；
图8是通过计算机模型产生的图，以V形电极导线的电极组件位移的函数显示弹簧力，该V形电极导线具有90度腿角，由0.051mm厚×4.75mm宽金属条制成；
图9是通过计算机模型产生的图，以弧形电极导线电极组件位移的函数显示弹簧力，该弧形电极导线具有1.78mm弧半径，由0.051mm厚×4.75mm宽金属条制成；
图10是通过计算机模型产生的图，以弧形电极导线的电极组件位移的函数显示弹簧力，该弧形电极导线具有1.91mm弧半径，由0.051mm厚×4.75mm宽金属条制成；
图11是通过计算机模型产生的图，以弧形电极导线的电极组件位移的函数显示弹簧力，该弧形电极导线具有2.29mm弧半径，由0.051mm厚×4.75mm宽金属条制成；
图12是通过计算机模型产生的图，以0.051mm厚×3.175mm宽扁平电极导线的电极组件位移的函数显示弹簧力；
图13是通过计算机模型产生的图，以V形电极导线的电极组件位移的函数显示弹簧力，该V形电极导线具有90度腿角，由0.051mm宽厚×3.175mm宽金属条制成；
图14是通过计算机模型产生的图，以弧形电极导线的电极组件位移的函数显示弹簧力，该弧形电极导线具有1.40mm弧半径，由0.051mm厚×3.175mm宽金属条制成；
图15是负电极导线的一个实施方案的正视示意图，该负电极导线连接至锂箔电极的长度末端，并沿电极的宽度延伸相对短的距离，该图以未缠绕的构型局部显示；
图16是图15所示的实施方案的正视侧面图，其中不连接至锂箔电极的导线自由端已经围绕电极的底部宽度端折叠，并包括一个部分，该部分沿电极组件侧面向上延伸，并由此间隔且适合接触电池容器的内部部分；
图17是阳极和阴极以及界面的电极宽度″A″的示例；和
图18举例说明成形的负电极导线连接的一个实施方案，该成形的负电极导线连接至不含分开的集电器的负电极。
发明详述
参考图1和图2将更好地理解本发明。电池10是FR6型圆柱形Li/FeS2电池组电池。电池10的外壳包括呈罐12形式的容器，其具有闭合底部和由电池盖14和垫圈16密闭的开口顶部末端。罐12在顶部末端附近具有珠形物或减少的直径步幅以支撑垫圈16和盖14。垫圈16压缩在罐12和盖14之间，以将阳极或负电极18、阴极或正电极20和电解质密封在电池10内。阳极18、阴极20和隔离器26一起螺旋状缠绕成电极组件。阴极20具有金属集电器22，该集电器从电极组件的顶部末端延伸并通过接触弹簧24连接至盖14的内表面。阳极18通过金属导线(或垂片)36电连接至罐12的内表面(图2)。导线36固定至阳极18，从电极组件的底部延伸，横跨底部并向上沿电极组件的侧面折叠。导线36与罐12侧壁的内表面形成压力接触。在将电极组件缠绕之后，可通过制备过程中的工具在插入之前将其保持在一起，或可通过例如热封、粘合或缠绕将材料的外端(例如隔离器或聚合物膜外部包裹物38)固定在下面。
绝缘锥体46围绕电极组件顶部外周部分以防止阴极集电器22与罐12形成接触，通过隔离器26的向内折叠延伸和位于罐12底部的电绝缘底盘44防止阴极20的底部边缘与罐12的底部之间的接触。
电池10具有分开的正电极末端盖40，其通过罐12的向内卷曲的顶部边缘和垫圈16保持在适当的位置，并具有一个或多个排气孔(未显示)。罐12用作负电极接触末端。可将绝缘夹套例如粘胶标签48施加至罐12的侧壁。
在末端盖40的外围边缘和电池盖14之间放置的是正温度系数(PTC)装置42，该装置在滥用电的情况下基本上限制电流的流动。电池10也包括减压孔。电池盖14具有包含向内伸出的中心排放孔28的孔，在孔28的底部有排气孔30。该孔由排气球(vent ball)32和压缩在排放孔28的垂直壁和排气球32的外围之间的薄壁热塑性衬套34密封。当电池内压超过预定水平时，排气球32，或球32和衬套34两者被迫使离开该孔，以从电池10释放增压的气体。在其它实施方案中，该减压孔可为被防爆膜密闭的孔，如美国专利申请公布号2005/024470所公开的，该专利通过引用整体结合至本文中，或者为可以撕开或否则破裂的相对薄的区域例如精压的槽(coined groove)，以在电池的一部分例如密封板或容器壁中形成排气孔。
在本发明的电池的一个实施方案中，置于电极组件侧面与罐侧壁之间的电极导线的末端部分最初为非平面的。当用于本文时，最初非平面指在电极组件插入罐中之前为非平面的。在电极组件插入之前，形成导线的末端部分，以构建可提供与罐侧壁改善压力接触的非平面形状。非平面形状可以提供在导线末端部分中的弹簧样特征，导致通过导线的末端部分施加力，以使导线偏向罐侧壁，因此为电极组件的侧面和罐侧壁之间的给定间隙提供改善的压力接触，并增加最大可能的间隙，因为其可保持良好的电接触。可使用各种非平面形状，包括横断面具有一个或多个V、弧等及其组合的形状。图3A和3B分别显示了具有单个V形和弧形槽的导线的实例，其中在导线136、236的末端部分中，槽152、252具有底部154、254和边缘156、256。
在电池制备期间，成形的导线末端部分可以变形，例如，朝向电极组件的侧面，以促进其插入罐中，然后导线的末端部分可以向其最初的非平面形状部分地弹回，但仍然至少部分地压缩以施加力至罐侧壁的内表面，因此与罐形成良好的物理接触和电接触。图4A和4B为在导线136、236的末端部分已经弯曲到邻近电极组件150、250的外侧表面的位置中之后，电极组件150、250和导线136、236的末端部分(图3A和3B)的横截面形状。图5A和5B显示插入罐112、212中之后的电极组件150、250和导线136、236的末端部分。与其插入前的形状相比，导线136、236的末端部分被部分地压缩，以便它们对罐112、212的内表面施加弹力，即使在电极组件150、250的侧面与罐112、212的侧壁之间存在间隙158、258。
在导线末端部分中形成的形状可按任何方式定向，该方式将允许电极组件插入罐中而不会将电极组件、导线或罐损伤至不期望地影响电池的电或放电特征的点。使导线末端部分的形状取向，以便使槽取向为平行于电极组件的纵轴，可促进在插入罐中之前的导线的变形和插入之后的导线的回弹，而不引起有害的损坏。另外，通过使导线取向，来使导线末端部分的边缘不向内指向电极组件，可减少损坏电极组件的危险。例如，可使具有单个槽的导线取向成使槽的底部向内朝向电极组件，槽的边缘向外指向罐侧壁。
对于具有单个V形槽的导线，和具有单个跨越导线整个宽度延伸的弧形凹槽的导线，可分别使用方程1和方程2，计算在罐与导线之间可以容纳而没有接触损失的电极组件外径与罐内径之间的最大间隙或差值(假定如果不受电极组件和罐约束，则变形的导线末端将能够完全弹回至其原始形状)。
方程1：
( W 2 ) · sin ( 180 - θ 2 ) + ( ID - ID 2 - ( W 2 / 2 ) · ( 1 - cos ) 2 ) + t ,
其中：
W＝制备导线的扁平条的宽度，t＝导线条的厚度，θ＝V腿角(见图3A)，ID＝罐的内径，且0°≤θ≤180°。该计算假定没有V腿满足的半径；如果有该半径，那么最大间隙将小于计算值。
方程2：
2 R · ( 1 - cos ( W / ( 2 R ) ) ) + ID - ID 2 - ( 2 R sin ( W / ( 2 R ) ) ) 2 2 + t ,
其中：
W＝制备导线的扁平条的宽度，t＝导线条的厚度，R＝弧的半径，ID＝罐的内径，且(W/R)≤π。
考虑到例如导线材料的性质和尺寸以及电极组件和罐的尺寸，计算机模拟可以用于开发导线末端的形状和形成导线的工具，这将确保导线与罐侧壁之间的物理接触，并防止在形成期间对导线的损坏。计算机模拟也可以用于设计以下的工具：该工具使导线末端部分形成期望的形状，以避免对导线的损坏(例如在金属中的撕破、洞、起皱和导线表面板的磨损)。可用于计算机模拟的市售软件的实例包括ABAQUS(得自Hibbit，Karlsson & Sorensen，Inc.，Pawtucket，RI，USA)和MARCK 7.3(得自MSC.Software，Los Angeles，CA，USA)。
在许多方式中的任一种中，在导线末端部分中形成的形状可以是有优势的。例如，与在电极组件插入罐中之前具有平面末端部分的导线相比，成形的末端部分可提供更好的弹性特征，容许电极组件的侧面和罐的侧面之间的更大的直径差值，并允许导线材料类型和尺寸的更大的选择自由。这样的优点可引起改善的电池特征，更易于电池制备和/或降低电池制备成本。
电池容器通常为具有闭合底部的金属罐例如图1中的罐。罐材料将部分取决于电池中使用的活性材料和电解质。通常的材料类型为钢。例如，罐可由钢制成，至少在外面镀上镍以防止罐外侧被腐蚀。可改变电镀类型，以提供不同程度的耐腐蚀性或提供期望的外观。钢的类型将部分取决于形成容器的方式。对于浅冲罐(drawn cans)，钢可以为扩散退火的、低碳的、脱氧铝(aluminum killed)、SAE 1006或等同钢，粒度为ASTM 9-11，并与轻微伸长的粒形等轴。可使用其它钢，例如不锈钢，以满足特定需要。例如，当罐与阴极电接触时，可使用不锈钢来改善对阴极和电解质引起的腐蚀的抗性。
电池盖可以是金属。可使用镀镍的钢，但通常期望不锈钢，尤其是当盖与阴极电接触时。盖形状的复杂性也是材料选择中的因素。电池盖可具有简单的形状，例如厚的、扁平圆盘，或它可具有更复杂的形状，例如图1中显示的盖。当盖具有图1中那样的复杂形状时，可使用粒度为ASTM 8-9的304型软退火不锈钢，以提供期望的耐腐蚀性并易于金属成形。也可用例如镍电镀成形的盖。
末端盖应具有对周围环境中的水腐蚀的良好抗性、良好导电性和当在消费者的电池上看得见时，吸引人的外观。末端盖通常由在形成盖之后镀镍的镀镍冷轧钢或钢制备。其中末端位于减压孔上时，末端盖通常具有一个或多个孔以促进电池排气。
垫圈由提供期望密封性质的任何合适的热塑性材料制备。材料的选择部分地基于电解质组合物。合适的材料的实例包括聚丙烯、聚苯硫醚、四氟化物-全氟烷基乙烯醚共聚物、聚对苯二甲酸1，4-丁二醇酯及其组合。优选的垫圈材料包括聚丙烯(例如得自Basell Polyolefins，Wilmington，DE，USA的PRO-FAX6524)、聚对苯二甲酸1，4-丁二醇酯(例如得自Ticona-U.S.，Summit，NJ，USA的CELANEX
Figure GPA00001068563500122
PBT，1600A等级)和聚苯硫醚(例如得自Boedeker Plastics，Inc.，Shiner，TX，USA的TECHTRONPPS)。也可以将增强无机填充剂和/或有机化合物的少量其它聚合物添加至垫圈的基础树脂中。
可用密封剂涂布垫圈以提供最好的密封。乙烯丙烯二烯三元共聚物(EPDM)是合适的密封剂材料，但可使用其它合适的材料。
排气衬套由在高温下(例如75℃)耐冷流的热塑性材料制备。该热塑性材料包含基础树脂例如乙烯-四氟乙烯、聚对苯二甲酸1，4-丁二醇酯、聚苯硫醚、聚邻苯二甲酰胺、乙烯-氯三氟乙烯、氯三氟乙烯、全氟烷氧基烷、氟化全氟乙烯聚丙烯和聚醚酮(polyetherether ketone)。优选乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、聚苯硫醚(PPS)、聚对苯二甲酸1，4-丁二醇酯(PBT)和聚邻苯二甲酰胺。可通过添加热稳定填充剂来使树脂改性，以提供在高温下具有期望密封和排气特性的排气衬套。衬套可由热塑性材料注塑。TEFZEL
Figure GPA00001068563500124
HT2004(具有25％重量碎玻璃填充剂的ETFE(树脂)是优选的热塑性材料。
排气球可由任何合适的材料制备，该材料与电池内容物接触时稳定，并提供期望的电池密封和排气特性。可使用玻璃或金属，例如不锈钢。
阳极包含锂金属条，有时称为锂箔。虽然对于电池级别的锂，纯度总是高的，但锂的组成可以改变。可将锂与其它金属例如铝制成合金，以提供期望的电池电性能。含有0.5％重量铝的电池级的锂-铝箔可得自Chemetall Foote Corp.，Kings Mountain，NC，USA。
阳极可在金属锂的内部或表面上具有集电器。如在图1的电池中，可不需要分开的集电器，因为锂具有高导电性，但例如可包括集电器，以在放电期间当锂被消耗时保持阳极内电连续性。当阳极包括集电器时，由于其导电性，该集电器可由铜制备，但可使用其它导电金属，只要它们在电池内稳定。
在优选的实施方案中，阳极或负电极不含分开的集电器，由于锂或含锂合金的相对高的导电性，一个或多个锂金属或含锂合金条或箔仅用作集电器。通过不使用集电器，在容器内有更多空间可用于其它元件，例如活性材料。提供没有阳极集电器的电池也可降低电池成本。优选，单个锂或含锂合金层或条用作负电极。
电导线可由连接阳极或负电极至电池末端(在图1显示FR6电池的情况中的罐)之一的薄金属条制备。这可通过将导线的末端埋入阳极的一部分内或通过将部分例如导线的末端简单地压到锂箔表面上来实现。锂或锂合金具有粘合性质，通常在导线和电极之间的至少轻微的、充分的压力或接触将使这些元件焊接在一起。在一个优选的实施方案中，负电极在缠绕成冻胶辊构型之前提供有导线。例如，在制备期间，在连接站的导线处提供包含至少一个由锂或锂合金组成的负电极的带，在该站将导线焊接到电极表面上期望的位置。如果需要，接着将片状电极加工，从而精压导线，以便使不连接至电极的导线的自由端成形。后来，将负电极与电极组件的其余期望的元件例如正电极和隔离器组合，缠绕成冻胶辊构型。优选在已经进行缠绕操作之后，在插入电池容器之前，通过弯成如图16所示的构型，将自由的负电极导线端进一步加工。
金属条通常由镍或镀镍的钢制备并直接附接至锂。其它合适的负电极导线材料的实例包括但不限于铜、铜合金，例如铜合金7025，包含约3％镍、约0.65％硅和约0.15％镁、余量为铜和少量杂质的铜镍合金；和铜合金110；和不锈钢。应选择导线材料，以便其组成在包括非水电解质的电化学电池内是稳定的。通常应避免但可作为杂质以相对少量存在的金属的实例为铝、铁和锌。
导电的负电极导线具有充分低的电阻，以允许电流充分传递通过导线，并对电池的使用寿命具有最小影响或没有影响。导线的电阻通常小于15mΩ/cm，优选小于4.5mΩ/cm。可用0.102mm(0.004英寸)厚、4.750mm(0.187英寸)宽的304不锈钢获得该宽范围。例如，0.056mm(0.0022英寸)厚和4.750mm(0.187英寸)宽(即0.051mm(0.002英寸)厚的冷轧钢和2层.0025mm(0.0001英寸)厚的镍)的镀镍的冷轧钢具有4.9mΩ/cm的电阻。通过使用比镀镍的冷轧钢更导电的导线材料，可减少导线尺寸例如厚度和宽度。然而，太薄或太窄的导线可增加导线/容器接触电阻，可使电池更倾向于电压不规则性。提供期望的负电极导线电阻值的合适的导线材料的实例包括但不限于厚度0.051mm(0.002英寸)和宽度4.750mm(0.187英寸)的提供1.8mΩ/cm的垂片电阻(tab resistance)的铜合金7025，厚度0.034mm(0.00133英寸)和宽度4.750mm(0.187英寸)的提供2.7mΩ/cm的垂片电阻的铜合金7025，厚度0.025mm(0.001英寸)和宽度4.750mm(0.187英寸)的提供3.6mΩ/cm的垂片电阻的铜合金7025，和厚度0.0338mm(0.00133英寸)和宽度3.175mm(0.125英寸)的提供4.0mΩ/cm的垂片电阻的铜合金7025。
如在上文的发明背景中指出，许多先有技术参考文献使用纵向或横向跨越负电极、基本上延伸整个距离的金属集电器和/或导线，或其组合，以在负电极与另一电池元件如容器或末端之间提供一部分的电通路。本发明的重要方面是发现由锂或锂合金组成的负电极充分导电，不需要任何主要的轴向或径向接触，即使当在电池内的化学反应期间锂或锂合金耗尽时(因此减少或消除跨过电极活性材料的潜在电子传导通道)。此外，还已经发现，甚至更意外地是在负电极的轴向或横向延伸的负电极导线的长度即使当与负电极接触的长度延伸小于或等于50％的负电极的轴向或横向距离时也是有效的。更意外地是，甚至当电池包含界面欠平衡的锂时，也可基本上消除导线与缺少分开的集电器的负电极的基本上轴向或径向接触。
值得注意的是，前述的锂欠平衡涉及界面的理论阳极对阴极输入容量比，本文也称为和是指界面的理论A/C比。电极即负电极或正电极的界面的理论输入容量为基于整个电池放电反应机制和包含于一部分活性材料混合物内的活性材料的总量，电极的界面排列的电化学活性材料对电池理论放电容量的总贡献，所述活性材料混合物临近相对电极内的活性材料，假定所有活性材料完全反应。输入容量通常用Ah或mAh表示。当电极的两个主要表面中只有一个临近相对电极中的活性材料时，仅电极那侧上的活性材料，或在本发明的正电极的情况中，因为在优选的实施方案中负电极不含集电器，是固体集电器片那侧上的材料，或没有固体集电器片的电极的一半厚度中的材料包括在界面的理论输入容量的测定中。
当在本发明内采用时，如下计算界面的理论阳极对阴极输入容量比：
每线性英寸的阳极容量/每线性英寸的阴极容量
可以基于在标准单位面积基础上提供的电化学材料的量，优选通过测量材料的总密度，并基于材料的理论容量计算容量，来计算各电极容量。也可以通过定量测定在电极标准面积中的关键元件类物质(例如阴极中FeS2的铁或阳极中的Li)的量，来测定容量，假定元件类物质是电化学活性材料的原因，然后按相似的方式计算。可以在美国专利第6,849,360号中发现计算界面的理论A/C比的另一实验方法，该专利通过引用结合到本文中。
如本文所示，在本发明的各种实施方案中，界面的理论阳极对阴极输入容量比一般小于1，期望小于0.99，且优选小于0.95。
如在本发明的各种实施方案中优选的那样，当在负电极中不使用集电器时，容器和含锂层之间通过导线的连接是重要的，尤其是在原电池中，因为在电池放电期间必须保持电连续性，即使当锂耗尽时。考虑到保持电连续性的问题，意外地发现当基于先有技术实施方案基本上保持或甚至超过电池寿命时，可减少导线与负电极的接触面积，该负电极由锂箔，即锂或含锂合金组成且不含分开的集电器。由于本发明的发现，已经消除了导线必需与负电极基本上纵向或横向接触的必要。当与镀镍的钢相比时，用于导线的材料也可保持或改善导电性。
已经发现负电极导线只需要连接至由锂或锂合金组成的负电极，以便使导线具有充分的面积在导线和负电极之间形成充分的焊接，以防止在进一步加工期间或当元件存在于组装电池中时导线和负电极之间分开。已发现导线在负电极上的连接位置不受限制，导线可连接在负电极的任何期望位置。因此，在例如冻胶辊电极的构型中，负电极导线可沿其长度的任何地方连接至负电极，通常从沿内部末端的位置到沿或接近缠绕电极组件的外周的位置。通常负电极导线可按相对于电极的长度和宽度的任何方式取向。在一个实施方案中，期望将负电极导线焊接至负电极的非界面部分，即不参与较高速率反应的负电极部分，例如电极的标记部分。
在一个实施方案中，负电极导线和负电极并且负电极不含分开的集电器之间的接触的特征在于接触面积。如本文定义的面积或接触面积是指与锂或锂合金负电极的表面接触的负电极导线的一个或多个二维区域的几何测量，即长度乘以宽度，其中不考虑第三维例如表面粗糙度。因此，负电极导线和负电极锂或锂合金之间的连接不局限于具有特定形状或设计的负电极导线。同样，导线在负电极表面上的位置不是关键的。此外，已发现负电极导线的接触面积与负电极的面积为基本上不相关的。即，由于锂或锂合金的导电性，具有相对大面积例如长度乘宽度的负电极，不必需要具有与电极接触的最小面积的负电极导线。在本发明的一个实施方案中，与负电极接触的负电极导线的面积通常为约5.0mm2-小于约160mm2，期望约8mm2-约111mm2和优选约10mm2-约92.6mm2。例如，具有4.75mm(0.187英寸)的宽度，92.6mm2的与负电极接触面积的负电极导线将只延伸约50％的冻胶辊电极组件的一个实施方案的锂负电极宽度，所述冻胶辊电极组件用于L91型电池。相比较，先有技术负电极导线宽度的各种实施方案是88％或更多，例如约96％的锂宽度，因此，分别具有163.9mm2或约177.6mm2的与负电极接触的负电极导线面积。
在还一个实施方案中，导线和负电极之间的接触的特征在于总表面积接触方面。如上所述计算导线接触的面积。对于电极的各表面，例如通过长度乘以宽度，几何计算负电极的面积。在条样负电极的情况，计算电极的每一侧的面积并加在一起，以确定电极的总累积表面积，且不考虑条的厚度。在FR6型圆柱形LiFeS2电化学电池的一个实施方案中，与其它组件元件一起缠绕成冻胶辊电极组件的负电极条在一侧具有约312.5mm的长度和38.99mm的宽度，这提供24,370mm2的总表面积，该总表面积是电极的两侧的，并排除电极条的厚度。因此，具有5.0mm2的与所述负电极条接触面积的负电极导线提供0.0205％的导线与负电极之间接触的总表面积，具有160mm2的与负电极接触面积的导线提供0.656％的导线与负电极之间接触的总表面积。
因此，在本发明的一个实施方案中，导线与负电极之间的总表面接触面积一般为负电极累积表面积的0.0205％-约0.70％或约0.60％；期望约0.0328％-约0.46％或约0.50％，且优选约0.0410％-约0.38％。
在一个实施方案中，导线36连接至锂箔负电极18的长度末端部分，例如图15所示。优选导线36附接至负电极18的外部长度末端部分，接近冻胶辊或螺旋状缠绕的电极组件的外端，虽然其它附接位置是可能的。导线附接至负电极18的外部长度末端是期望的，因为当与导线附接至负电极的其它位置相比时，这样的导线布置允许相对容易的制备。可将负电极导线放置到从电极长度的外部末端开始的任何距离，例如约2.2mm。当然，应理解，在其它实施方案中导线可连接至负电极的替代区域。
在例如图15举例说明的一个实施方案中，导线沿负电极的宽度延伸预定距离，即，为了本发明的目的，在电极组件已经插入其中之后，优选在缠绕成冻胶辊构型之后，在长方形或正方形电极的情况，宽度垂直于负电极长度，宽度一般基本上平行于圆柱形电池的纵轴或轴向。为了获得期望的导电性，导线通常延伸负电极宽度的约10％-小于88％，期望约10％-约60％或约80％，和优选约10％-50％的距离，所述负电极宽度沿导线与其连接的宽度部分测量。当导线相对于电极的宽度测量的接触距离为88％或更多时，发现该排列没有提供任何显著的益处，并可增加电池成本。当相对于电极宽度测量的导线接触距离小于约10％时，可能难以获得在负电极导线和负电极本身之间的充分焊接。然而，导线可以延伸小于负电极宽度10％的距离，只要在导线和负电极之间可保持充分的焊接或接触。
在如图18举例说明的还一个实施方案中，连接至负电极18的部分负电极导线36呈现″T″-形结构，有较宽部分的焊接导线朝向负电极下部边缘放置，以在导线的自由末端的另外形成期间辅助防止与负电极分开，例如弯曲自由末端和/或形成成形的导线，以促进负电极导线和容器之间的期望的接触，或者插入电池容器之后的另一接触。与负电极接触的其它负电极导线部分的实例包括可焊接至扁平导线杆(leadstock)的铲形导线末端和金属线细丝等。
为了接触容器的一部分，第二导线自由端从导线接触电极的部分延伸。在优选的实施方案中，导线连接至负电极，以便自由末端从箔负电极的下端延伸出去，例如图15所示，虽然可使用其它构型。在插入容器之前，和优选在负电极包括导线，正电极和隔离器如本文所述螺旋状缠绕成电极组件之后，可按期望处理自由的导线末端，即放置、弯曲、变形等中的一种或多种，因此，可使用本文描述的用于自由的导线末端的可靠压力接触结构中的任一种，以提供负电极导线与容器的一部分，优选侧壁之间的接触。
图16举例说明成形的导线36的一个实施方案，其中如所示约50％的导线被压力焊接至锂电极，从负电极底部宽度端延伸的导线自由端从与电极接触的部分开始，其本身向后折叠一定距离，延伸跨越并覆盖部分宽度末端边缘，并进一步沿电极侧面向上延伸。另外，将导线卷曲以形成平行于电极轴向延伸的弹簧样部分，以便末端的自由导线末端在插入电池容器之后形成与容器侧壁的期望压力接触。折叠的导线末端与电极焊接导线部分的一部分重叠。在优选的实施方案中，缠绕电极的外周包括一个或多个覆盖包裹物(cover wrap)和隔离器，该覆盖包裹物和隔离器可以用于防止任何暴露的锂在插入电极组件期间粘附至容器，因此防止负电极的可能撕裂。
阴极呈条的形式，该条包含集电器和包括一种或多种电化学活性材料，通常呈颗粒形式的混合物。二硫化铁(FeS2)是优选的活性材料。在Li/FeS2电池中，活性材料包含大于50％重量的FeS2。阴极也可以包含一种或多种另外的活性材料，取决于期望的电池电和放电特性。另外的活性阴极材料可以是任何合适的活性阴极材料。实例包括Bi2O3、C2F、CFx、(CF)n、CoS2、CuO、CuS、FeS、FeCuS2、MnO2、Pb2Bi2O5和S。更优选用于Li/FeS2电池阴极的活性材料包含至少95％重量的FeS2，还更优选至少99％重量的FeS2，且最优选FeS2是唯一的活性阴极材料。纯度水平为至少95％重量的FeS2可得自Washington Mills，NorthGrafton，MA，USA；Chemetall GmbH，Vienna，Austria；和KyaniteMining Corp.，Dillwyn，VA，USA。
除活性材料之外，阴极混合物包含其它材料。粘合剂一般用于使颗粒材料保持在一起，并将混合物粘附至集电器。可添加一种或多种导电材料例如金属、石墨和炭黑粉末，以给混合物提供改善的导电性。导电材料的使用量可以取决于因素例如活性材料和粘合剂的导电性、在集电器上的混合物的厚度和集电器设计。也可以使用少量的各种添加剂，以增强阴极制备和电池性能。以下是用于Li/FeS2电池阴极的活性材料混合物材料的实例。石墨：KS-6和TIMREX
Figure GPA00001068563500191
MX15等级的合成石墨，得自Timcal America，Westlake，OH，USA。炭黑：C55等级的乙炔黑，得自Chevron Phillips Company LP，Houston，TX，USA。粘合剂：乙烯/丙烯共聚物(PEPP)，由Polymont Plastics Corp.(以前的Polysar，Inc.)制备，可得自Harwick Standard Distribution Corp.，Akron，OH，USA；非离子水溶性聚环氧乙烷(PEO)：POLYOX
Figure GPA00001068563500201
得自DowChemical Company，Midland，MI，USA；和G1651等级的苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯(SEBS)嵌段共聚物，得自Kraton Polymers，Houston，TX。添加剂：FLUO HT
Figure GPA00001068563500202
微粉化聚四氟乙烯(PTFE)，由Micro PowdersInc.，Tarrytown，NY，USA制备(可购自Dar-Tech Inc.，Cleveland，OH，USA)，和AEROSIL
Figure GPA00001068563500203
200等级的热解法二氧化硅，得自DegussaCorporation Pigment Group，Ridgefield，NJ。
集电器可置于或包埋在阴极表面内，或可将阴极混合物涂布在薄金属条的一侧或两侧上。铝为常用的材料。集电器可延伸超出包含阴极混合物的阴极部分。集电器的该延伸部分可以提供与连接至正电极末端的电导线形成接触的方便区域。期望使集电器的延伸部分的体积保持至最小，以使其与可用于活性材料和电解质的电池内部体积一样大。
制备FeS2阴极的优选方法是将活性材料混合物材料在高度挥发性有机溶剂(例如三氯乙烯)中的浆状物，辊涂在铝箔片的两侧上，干燥涂层，以除去溶剂，压延涂布的箔，以压实涂层，将涂布的箔切成期望的宽度，并将裂缝阴极材料条切成期望的长度。期望使用小粒度的阴极材料，以将刺穿隔离器的危险最小化。例如，优选在使用之前，将FeS2通过230目(62μm)筛过筛。
使阴极电连接至电池的阳极末端。这可用如图1所示的通常呈薄金属条或弹簧形式的电导线完成。导线通常由镀镍的不锈钢制成。
隔离器是离子渗透性且不导电的薄微孔膜。能够在隔离器的孔内保持至少一些电解质。将隔离器置于阳极与阴极的邻近表面之间，以使电极彼此电绝缘。隔离器的部分也可同与电池末端电接触的其它元件绝缘，以防止内部短路。隔离器的边缘通常延伸超过至少一个电极的边缘，以确保阳极和阴极不形成电接触，即使它们没有完全彼此对齐。然而，期望将延伸超过电极的隔离器的量最小化。
为了提供良好的大功率放电性能，期望隔离器具有1994年3月1日颁布的美国专利第5,290,414号公开的特性(孔的最小尺寸为至少0.005μm，和最大尺寸不超过5μm对径，孔隙率为30％-70％，面积比电阻为2-15欧姆-cm2，和弯曲度小于2.5)，该专利通过引用结合到本文中。
合适的隔离器材料也应足够坚固，以经得起电池制备过程以及可在电池放电期间施加至隔离器上的压力而没有撕破、分裂、洞或发展可引起内部短路的其它间隙。为使电池中的总隔离器体积最小化，隔离器应尽可能薄，优选小于25μm厚，更优选不超过22μm厚，例如20μm或16μm。期望高拉伸应力，优选至少800，更优选至少1000千克力每平方厘米(kgf/cm2)。对于FR6型电池，优选的拉伸应力在纵向为至少1500kgf/cm2，在横向为至少1200kgf/cm2，对于FR03型电池，在纵向和横向上优选的拉伸强度分别为1300和1000kgf/cm2。优选平均介质击穿电压为至少2000伏特，更优选至少2200伏特，和最优选至少2400伏特。优选的最大有效孔径大小为0.08μm至0.40μm，更优选不大于0.20μm。优选BET比表面积不大于40m2/g，更优选至少15m2/g和最优选至少25m2/g。优选面积比电阻不大于4.3欧姆-cm2，更优选不大于4.0欧姆-cm2，和最优选不大于3.5欧姆-cm2。2003年11月21日提交的美国专利申请第10/719,425号更详细地描述了这些性质，该专利通过引用结合到本文中。
用于锂电池中的隔离器膜通常由聚丙烯、聚乙烯或超高分子量聚乙烯，优选聚乙烯制备。隔离器可以是单层的双轴向微孔膜，或可以将两层或多层层压在一起，以提供在正交方向上期望的拉伸强度。优选单层，以使成本最低。合适的单层双轴向聚乙烯微孔隔离器可得自Tonen Chemical Corp.，可得自EXXON Mobile Chemical Co.，Macedonia，NY，USA。Setela F20DHI等级的隔离器具有20μm的标称厚度，Setela 16MMS等级具有16μm的标称厚度。
在电极组件中将阳极、阴极和隔离器条组合在一起。电极组件可为例如图1所示的螺旋状缠绕的设计，由阴极、隔离器、阳极和隔离器围绕心轴交互缠绕的条制备，当完成缠绕时，从电极组件拔出该心轴。一般围绕电极组件的外面包裹至少一层的隔离器和/或至少一层的电绝缘膜(例如聚丙烯)。这用于许多目的：它帮助将组件保持在一起，并可用于将组件的宽度或直径调节至期望的尺寸。可用一片胶带或通过热封压紧隔离器的最外末端或其它外部膜层。阳极可为最外面的电极，如图1所示，或阴极可为最外面的电极。每一电极都可与电池容器电接触，但当最外面的电极是打算与罐电接触的相同电极时，可避免最外面的电极和容器的侧壁之间的内部短路。
在本发明的一个或多个实施方案中，用具有电化学活性材料的正电极形成电极组件，该电化学活性材料选择性沉积其上，用于改善服务和更有效地利用负电极的电化学活性材料。以下专利描述了电化学活性材料在正电极上和进一步在包括正电极容器的电化学电池上，选择性沉积构型的非限制性实例：2006年7月26日提交的美国专利申请序号10/493,314，和2006年10月17日提交的是先前序号的部分继续申请的美国专利申请序号11/581,992，这两个专利均通过引用结合到本文中。
在一个实施方案中，原电化学电池包含非插入的负锂电极和二硫化铁正电极，与置于两个电极之间的隔离器一起缠绕成冻胶辊构型。将冻胶辊以及非水有机电解质一起置于圆柱形外壳中。值得注意的是，将二硫化铁涂布在基底上，但要按以下的方式：在载体的一侧留下部分未涂布的部分，该载体从基底的一个轴边缘向其对面的轴边缘延伸。当形成冻胶辊时，未涂布的部分沿着冻胶辊/电池容器的高度沿纵轴延伸。优选在基底的对侧，可提供第二个部分未涂布的部分，以便形成第二纵轴。这些纵轴可重叠(即彼此直接接近，但在基底的对侧)或彼此偏离。然后可以使未涂布的部分在冻胶辊的外周和/或最里面的芯上对齐，消除接近未涂布的部分放置锂的需要，减少锂的需要量，且一般考虑到在构造电池中的成本节约。
在还一个实施方案中，电极组件包含锂负电极和有电化学活性材料涂布在箔载体上的正电极。又一次，电极与隔离器螺旋状缠绕成冻胶辊，并与非水电解质一起置于圆柱形容器中。在该情况下，导电载体具有从箔的一端延续到另一端的纵断面，在冻胶辊顶端优选定向的任一侧上没有涂布。如上所述，至少一个未涂布的部分延伸跨越箔载体的宽度。当缠绕成冻胶辊时，优选在冻胶辊的最外面的圆周上定向未涂布的部分。如果提供多个未涂布的部分，那么第一和第二未涂布的部分可部分或完全重叠(即彼此接近，但在箔载体的对侧上)。然而，如果涂布的部分提供第三未涂布的部分(即除未涂布的纵断面之外)，那么第一和第三部分必须具有插入其间的涂布的部分。
各种涂层图案和关于带图案的正电极的其他教导在结合的参考文献中进行了描述。
除螺旋状缠绕之外，可通过将电极和隔离器条折叠在一起形成电极组件。该条可沿其长度对齐，然后以手风琴方式折叠，或者可将阳极和一个电极条垂直于阴极和另一电极条放置，将电极一个跨越另一个(正交取向)交互折叠，在两种情况中，形成阳极层和阴极层交互的叠层。
将电极组件插入外壳容器。在螺旋状缠绕的电极组件的情况，不管在圆柱形还是棱柱形容器中，电极的主要表面都垂直于容器的侧壁(换句话说，电极组件的中心核平行于电池的纵轴)。折叠的电极组件典型地用于棱柱形电池。在手风琴-折叠的电极组件的情况，将组件取向成使位于电极层的叠层的对侧的扁平电极表面接近容器的相对侧。在这些构型中，阳极的主要表面的大部分总面积通过隔离器接近阴极的主要表面的大部分总面积，电极主要表面的最外面部分接近容器的侧壁。按该方式，由于阳极和阴极的组合厚度增加，电极组件的膨胀受到容器侧壁的约束。
在本发明的电池组电池中，使用仅含很少量的水作为污染物(例如不超过约百万分之500重量，取决于使用的电解质盐)的非水电解质。可使用适合与锂和活性阴极材料一起使用的任何非水电解质。电解质包含溶于有机溶剂的一种或多种电解质盐。对于Li/FeS2电池，合适的盐的实例包括溴化锂、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；合适的有机溶剂包括以下溶剂中的一种或多种：碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲酯乙酯、碳酸乙二醇酯、碳酸1，3-丙二醇酯、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/溶剂组合提供足够的电解质电导率和导电性，以在期望温度范围内满足电池放电要求。由于它们通常的低粘度、良好的润湿能力、良好的低温放电性能和良好的高速放电性能，醚为经常期望的。这在Li/FeS2电池中尤其是这样，因为醚比MnO2阴极更稳定，因此可使用如此高的醚水平。合适的醚包括但不限于非环醚例如1，2-二甲氧基乙烷、1，2-二乙氧基乙烷、二(甲氧基乙基)醚、三甘醇二甲醚、四甘醇二甲醚(tetraglyme)和乙醚；和环醚例如1，3-二氧戊烷、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃和3-甲基-2-噁唑烷酮。
如美国专利申请第10/719,425号所公开的，可以调节特定阳极、阴极和电解质的组成和量，以提供期望的电池制备、性能和贮存特性，该专利在上文引用。
可以使用任何合适的方法密闭和密封电池。这样的方法可包括但不限于卷曲、重拉伸、筒夹及其组合。例如，对于图1的电池，在电极和绝缘锥体插入之后在罐中形成珠形物，将垫圈和盖组件(包括电池盖、接触弹簧和排气衬套)置于罐的开放末端。在珠形物上支撑电池，而将垫圈和盖组件向下推向珠形物。用分段的筒夹减少珠形物上面罐的顶部直径，以在电池中将垫圈和盖组件保持在适当的位置。在通过排气衬套和盖上的孔将电解质分配至电池中之后，将排气球插入衬套以密封电池盖中的孔。将PTC装置和末端盖置于电池盖上的电池上，用卷曲的模具将罐的顶部边缘向内弯曲，以保持垫圈、盖组件、PTC装置和末端盖，并用垫圈完成罐的开放末端的密封。
上面的描述尤其与圆柱形Li/FeS2电池有关，例如在InternationalElectrotechnical Commission，Geneva，Switzerland出版的InternationalStandards IEC 60086-1和IEC 60086-2中定义的FR6和FR03型。然而，本发明也可适合于其它电池尺寸和形状，适合于具有其它电极组件、外壳、密封和减压孔设计的电池。本发明可使用的其它电池类型包括原电池和可充电非水电池，例如锂/二氧化锰和锂离子电池。电极组件构型也可改变。例如，它可具有如上所述螺旋状缠绕的电极，折叠的电极或条的叠层(例如平板)。电池形状也可以改变，以包括例如圆柱形和棱柱形的形状。
在以下实施例中进一步举例说明本发明的特征及其优点。
实施例1
计算机模拟用于评估几种负电极导线设计，该设计适用于具有类似于图1举例说明的电极组件的FR6和FR03电池。模型用于测定可通过导线末端施加的弹簧力，该导线类似于图1和图2中的负电极导线。测定的弹簧力应近似于导线末端部分对罐侧壁内表面施加力的量。
该模型使用用于导线的0.051mm(0.002英寸)厚度镀镍、冷轧钢条的以下材料性质：杨氏模量＝2.07×108Pa(3.00×107lb./in2)，泊松比＝0.285，初始屈服强度＝251,000Pa(36,400lb./in2)。
对于导线的末端部分(靠近电极组件外表面的部分，在围绕电极组件的底部的弯曲上面，在电极组件插入罐之前)，评估三种不同的形状：扁平、V形(图4A)和弧形(图4B)，V形和弧形导线的槽沿条的末端部分的中心纵向定位，以便在电极组件插入罐之后槽平行于电池纵轴放置。
在模型中，使用初始的导线形状和尺寸将电极组件外径的横切面和导线的末端部分重叠在罐内径的横切面上。在FR6电池评估中使用直径12.90mm(0.508英寸)的电极组件、内径13.44mm(0.529英寸)的罐和宽度4.75mm(0.187英寸)的导线条；在FR03电池评估中使用直径9.25mm(0.364英寸)的电极组件、内径9.70mm(0.382英寸)的罐和宽度3.18mm(0.125英寸)的导线条。对于各电池，电极组件和导线相对于罐的起始位置在每种情况下都是相同的，并基于初始形成90度腿角的V形的导线建立，如图6B所示(不按比例)。放置导线的边缘60与罐12接触，放置电极组件与点62处的V底部接触。在评估的其它情况中每一种的起始位置中，放置导线的边缘60与罐12接触，电极组件上的点62通过导线中心至罐12之间的距离64对于FR6电池为1.88mm(0.074英寸)，和对于FR03电池为1.24mm(0.049英寸)。图6A和6C分别显示具有扁平和弧形导线的FR6电池的起始位置，所述导线由与图6B中的V形导线相同的材料制备。因为距离64保持不变，所以在图6A和6C中导线和电极组件之间有间隙。在该模型中，将电极组件的位置右移(图6A-6C)，减小距离64，以点62向右的位移的函数测定导线对罐的弹簧力。在点62与导线之间有间隙的情况下，直至电极充分位移足以接触并开始推压导线，才有弹簧力。
模拟结果显示于图7-图14中，这些图以电极组件从起始点位移(mm)的函数，显示了导线对罐的弹簧力(按导线成形部分的长度计，g/cm)；表1总结了在各附图中代表的电池类型和导线形状。
表1
  图   电池类型   导线形状
  7   FR6   扁平
  8   FR6   V形，90°腿角
  9   FR6   弧形，1.78mm(0.070英寸)弧半径
  10   FR6   弧形，1.91mm(0.075英寸)弧半径
  11   FR6   弧形，2.29mm(0.090英寸)弧半径
  图   电池类型   导线形状
  12   FR03   扁平
  13   FR03   V形，90°腿角
  14   FR03   弧形，1.40mm(0.055英寸)弧半径
图7-图14的图显示当电极组件向右位移时弹簧力的变化。线E表示：对于具有12.90mm直径电极组件的FR6电池和具有9.25mm电极组件的FR03电池，从对着罐的左内表面放置电极组件左侧(点62对面)的起始位置开始的位移量(图6A-6C)。这对应于当电极组件离左边尽可能的远时，在插入罐之后电极组件的位置。对于有更小或更大直径的电极组件，线E将分别左移或右移。线F表示：对着罐的右内表面放置点62的位移量。在起始位置在导线与电极组件之间没有间隙的那些情况下(图8和图13)，随着电极组件向右位移和相应的导线压缩(初始导线形状的变形)，弹簧力立即开始增加。在其它情况下，弹簧力直至没有间隙剩余才开始上升至零上。点A1、B1、C1和D1显示对于FR6电池为0.127mm(0.005英寸)，和对于FR03电池为0.102mm(0.004英寸)的递增位移的弹簧力。点A2、B2、C2和D2显示如果电极组件在初始右移至点A1、B1、C1和D1之后分别向左回移(对于FR6电池为0.127mm(0.005英寸)和对于FR03电池为0.102mm(0.004英寸))的弹簧力的变化。这对应于在电极组件插入罐内期间发生的事情，例如，如果导线过度压缩(变形超过电极组件适合在罐内径内所必需的最小量)，那么允许对着罐弹回。由于在导线的一部分中超过导线的屈服强度，因为导线的部分永久性变形，所以弹簧力较低。一般而言，对于电极组件的给定位移量，V形和弧形导线比扁平导线提供更大的弹簧力。
在图7(具有扁平导线的FR6电池)中，在起始点弹簧力为零，直至电极组件右移超过1.42mm(0.056英寸)。因为弹簧力直至电极组件位移超过线E才上升至零上，所以对于12.90mm或更小的电极组件直径，在导线和罐之间没有弹簧力。换句话说，对于12.90mm的电极组件直径，在导线和罐之间没有弹簧力。需要0.076mm(0.003英寸)的另外位移，对应于大于12.98mm(0.511英寸)的电极组件直径。
在图8中(具有90度V形导线的FR6电池)，电极组件一开始向右位移，弹簧力就开始上升。当电极组件位移足够远，以便电极组件的左侧与罐的内左表面平齐时，弹簧力为167g/cm(对应于具有线E的图的交叉点)。这表示在电极组件直径为12.90的电池中，在导线与罐之间具有弹簧力，除非导线过度压缩太多。过量的过度压缩可产生超过点C1的位移，其中变形的导线与罐之间具有多个接触点，弹簧力快速上升(离开图)，直至超过导线材料的屈服强度，弹簧力在只有少量回弹之后下降至零。图8显示小至约11.55mm的电极组件直径(比图7中标明的最小电极直径小1.35mm)可以用于罐内径为13.44mm且导线用于该评估的电池中。
在图9中(有1.78mm半径弧形导线的FR6电池)，在模型的起始点在电极组件与导线之间有小间隙，但在对应于12.90毫米直径电极组件的位移处，弹簧力大于零，该电极组件对着罐的左内表面放置。线E可以左移多达1.07mm(0.042英寸)，并仍然具有大于零的弹簧力，因此较小直径的电极组件(大于11.83mm)可以与该导线一起使用。
图10中的图类似于图9中的图。因为点A1、B1、C1和D1一般高于图9中的对应点，所以如果在电极组件插入罐内期间没有导线的过度压缩，那么1.91mm比1.78mm弧半径，弹簧力应该更高。可以与该导线设计一起使用的最小电极组件仅稍微大于图9所确定的电极组件。
图11中的图类似于图9和图10中的那些图。比较显示对于超过点B1(点D1超过图11中显示的最大弹簧力)的位移，2.29mm弧半径引起更高的弹簧力，但多少存在由过度压缩引起的更多弹簧力损失，可以使用的最小电极组件直径稍微大于1.91mm和1.78mm弧半径的导线的那些。
图12、图13和图14中显示的FR03电池的趋势类似于图7-图11中显示的那些。V形导线的太多压缩可以导致导线疲劳和弹簧力损失。可以与图12所示扁平电极导线一起使用的最小电极直径为约9.40mm(0.370英寸)，图14所示1.40mm半径弧形导线的最小值为约8.64mm(0.340英寸)，图13所示90度V形导线的最小值为约8.46mm(0.333英寸)。
实施例2
制备10批类似于图1和图2中的电池10的FR6电池，以评估电池特性和性能。批次1和2中的每个电池都具有围绕在电极组件周围包裹的0.0254mm(0.001英寸)厚度聚乙烯膜条。平均电极组件外径(包括聚乙烯膜条)为13.06mm(0.514英寸)。批次3-10中的每个电池均没有聚乙烯膜外部包裹物，电极组件的平均外径为12.95mm(0.510英寸)。在所有批次中，罐的平均内径为13.41mm(0.528英寸)。在所有批次中，负电极导线由4.75mm(0.187英寸)宽的导电金属薄条制备，切成55.9mm(2.20英寸)的长度。导线的一端附接于其外端附近的锂负电极，以便导线的末端从组装的电极组件的底端伸出，它在此处向外弯曲并然后向上，因此导线的末端部分平行于纵轴，并靠近电极组件的外侧表面，如图2所示。
如表2所示，在各批次中，负电极导线均不同。当末端沿电极组件的侧面弯曲时，非平面导线具有平行于电极组件纵轴的单个V形或弧形槽。表2中显示的V腿角、弧长和弧半径是用于制备形状的工具尺寸，并在实际形成的导线中有一些偏差和变异。槽为约12.7mm(0.50英寸)长，从导线的末端延伸，具有从V形或弧形部分到平面部分的过渡区。
在60℃下贮存60天前后，测试每批次的样品电池的开路电压、AC阻抗和安培数。基于各种放电、物理滥用和电滥用试验，也测试每批次的样品电池。除预期的差异性之外，批次之间基本上没有差异。
表2
  批次   导线材料   导线形状
  1   镀镍的冷轧钢，0.051mm(0.002英寸)厚   扁平
  2   镀镍的冷轧钢，0.051mm(0.002英寸)厚   V形槽，90度腿角
  批次   导线材料   导线形状
  3   镀镍的冷轧钢，0.051mm(0.002英寸)厚   弧形槽，90°弧，1.91mm(0.075英寸)半径
  4   镍，0.076mm(0.003英寸)厚   V形槽，90度腿角
  5   镍，0.076mm(0.003英寸)厚   弧形槽，90°弧，1.91mm(0.075英寸)半径
  6   镀镍的冷轧钢，0.051mm(0.002英寸)厚   扁平
  7   镀镍的冷轧钢，0.051mm(0.002英寸)厚   V形槽，73度腿角
  8   镀镍的冷轧钢，0.051mm(0.002英寸)厚   弧形槽，90°弧，1.50mm(0.059英寸)半径
9   铜镍合金(Olin黄铜合金7025)，0.051mm(0.002英寸)厚   V形槽，73度腿角
10   铜镍合金(Olin黄铜合金7025)，0.051mm(0.002英寸)厚   弧形槽，90°弧，1.50mm(0.059英寸)半径
实施例3
构建8批次的FR6电池，类似于图1和图2中显示的电池10，以测定电池的平均使用寿命。各批次电池的界面理论A/C输入容量比为0.92。
对照批次1和批次11-14的各电池均相同，不同之处在于下文解释的负电极导线。负电极由铝含量为约0.5％重量的锂合金箔组成。对照批次1的电池包括焊接至锂箔宽度的96％的镀镍冷轧钢负电极导线，且全长为55.80mm(2.200英寸)。批次11的电池具有直接连接至锂箔宽度的50％的阳极导线，且全长为37.97mm(1.495英寸)。批次12的电池具有延伸锂箔宽度的25％的镀镍冷轧钢负电极导线，且全长为28.22mm(1.111英寸)。批次13的电池具有其长度延伸锂箔宽度的96％的铜合金7025负电极导线，且全长为55.80mm(2.200英寸)。批次14的电池具有延伸锂箔宽度的50％的铜合金7025负电极导线，且全长为37.97mm(1.495英寸)。
对照批次2和批次15、16的电池相同，不同之处在于如下的负电极导线。使对照批次2和批次15、16的电池成形，包括由铝含量为约0.5％重量的锂合金箔组成的负电极。使正电极成形为带图案的电极，并且电化学活性材料混合物选择性置于正电极集电器任一侧上。对照批次2的电池包括焊接至锂箔宽度的96％的镀镍冷轧钢负电极导线，且全长为55.80mm(2.20英寸)。批次15的电池包括延伸锂箔宽度的50％的镀镍冷轧钢负电极导线，且全长为37.97mm(1.495英寸)。批次16的电池利用延伸锂箔宽度的16％的铜合金7025负电极导线，且全长为25.32mm(0.997英寸)。
负电极导线与锂箔负电极接触的表面积，对于具有延伸锂的96％的导线的电池为177.6mm2，对于延伸锂宽度的50％的电池为92.6mm2，对于延伸锂宽度的25％的电池为46.3mm2，和对于延伸锂宽度的16％的电池为29.6mm2。
通过压力粘合，使每批次的负电极导线经轻接触压力焊接至负电极锂箔。在所有批次中，在其外部长度末端附近和离长度末端2.2mm处，将负电极导线附接于锂箔负电极，以便导线的末端从组装的冻胶辊电极组件的底端伸出，在此处它向外弯曲然后向上，以使导线的末端部分基本上平行于纵轴，并靠近电极组件的外侧表面。用电池隔离器覆盖缠绕的电极组件的外周。未连接至锂负电极的导线的一个或多个部分与电池容器压力接触。
按照表3和表4中提出的试验，测试所示批次的对照和实施例电池的使用寿命。列于表中的结果表示正确的输入变异性。对于连续性试验，电池按给定速率连续放电至所示的电压截止。DSC试验认为是″高速″试验，且是高速使用例如在装置如数码相机中的电池性能的指示。DSC试验利用两个脉冲使电化学电池循环，在1500mW的第一脉冲，持续2秒，接着是在650mW的第二脉冲，持续28秒。脉冲序列重复10次，然后是55分钟的静止期。然后，将脉冲序列和静止期重复至预定的截止电压，对于本文进行的试验为1.05伏。
表3
Figure GPA00001068563500321
表4
如表3和表4所示，意外地发现当与先有技术对照电池批次相比时，连接至小于含锂负电极宽度的96％的负电极导线对电池服务几乎没有影响，所述含锂负电极不含分开的集电器。结果的差异认为是由于在制备期间可以发生的较小变异和电池中使用的天然材料的变异所致。当使用缩短的负电极导线时，出乎意料地负电极的锂没有变得太绝缘。此外，结果表明缩短的负电极导线可以与不同类型的电池构造一起使用，而基本上不影响电池的使用寿命。
实施本发明的那些人和本领域的技术人员将理解，可对本发明进行各种修改和改进，而不会背离所公开概念的精神。所提供的保护范围将由权利要求和法律允许的解释宽度确定。

Claims (20)

1.一种电化学电池，所述电化学电池包含：
基本上圆柱形的导电性容器，所述容器具有闭合末端、末端组件密封的开放末端和在所述闭合末端与所述开放末端之间延伸的侧壁；
正电极，所述正电极包含二硫化铁；
负电极，所述负电极基本上由锂或含有至少90％重量锂的锂合金组成，其具有一定长度和宽度，并具有累积表面积；
隔离器；
非水有机电解质；
内部导线，所述内部导线位于所述容器内，并与所述负电极电接触，其中所述导线的表面积连接至小于0.7％的所述负电极的累积表面积，和
其中所述正电极、负电极和隔离器缠绕成冻胶辊电极组件，以便所述内部导线与所述容器或所述末端组件形成电接触，且其中所述电池的理论界面阳极对阴极输入容量比小于1.0。
2.权利要求1的电化学电池，其中与所述负电极接触的导线表面积小于0.5％。
3.权利要求1的电化学电池，其中所述导线的电阻小于15mΩ/cm长度。
4.权利要求3的电化学电池，其中所述导线是镀镍的冷轧钢、镍、镍合金、铜、铜合金或不锈钢。
5.权利要求1的电化学电池，其中所述导线与所述负电极表面接触的面积为5.0mm2-160mm2。
6.权利要求1的电化学电池，其中与所述负电极接触的导线表面积为0.02％-0.5％，且其中所述理论界面阳极对阴极输入容量比小于0.95。
7.权利要求1的电化学电池，其中所述容器的侧壁与所述负电极或正电极接触之间没有直接的电接触。
8.权利要求7的电化学电池，其中所述导线连接至所述负电极的底部部分，围绕所述电极组件的外部缠绕物的底部末端延伸，并与所述容器的侧壁或底壁压力接触。
9.权利要求7的电化学电池，其中与所述负电极接触的表面积为0.02％-0.5％。
10.一种电化学电池，所述电化学电池包含：
基本上圆柱形的导电性容器，所述容器具有闭合末端、末端组件密封的开放末端和在所述闭合末端与所述开放末端之间延伸的侧壁；
螺旋状缠绕的电极组件，所述电极组件置于所述容器内，并包括负电极、正电极、有机非水电解质和置于所述负电极与正电极之间的隔离器，其中所述负电极基本上由一个或多个具有一定长度和宽度的锂或锂合金层组成，且其中所述负电极不含分开的集电器；和
内部导线，所述内部导线位于所述容器内，并将所述负电极电连接至所述容器，其中所述导线的一个末端部分直接连接至一个或多个锂或锂合金层，且其中所述导线延伸一段距离，该距离自所述负电极的一个宽度末端开始测量，为在连接位置平行于所述电池纵轴测量的锂或锂合金层宽度的10％至小于88％。
11.权利要求10的电化学电池，其中所述导线延伸一段距离，该距离自所述负电极的一个宽度末端开始测量，为锂或锂合金层宽度的10％至60％，且其中所述电池的理论界面阳极对阴极输入容量比小于1.0。
12.权利要求11的电化学电池，其中所述导线延伸一段距离，该距离自所述负电极的一个宽度末端开始测量，为锂或锂合金层宽度的10％-50％，且其中所述导线的电阻小于15mΩ/cm长度。
13.权利要求11的电化学电池，其中所述导线与所述负电极表面接触的面积为5.0mm2-160mm2。
14.权利要求13的电化学电池，其中所述导线连接至所述负电极的底部部分，围绕所述电极组件的外部缠绕物的底部末端延伸，并与所述容器的侧壁或底壁压力接触。
15.权利要求14的电化学电池，其中所述导线与所述负电极表面接触的面积为10.0mm2-92.6mm2，且其中所述理论界面阳极对阴极输入容量比小于0.95。
16.权利要求10的电化学电池，其中所述导线的电阻小于5mΩ/cm长度，且其中所述导线是镀镍的冷轧钢、镍、镍合金、铜、铜合金或不锈钢。
17.权利要求16的电化学电池，其中所述隔离器或覆盖包裹物或其组合存在于所述电极组件的外表面上，以便与所述容器侧壁没有直接的负电极或正电极接触。
18.一种电化学电池，所述电化学电池包含：
基本上圆柱形的导电性容器，所述容器具有闭合末端、末端组件密封的开放末端和在所述闭合末端与所述开放末端之间延伸的侧壁；
螺旋状缠绕的电极组件，所述电极组件置于所述容器内，所述螺旋状缠绕的电极组件具有负电极条、正电极条、有机非水电解质和置于所述负电极条与正电极条之间的隔离器，所述负电极条基本上由锂或锂合金组成，具有形成累积表面积的长度和宽度；
内部导线，所述内部导线位于所述容器内，并将所述负电极电连接至所述容器，其中所述导线的一个末端部分连接至锂或锂合金；
其中在所述容器的侧壁与所述负电极或所述正电极之间没有直接的电接触；
其中所述导线沿所述负电极的底部部分连接，且在所述电极组件外面延伸，以形成与所述容器的侧壁或底壁的压力接触；和
其中所述导线的表面积连接至小于0.7％的所述负电极的累积表面积，且延伸一段距离，该距离自所述负电极的一个宽度末端开始测量，为平行于所述电池纵轴测量的负电极宽度的10％至小于88％。
19.权利要求18的电化学电池，其中所述表面积连接至0.02％-0.5％的累积表面积，且其中所述理论界面阳极对阴极输入容量比小于0.95。
20.权利要求19的电化学电池，其中所述导线与所述负电极表面接触的面积为5.0mm2-小于160mm2，且其中所述导线与所述容器非焊接电接触。
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