CN102110824B

CN102110824B - 一种锂-二硫化铁电池

Info

Publication number: CN102110824B
Application number: CN 201110031289
Authority: CN
Inventors: 张清顺; 林建兴; 常海涛; 赵洋
Original assignee: Fujian Nanping Nanfu Battery Co Ltd
Current assignee: Fujian Nanping Nanfu Battery Co Ltd
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2031-01-28
Also published as: CN102110824A

Abstract

本发明涉及一种锂-二硫化铁电池，该电池包括正极结构、双层隔膜、负极结构、正极上盖组合体和电池外壳，正极结构、双层隔膜和负极结构叠加在一起卷绕成电池电芯，正极结构与隔膜之间设置有绝缘带，或者负极结构与隔膜之间设置有绝缘带，绝缘带至少覆盖正极结构与负极结构重叠的部分。被绝缘带覆盖的部分的正极结构或者负极结构发生化学反应的时间滞后于未被遮挡的部分，因此被覆盖的负极结构可以起到迁移电子的作用，本发明的锂-二硫化铁电池可以防止负极结构上远离负极极耳的一端先发生反应从而导致负极结构断裂，使未发生反应的部分负极结构失去了导电的基体，进而产生电池内活性物质使用不充分、电池电压突降的现象的发生。

Description

一种锂-二硫化铁电池

技术领域

本发明涉及一次锂电池领域，特别是，涉及使用二硫化铁（FeS₂）作为正极活性材料、使用金属锂或者金属锂合金作为负极活性材料的的锂-二硫化铁（Li/FeS₂）电池。

背景技术

随着电子技术及信息技术的发展，普通的锌锰电池和碱锰电池已经满足不了高档电子设备的要求，这是因为碱性电池在300mA-1000mA恒电流放电的条件下，电池内的活性物容易产生浓差极化，从而导致电池内电阻增加，电池内部消耗增加，电池就无法进行长时间的高功率放电。因而作为具有高能量密度的锂电池在近年来发展越来越迅速，特别是一种能够持续进行高功率放电的锂-二硫化铁电池得到了发展。锂-二硫化铁电池是高能环保的一次电池，其具有以下特点：电池的工作电压为1.5V，可与任何1.5V电池互换使用，因此适用范围广；在高功率放电条件下其性能是碱性电池的5~10倍。自放电率低，因此储存寿命长而且储存性能好，存放时间可达10年以上；重量是碱锰电池的2/3，因此携带方便；锂电池无汞、无镉、无铅，因此对人体无害，是环保电池；使用温度范围广，能在零下40℃到零上60℃的温度范围内使用，尤其在低温条件下，锂电池的性能尤其较碱性电池优越。

目前，锂-二硫化铁电池的负极结构的材料是金属锂，金属锂作为负极活性物，同时还可作为负极集流体。这种结构的电池负极结构简单、成本低，并且锂箔加工方便。但是这种结构的负极结构的放电量不稳定，这是因为：电池的放电过程发生的化学反应是FeS₂+4Li→Fe+2Li₂S，由上述反应方程看出，电池在放电反应时负极结构（Li）不断被氧化，生成硫化锂（Li₂S）粉末。又因为负极结构中的锂箔并不是均匀反应，即有些部位反应速度快，有些部位反应速度较慢，通常情况下，结构上远离极耳的一端先发生化学反应，当电池放电到一定程度后，负极结构中间生成硫化锂（Li₂S）粉末，使负极结构断成两截，又由于硫化锂粉末不导电，因此将会有一截负极结构失去导电的基体，即负极集流体，那么这截负极结构就不能放电，导致电池电压突降，电池失效。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

一种锂-二硫化铁电池，所述电池包括电池电芯，所述电池电芯由正极结构、第一隔膜、负极结构和第二隔膜依次叠加后卷绕而成，其中，所述正极结构包括正极片和连接在所述正极片一端的正极极耳，所述负极结构包括负极片和连接在所述负极片一端的负极极耳，其特征在于：在以下四个位置中任选至少一个位置设置绝缘带：所述正极结构与所述第一隔膜之间、所述正极结构与所述第二隔膜之间、所述负极结构与所述第一隔膜之间或者所述负极结构与所述第二隔膜之间。

所述绝缘带至少覆盖所述正极片和所述负极片重叠的部分。

所述绝缘带位于所述正极片或者所述负极片的宽度方向上的中间位置。

所述绝缘带的宽度是0.1~1厘米。

所述绝缘带的宽度是0.2~0.4厘米。

所述绝缘带的厚度是0.04~0.15毫米。

所述绝缘带的厚度是0.06毫米。

所述绝缘带的材料是聚乙烯膜或者聚丙烯膜。

所述绝缘带通过胶带或者胶黏剂固定在所述第一隔膜上或者所述第二隔膜上。

所述绝缘带通过胶带或者胶黏剂固定在所述正极结构上或者所述负极结构上。

本发明采用在锂-二硫化铁电池的电芯中的正极结构与隔膜之间或者负极结构与隔膜之间加入绝缘带，绝缘带至少覆盖所述正极结构与负极结构重叠的部分，被绝缘带覆盖部分的正极结构与负极结构发生化学反应的时间滞后于未被覆盖的部分，从而这部分负极结构可起到导电的作用，因此本发明的电池结构可以避免由负极反应速度不均匀而引起的先发生反应的部分负极结构断裂，未发生反应的负极结构失去导电的基体，进而避免出现电池内活性物质使用不充分、电池电压突降的现象。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，

图1是根据本发明的锂-二硫化铁电池的剖视示意图；

图2是根据本发明的第一实施方式的绝缘带位于正极结构与第二隔膜之间的电池电芯的卷绕示意图；

图3是根据本发明的第一实施方式的绝缘带位于正极结构与第一隔膜之间的电池电芯的卷绕示意图；

图4是根据本发明的第二实施方式的绝缘带位于负极结构与第一隔膜之间的电池电芯的卷绕示意图；

图5是根据本发明的第二实施方式的绝缘带位于负极结构与第二隔膜之间的电池电芯的卷绕示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出详细的描述，以便说明本发明的在电池电芯中设置绝缘带的电池结构是如何解决锂-二硫化铁电池电压突降的问题。显然，本发明的施行并不限定于锂电池领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

为了克服锂电池结构反应不均匀，从而导致电池电压突降的问题，本发明提出了一种在正极结构或者负极结构的表面设置绝缘带的锂-二硫化铁电池，进而克服这一问题。

[第一实施方式]

以下参考图1~图3，详细说明根据本发明的第一实施方式的锂-二硫化铁电池的具体结构。

图1为根据本发明的第一实施方式的锂-二硫化铁电池的结构示意图，该锂-二硫化铁电池包括电池电芯100、正极上盖组合体200和电池外壳300。

电池电芯100包括正极结构110、负极结构120、第一隔膜130、第二隔膜130’和绝缘带140。

其中，正极结构110包括采用含有二硫化铁的混合物涂覆在基材上所形成的矩形的正极片111以及连接在正极片111一端的正极极耳112。

负极结构120包括金属锂或者其合金形成的矩形负极片121以及连接在负极片121一端的负极极耳122，负极极耳122的材料为镀镍钢带或者镍带。

第一隔膜130和第二隔膜130’均为微多孔膜，材料一般采用聚乙烯膜（Polyethylene PE）、聚丙烯膜（Polypropylene PP）或者其组合，即PP、PE单层膜或者PP/PE/PP三层复合膜，本发明采用市售的美国Cellgard公司生产的型号为2400的隔膜。

图2、图3示出了卷绕电池电芯之前各组成部分的叠加次序，图中标识出了各部分在卷绕时送入卷绕机的行进方向x以及卷绕方向r，具体地，电池电芯100为绝缘带140、正极结构110、第一隔膜130、负极结构120和第二隔膜130’叠加后卷绕而成，卷绕后制成的电池电芯100中，绝缘带140位于正极结构110与第二隔膜130’之间，或者电池电芯100还可以为正极结构110、绝缘带140、第一隔膜130、负极结构120和第二隔膜130’叠加后卷绕而成，在卷绕后制成的电池电芯100中，绝缘带140位于正极结构110与第一隔膜130之间，也就是说，绝缘带140可以位于正极结构110的任意一侧，以使卷绕后的电池电芯100中正极结构110与第一隔膜130之间或者正极结构110与第二隔膜130’之间设置有绝缘带140。正极极耳112位于卷绕的起始端，负极极耳122位于卷绕的结束端。

绝缘带140为单层膜，具体材料可以采用聚乙烯膜（Polyethylene PE）或者聚丙烯膜（Polypropylene PP），绝缘带140是非微多孔膜，即离子和电子都无法穿过绝缘带140，绝缘带140在电池电芯100中能够中断对应位置的正极结构110和负极结构120之间发生反应，绝缘带140的厚度范围为0.04~0.15毫米，优选地，绝缘带140的厚度为0.06毫米。

由于负极结构120上远离负极极耳122的一端总是最先发生化学反应，最先发生化学反应的位置的负极结构120容易断裂，因此绝缘带140至少覆盖正极结构110和负极结构120重叠的部分150。

在卷绕过程中，正极结构110上靠近正极极耳112的一端开始卷绕一段长度后，负极结构120上远离负极极耳122的一端才开始卷绕，并且正极片111的长度比负极片121的长度略短，因此在制成的电池电芯100中，正极片111和负极片121均有彼此不重叠的区域，绝缘带140即使覆盖到所述不重叠的区域，也不会影响电池的容量，同样不会影响本发明的技术效果。因此，本发明对绝缘带的覆盖范围并不限定为仅覆盖正极结构110和负极结构120重叠的部分150。

被绝缘带140覆盖的部分对应的正极结构110与负极结构120暂时不会发生化学反应，待没有被覆盖正极结构110与负极结构120全部放电完毕后，部分被绝缘带140覆盖的正极结构110再与负极结构120发生化学反应，由于被绝缘带140覆盖的部分的正极结构110不能全部发生化学反应，因此，绝缘带140的宽度不可以过宽，否则将会影响电池的容量，经过多次试验得出，绝缘带140的宽度适宜为0.1~1厘米，优选地，绝缘带140的宽度为0.2~0.4厘米。

为了卷绕时的操作方便，优选地，可将绝缘带140固定在正极结构110的任意一侧、第一隔膜130与正极结构110接触的一侧表面或者第二隔膜130’与负极结构120接触的一侧的背面，固定的方式可以采用胶带粘接，具体可以为PP胶带或者PE胶带；或者还可以在绝缘带140的背面涂覆胶黏剂以使绝缘带140固定在正极结构110上。

在正极片111的宽度方向上，绝缘带140位于正极片111的中间，假如绝缘带140偏离正极片111的中间位置，那么卷绕成的电芯是圆锥形，从而容易导致正极结构110和负极结构120错位，因此优选地，绝缘带140被放置在正极片111的宽度方向上的中间位置。

电池外壳300包括顶部的开口端、底部的封闭端以及位于开口端与封闭端之间的圆筒形侧壁，电池电芯100位于电池外壳300中，负极极耳122焊接至电池外壳300的底部，电池外壳300中充满电解液，正极上盖组合体200密封连接在电池外壳300的开口端，用于封闭电池外壳300。其中，电解液为将20重量%的LiTFSI（双三氟甲烷磺酰亚胺锂）溶解于1，3-二氧戊环和环丁砜的混合溶剂（重量比为4：1）中而形成的有机电解液。

[第二实施方式]

以下参考图4和图5，详细说明根据本发明的第二实施方式的锂-二硫化铁电池的具体结构。

与第一实施方式中锂-二硫化铁电池的结构大致相同，不同之处在于绝缘带的位置与第一实施方式中绝缘带的位置不同，根据本实施方式的锂-二硫化铁电池同样包括电池电芯100、正极上盖组合体200和电池外壳300。

负极结构120包括金属锂或者其合金形成的矩形的负极片121以及连接在负极片121一端的负极极耳122，负极极耳122的材料为镀镍钢带或者镍带。

第一隔膜130和第二隔膜130’均为微多孔膜，材料一般采用聚乙烯膜（Polyethylene PE）、聚丙烯膜（Polypropylene PP）或者其组合，即第一隔膜130和第二隔膜130’为PP、PE单层膜或者PP/PE/PP三层复合膜，本发明采用市售的美国Cellgard公司生产的型号为2400的隔膜。

图4、图5示出了电池电芯中各部分的叠加次序，图中标识出了各部分在卷绕时送入卷绕机的行进方向x以及卷绕方向r，电池电芯100为正极结构110、第一隔膜130、绝缘带140、负极结构120和第二隔膜130’叠加后卷绕而成，在卷绕后制成的电池电芯100中，绝缘带140位于负极结构120与第一隔膜130之间，或者电池电芯100还可以为正极结构110、第一隔膜130、负极结构120、绝缘带140和第二隔膜130’叠加后卷绕而成，在卷绕后制成的电池电芯100中，绝缘带140位于负极结构120与第二隔膜130’之间，也就是说，绝缘带140可以位于负极结构120的任意一侧，以使卷绕后的电池电芯100中负极结构120与第一隔膜130之间或者负极结构120与第二隔膜130’之间设置有绝缘带140。正极极耳112位于卷绕的起始端，负极极耳122位于卷绕的结束端，由于金属锂或者其合金的质地非常柔软，因此负极结构120夹在第一隔膜130和第二隔膜130’之间。

绝缘带140为单层膜，具体材料可以采用聚乙烯膜（Polyethylene PE）或者聚丙烯膜（Polypropylene PP），绝缘带140是非微多孔膜，即离子和电子都无法穿过绝缘带140，也就是说，绝缘带140在电池电芯100中能够中断对应位置的正极结构110和负极结构120之间发生反应，绝缘带140的厚度范围为0.04~0.15毫米，优选地，绝缘带140的厚度为0.06毫米。

由于在卷绕过程中，正极结构110上靠近正极极耳112的一端卷绕一段长度后，负极结构120上远离负极极耳122的一端才开始卷绕，并且正极片111的长度比负极片121的长度略短，因此在制成的电池电芯100中，正极片111和负极片121上均有彼此不重叠的区域，绝缘带140即使覆盖到所述不重叠的区域，也不会影响电池的容量，同样不会影响本发明的技术效果。因此，本发明对绝缘带的覆盖范围并不限定为仅覆盖正极结构110与负极结构120重叠的部分150。

被绝缘带140覆盖的部分的负极结构120暂时不会发生化学反应，待没有被覆盖的部分正极结构110与负极结构120全部放电后，部分被绝缘带140覆盖的负极结构120再与正极结构110发生化学反应，由于被绝缘带140覆盖的部分的负极结构120不能全部发生化学反应，因此，绝缘带140的宽度不可以过宽，否则将会影响电池的容量，经过多次试验得出，绝缘带140的宽度适宜为0.1~1厘米，优选地，绝缘带140的宽度为0.2~0.4厘米。

为了卷绕时的操作方便，优选地，可将绝缘带140固定在负极结构120的任意一侧、第一隔膜130与负极结构120接触的一侧的表面或者第二隔膜130’与负极结构120接触的一侧的表面，固定的方式可以采用胶带粘接，所述胶带具体可以为PP胶带或者PE胶带；或者还可以在绝缘带140的背面涂覆胶黏剂以使绝缘带140固定在负极结构120上。

在负极结构120的宽度方向上，绝缘带140位于负极片121的中间位置，假如绝缘带140偏离负极片121的中间位置，那么卷绕成的电芯将是圆锥形，从而容易导致正极结构110和负极结构120错位，因此优选地，绝缘带140被放置在负极片121的宽度方向上的中间位置。

电池外壳300包括顶部的开口端、底部的封闭端以及位于开口端与封闭端之间的圆筒形侧壁，电池电芯100位于电池外壳300中，负极极耳122焊接至电池外壳300的底部，电池外壳300中充满电解液，正极上盖组合体200密封连接在电池外壳300的开口端，用于封闭电池外壳300。其中，电解液为将20重量%的LiTFSI(双三氟甲烷磺酰亚胺锂)溶解于1，3-二氧戊环和环丁砜的混合溶剂（重量比为4：1）中而形成的有机电解液。

综上所述，根据本发明第一实施方式和第二实施方式的电池结构中的绝缘带140可以设置在以下四个位置中的任选一个位置处：正极结构110与所述第一隔膜130之间、正极结构110与所述第二隔膜130’之间、负极结构120与第一隔膜130之间或者负极结构120与第二隔膜130’之间。

此外，本发明对绝缘带140的数量不作限定，即可以同时在上述四个位置中任选至少一个位置设置绝缘带140，虽然包含一个以上数量的绝缘带140的电池电芯同样可以避免负极结构断裂，但是包含一个以上数量的绝缘带140的电池的容量比仅包含一个绝缘带140的电池的容量小，因此优选地，在以上所述四个位置中任选一个位置处设置绝缘带140。

对根据本发明制作的锂-二硫化铁电池进行检测，检测方法及结果如下：

将根据第一实施方式和第二实施方式的电池电芯中叠加有绝缘带的锂-二硫化铁电池以及现有的未叠加绝缘带的锂-二硫化铁电池存放一周后分别测量电池内电阻，并用200毫安电流连续放电至1伏和1000毫安电流连续放电至1伏的放电方式对电池进行放电性能测试，得到试验结果见下表1。

表 1

Figure 201110031289X100002DEST_PATH_IMAGE001

从表1的放电试验数据可以看出，本发明的电芯中叠加绝缘带的锂-二硫化铁电池的内电阻与现有的锂-二硫化铁电池的内电阻几乎相等；200毫安连续放电测试的数据说明根据第一实施方式的锂-二硫化铁电池的放电量与现有的锂-二硫化铁电池的放电量几乎也没有差别；但是1000毫安连续放电测试说明，叠加有绝缘带的电池放电容量比现有的锂-二硫化铁电池提高了5%以上，即本发明的锂-二硫化铁电池在高功率放电的情况下，性能优越于现有的锂-二硫化铁电池。

本发明的锂-二硫化铁电池的采用至少一条绝缘带位于正极结构的两侧中的任意一侧，或者位于负极结构的两侧中的任意一侧，绝缘带至少覆盖所述正极结构与负极结构重叠的部分，它采用PP膜或者PE膜制成，并且绝缘带不是微多孔膜。绝缘带能够中断对应位置处的正极结构与负极结构发生化学反应，从而将负极结构中间位置处的负极片“保存”下来以充当迁移电子的“桥梁”，导电的“桥梁”最后发生化学反应，但由于有绝缘带的遮挡作用，因此只有一部分的“桥梁”能够发生化学反应，所以应合理选取绝缘带的宽度，即可有效的防止产生电池电压突降的现象。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims

1.一种锂-二硫化铁电池，所述电池包括电池电芯，所述电池电芯由正极结构、第一隔膜、负极结构和第二隔膜依次叠加后卷绕而成，其中，所述正极结构包括正极片和连接在所述正极片一端的正极极耳，所述负极结构包括负极片和连接在所述负极片一端的负极极耳，其特征在于：在以下四个位置中任选至少一个位置设置绝缘带：所述正极结构与所述第一隔膜之间、所述正极结构与所述第二隔膜之间、所述负极结构与所述第一隔膜之间或者所述负极结构与所述第二隔膜之间，所述绝缘带是离子和电子都无法穿过的非微多孔膜，所述绝缘带是单层膜，其中，所述绝缘带在所述正极结构和所述负极结构的长度方向上至少覆盖所述正极片和所述负极片重叠的部分，所述绝缘带在所述正极结构和所述负极结构的宽度方向上的尺寸小于所述正极片和所述负极片的宽度。

2.如权利要求1所述的电池，其特征在于：所述绝缘带位于所述正极片或者所述负极片的宽度方向上的中间位置。

3.如权利要求1所述的电池，其特征在于：所述绝缘带的宽度是0.1~1厘米。

4.如权利要求1所述的电池，其特征在于：所述绝缘带的宽度是0.2~0.4厘米。

5.如权利要求1所述的电池，其特征在于：所述绝缘带的厚度是0.04~0.15毫米。

6.如权利要求1所述的电池，其特征在于：所述绝缘带的厚度是0.06毫米。

7.如权利要求1所述的电池，其特征在于：所述绝缘带的材料是聚乙烯膜或者聚丙烯膜。

8.如权利要求1所述的电池，其特征在于：所述绝缘带通过胶带或者胶黏剂固定在所述第一隔膜上或者所述第二隔膜上。

9.如权利要求1所述的电池，其特征在于：所述绝缘带通过胶带或者胶黏剂固定在所述正极结构上或者所述负极结构上。