CN102122725B - 一种锂-二硫化铁电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种锂-二硫化铁电池，该电池包括电池电芯，电池电芯包括正极结构、隔膜和负极结构，其中，正极结构是以二硫化铁为正极活性材料的结构，负极结构为金属锂或者其合金所形成的矩形结构，负极结构的一端连接负极极耳，负极结构表面固定有长度小于或者等于负极结构的带形负极集流体，负极集流体的一端与负极结构上远离负极极耳的一端对齐，且负极集流体位于负极片的宽度方向上的中间位置。负极集流体可以将电子导出至负极极耳，具有这种结构的锂-二硫化铁电池能够避免出现由于结构反应速度不均匀导致的部分负极结构断裂，从而电池内活性物质使用不充分、电池电压突降的现象，还可以有效地降低负极结构的延展率。
Description
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极不稳定，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，这就使得当电池放电到一定程度后，负极结构上生成硫化锂（Li2S）粉末，使负极结构断裂，又由于硫化锂粉末不导电，因此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。此外，金属锂是一种软金属，受力后容易被拉伸变形，作为锂-二硫化铁电池的负极结构的锂箔的厚度是0.1~0.2毫米，因此在电池电芯的制作过程中，锂箔很容易被拉伸变形甚至拉断，严重时可使制作出的电池成为废品。
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，其特征在于包括：电池电芯，所述电池电芯包括正极结构、负极结构和隔膜，其中，所述负极结构包括矩形的负极片和连接在所述负极片一端的负极极耳，所述负极片的表面固定有带形负极集流体，所述负极集流体的一端与所述负极片上远离所述负极极耳的一端对齐，且所述负极集流体位于所述负极片的宽度方向上的中间位置。
所述负极集流体的长度等于所述负极片的长度的70%~100%。
所述负极集流体的长度等于所述负极片的长度的90%~100%。
所述负极集流体是铜箔，所述负极集流体的宽度是0.2mm~10mm，厚度是0.01mm~0.10mm。
所述负极集流体是铜网，所述负极集流体的宽度是1.0mm~10mm，厚度是0.01mm~0.10mm。
所述铜网的网格形状为四边形或者圆形，所述网格的面积为0.002~4mm2。
所述负极片上设置有与所述负极集流体的位置相对应的凹槽，所述负极集流体位于所述凹槽中。
所述正极结构包括采用正极活性物质涂覆在基材上所形成的矩形的正极片以及连接在所述正极片一端的正极极耳。
所述正极活性物质为包括二硫化铁的混合物。
所述负极片的材料为金属锂或者其合金。
本发明通过在锂-二硫化铁电池的负极结构上固定负极集流体，负极集流体可以将电子导出至负极极耳，具有这种结构的锂-二硫化铁电池能够避免出现由于负极结构反应速度不均匀导致的部分负极结构断裂，使得未发生反应的负极结构失去导电的基体，从而电池内活性物质使用不充分、电池电压突降的现象。同时，由于锂箔被拉伸变形可使制成电池中的锂箔重量将会比预先设定的重量少，这将造成电池中正极和负极的大小不匹配，在锂箔表面固定负极集流体后可以减小锂箔的延展率，进而可有效地提高锂箔的利用效率。
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-二硫化铁电池的剖面示意图；
图2A是根据本发明的实施例一的当负极集流体长度小于负极片长度时负极集流体的位置示意图；
图2B是根据本发明的实施例一的当负极集流体长度等于负极片长度时负极集流体的位置示意图；
图3A是根据本发明的实施例一的负极集流体全部嵌入负极片的凹槽中的示意图；
图3B是根据本发明的实施例一的负极集流体部分嵌入负极片的凹槽中的示意图；
图4A和图4B是根据本发明的实施例一的电池电芯的卷绕示意图；
图5A是根据本发明的实施例二的当负极集流体长度小于负极片长度时负极集流体的位置示意图；
图5B是根据本发明的实施例二的当负极集流体长度等于负极片长度时负极集流体的位置示意图。
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步骤，以便说明本发明是如何利用在负极结构上固定负极集流体以便解决电池电压突降的问题，并且减小负极结构的延展率。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。
实施例一
如图1所示，本发明的锂-二硫化铁电池包括电池电芯100、正极上盖组合体200、电解液300和电池外壳400。其中电池电芯100包括正极结构110、隔膜120和负极结构130。
其中，正极结构110包括矩形的正极片以及连接在正极片一端的正极极耳111。
所述正极片的制法为：取FeS2粉末（采自广东云浮的天然黄铁矿）作为正极活性材料，将该材料与导电剂（石墨和乙炔黑）混合，制成正极粉料。使用有机溶剂将粘结剂制成粘结胶，其中，粘结剂为苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS，商品名为Kraton G1651），有机溶剂为Shell公司生产的Shell A100（芳香烃类溶剂）和Shell OMS（异链烷烃）的混合物，其混合比例为4:6（重量比）。
将上述正极粉料与粘结胶按2:1的重量比混合后进行搅拌以制成正极活性物质。在最终制得的正极活性物质中，各组分的重量比例为：
FeS2:91重量%；石墨：6重量%；乙炔黑：1重量%；SEBS：2重量%。
将该正极活性物质涂覆在作为正极导电基材的铝箔上，然后对涂覆后的基材进行烘干、辊压、分切处理，得到正极片。
隔膜120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，即隔膜120为PP、PE单层膜或者PP/PE/PP三层复合膜，本发明的隔膜120采用市售的美国Cellgard公司生产的型号为2400的隔膜。
图2A、图2B示出了根据本发明实施例一的负极结构以及制作电池电芯时负极结构送入卷绕机的行进方向X，负极结构130包括金属锂或者其合金形成的矩形的负极片131以及连接在负极片131一端的负极极耳132，负极结构130的表面固定有负极集流体133，负极集流体133位于负极片131的宽度方向的中间位置处，负极集流体133是带形铜箔，负极集流体133的长度占负极片131长度的70%~100%，优选为90%~100%。负极集流体133的宽度是0.2mm~10mm，优选为2mm~4mm；厚度是0.01mm~0.10mm，优选为0.015mm~0.03mm。若负极集流体133的长度小于负极片131的长度，则负极集流体133的一端与负极片131的远离负极极耳132的一端对齐；若负极集流体133的长度等于负极片131的长度，则负极集流体133的两端与负极片131的两端分别对齐。
进一步地，负极片131可以采用下述结构以将负极集流体133固定在其上：负极片131的宽度方向的中间设置有带状凹槽，凹槽开口的长度和宽度分别与负极集流体133相同，凹槽的深度等于或者小于负极集流体133的厚度，以使负极集流体133可以嵌入或者部分嵌入凹槽中。如图3A所示，当凹槽的深度等于负极集流体133的厚度时，负极集流体133的上表面与负极片131的表面在同一水平面上，即负极集流体133全部嵌入负极片131的凹槽中；如图3B所示，当凹槽的深度小于负极集流体133的厚度时，负极集流体133的上表面高于负极片131的表面，即负极集流体133部分嵌入负极片131的凹槽中。若负极集流体133的长度小于负极片131的长度，则凹槽的一端与负极片131上远离负极极耳132的一端对齐设置，若负极集流体133的长度等于负极片131的长度，则凹槽的两端与负极片131的两端分别对齐设置。
由于负极片131采用既薄又软的锂或者其合金制成，因此可以通过施加在负极集流体133上表面一定的压力以将负极集流体133嵌入负极片131中，同时在负极片131上形成所述带状凹槽。当施加的压力较大时，负极集流体133可以全部嵌入负极片131中，即负极集流体133的上表面与负极片131在同一水平面上，所述凹槽的深度等于负极集流体133的厚度；也可以部分嵌入负极片131中，即负极集流体133的上表面高于负极片131，所述凹槽的深度小于负极集流体133的厚度。
图4A示例性地示出了正极结构110、隔膜120和负极结构130的叠加方式和进入卷绕机时的行进方向X，本领域技术人员可以理解的是，除了图4A中所示的叠加方式，还可以采用其它叠加方式，本发明对此不作限定。图4B示出了卷绕机的卷绕方向r，电池电芯100为将正极结构110、双层隔膜120、负极结构130叠加在一起送入卷绕机卷绕而成，其中，正极结构110连接正极极耳111的一端靠近卷绕的起始端，负极结构130上连接有负极极耳132的一端靠近卷绕的结束端。如果负极集流体133的长度等于负极片131的长度，则负极集流体133的两端分别与负极片131的两端对齐。如果负极集流体133的长度小于负极片131的长度，则负极集流体133的一端只须保证与负极片131上远离负极极耳132的一端对齐即可。
电池外壳400例如可以是一端开口，另外一端封闭的圆筒，电池电芯100置于电池外壳400中，负极极耳132采用焊接的方式固定在所述电池外壳400的底部，电解液300充满在电池外壳400中，电解液300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。
下面以另外一种形式的负极集流体为例，对本发明的第二实施例进行阐释。
实施例二
以下参考图1，本发明的锂-二硫化铁电池包括电池电芯100、正极上盖组合体200、电解液300和电池外壳400。其中电池电芯100包括正极结构110、隔膜120和负极结构130。
其中，正极结构110包括矩形的正极片以及连接在正极片一端的正极极耳111。
所述正极片的制法为：取FeS2粉末（采自广东云浮的天然黄铁矿）作为正极活性材料，将该材料与导电剂（石墨和乙炔黑）混合，制成正极粉料。使用有机溶剂将粘结剂制成粘结胶，其中，粘结剂为苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS，商品名为Kraton G1651），有机溶剂为Shell公司生产的Shell A100（芳香烃类溶剂）和Shell OMS（异链烷烃）的混合物，其混合比例为4:6（重量比）。
将上述正极粉料与粘结胶按2:1的重量比混合后进行搅拌以制成正极活性物质。在最终制得的正极活性物质中，各组分的重量比例为：
FeS2:91重量%；石墨：6重量%；乙炔黑：1重量%；SEBS：2重量%。
将该正极活性物质涂覆在作为正极导电基材的铝箔上，然后对涂覆后的基材进行烘干、辊压、分切处理，得到正极片。
隔膜120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，即隔膜120为PP、PE单层膜或者PP/PE/PP三层复合膜，本发明的隔膜120采用美国Cellgard公司生产的型号为2400的隔膜120。
图5A、图5B示出了根据本发明实施例二的负极结构以及制作电芯时负极结构进入卷绕机的行进方向X，负极结构130包括金属锂或者其合金制成的矩形的负极片131以及连接在负极片131一端的负极极耳132，负极片131的表面固定有负极集流体133，负极集流体133位于负极片131的宽度方向的中间位置处，负极结构130负极集流体133是带形铜网，铜网的宽度是1.0mm~10mm，厚度是0.01mm~0.10mm，厚度优选为0.015mm~0.03mm，铜网中各网格单元形状为四边形或圆形，网格单元面积是0.002~4mm2。负极集流体133的长度占负极片131长度的70%~100%，优选为90%~100%。若负极集流体133的长度小于负极片131的长度，则负极集流体133的一端与负极片131的远离负极极耳132的一端对齐；若负极集流体133的长度等于负极片131的长度，则负极集流体133的两端与负极片131的两端分别对齐。
进一步地，负极片131可以采用下述结构以将负极集流体133固定在上：负极片131的宽度方向的中间具有带状凹槽，凹槽开口的长度和宽度分别与负极集流体133相同，凹槽的深度等于或者小于与负极集流体133的厚度，以使负极集流体133可以嵌入或者部分嵌入凹槽中。当凹槽的深度等于负极集流体133的厚度时，负极集流体133的上表面与负极片131的表面在同一水平面上，即负极集流体133全部嵌入负极片131的凹槽中；当凹槽的深度小于负极集流体133的厚度时，负极集流体133的上表面高于负极片131的表面，即负极集流体133部分嵌入负极片131的凹槽中。若负极集流体133的长度小于负极片131的长度，则凹槽的一端与负极片131上远离负极极耳132的一端对齐设置，若负极集流体133的长度等于负极片131的长度，则凹槽的两端与负极片131的两端分别对齐设置。
本发明采用施加在负极集流体133上表面一定的压力以将负极集流体133嵌入负极片131中，同时在负极片131上形成带状凹槽，当施加的压力较大时，负极集流体133可以全部嵌入负极片131中，即负极集流体133的上表面与负极片131在同一水平面上，凹槽的深度等于负极集流体133的厚度；也可以部分嵌入负极片131中，即负极集流体133的上表面高于负极片131，凹槽的深度小于负极集流体133的厚度。
电池电芯100为将正极结构110、隔膜120、负极结构130叠加在一起送入卷绕机卷绕而成，其中，正极结构110连接正极极耳111的一端靠近卷绕的起始端，负极片131上连接有负极极耳132的一端靠近卷绕的结束端，如果负极集流体133的长度等于负极片131的长度，则负极集流体133的两端分别与负极片131的两端对齐。如果负极集流体133的长度小于负极片131的长度，则负极集流体133的一端只须保证与负极片131上远离负极极耳132的一端对齐即可。由于实施例二的电池电芯的卷绕方式与实施例一中所述电池电芯的卷绕方式相同，因此此处不再赘述。
所述电池外壳400例如可以是一端开口，另外一端封闭的圆筒，所述电池电芯100置于电池外壳400中，所述负极结构130上的负极极耳132采用焊接的方式固定在所述电池外壳400的底部，所述电解液300充满在电池外壳400中，所述电解液300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。正极上盖组合体200密封连接在电池外壳400的顶部开口处。
将根据上述实施例制作的锂-二硫化铁电池进行检测，对具有不同规格的负极极流体的锂电池进行1000mA连续放电，考察电池的放电性能，再分别打开上述各个电池电芯，取出电池电芯中的负极结构，测量负极结构的延展率P，延展率P的计算公式为：
其中，m1是卷绕之前负极结构的质量，m2是卷绕之后负极结构的质量，L1是卷绕之前负极结构的长度，L2是卷绕之后负极结构的长度，检测结果如下表1。
表1
随机制作锂-二硫化铁电池，该电池的负极结构上未设置负极集流体，测得负极结构的延展率至少为5%，而根据本发明具体实施方式的锂-二硫化铁电池的负极结构延展率均在1%左右，由此可知，本发明的锂-二硫化铁电池的负极结构的延展率大大降低。而现有的锂-二硫化铁电池在1000mA连续放电至1.0V的电池容量为2831毫安时，而根据发明具体实施方式的锂-二硫化铁电池在1000mA连续放电至1.0V的电池容量均为2800毫安时左右，因此可以得出结论：本发明的锂-二硫化铁电池在大电流放电的情况下，电池容量与现有电池的容量相比并未受到影响。
本发明通过在锂-二硫化铁电池的负极结构上设置负极集流体，负极集流体的材料为铜，其形状既可以为铜箔还可以为铜网。负极集流体的长度小于或者等于负极结构的长度，负极集流体的一端与负极结构上远离负极极耳的一端对齐，具有这种结构的锂-二硫化铁电池能够避免出现由于结构反应速度不均匀导致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，从而电池内活性物质使用不充分、电池电压突降的现象。此外，由于负极结构采用延展率较高的锂或者其合金制成，在电芯的卷绕过程中，锂箔极易被拉伸变形，严重时可以导致锂箔中出现裂纹，因此可造成电池在高功率放电时容易断裂的问题。在锂箔表面固定了负极集流体后，可以减少锂箔被拉伸的长度，从而避免电池在高功率放电时负极结构易断裂的现象发生。同时，由于锂箔被拉伸变形可使制成电池中的锂箔重量将会比预先设定的重量少，这将造成电池中正极和负极的大小不匹配，在锂箔表面固定负极集流体后可以减小锂箔的延展率，进而可有效地提高锂带的利用效率。
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 (9)
1.一种锂-二硫化铁电池，其特征在于包括：电池电芯，所述电池电芯包括正极结构、负极结构和隔膜，其中，所述负极结构包括矩形的负极片和连接在所述负极片一端的负极极耳，所述负极片的表面固定有带形负极集流体，所述负极集流体的一端与所述负极片上远离所述负极极耳的一端对齐，且所述负极集流体位于所述负极片的宽度方向上的中间位置，所述负极片上设置有与所述负极集流体的位置相对应的凹槽，所述负极集流体位于所述凹槽中。
2.如权利要求1所述的电池，其特征在于：所述负极集流体的长度等于所述负极片的长度的70%~100%。
3.如权利要求1所述的电池，其特征在于：所述负极集流体的长度等于所述负极片的长度的90%~100%。
4.如权利要求1所述的电池，其特征在于：所述负极集流体是铜箔，所述负极集流体的宽度是0.2mm~10mm，厚度是0.01mm~0.10mm。
5.如权利要求1所述的电池，其特征在于：所述负极集流体是铜网，所述负极集流体的宽度是1.0mm~10mm，厚度是0.01mm~0.10mm。
6.如权利要求5所述的电池，其特征在于：所述铜网的网格形状为四边形或者圆形，所述网格的面积为0.002~4mm2。
7.如权利要求1所述的电池，其特征在于：所述正极结构包括采用正极活性物质涂覆在基材上所形成的矩形的正极片以及连接在所述正极片一端的正极极耳。
8.如权利要求7所述的电池，其特征在于：所述正极活性物质为包括二硫化铁的混合物。
9.如权利要求1所述的电池，其特征在于：所述负极片的材料为金属锂或者其合金。
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