CN103250286A - 具有核加强件的锂-二硫化铁电池设计 - Google Patents

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Abstract

公开了一种电化学电池设计，尤其适用于锂-二硫化铁电池的设计。所述电池包括螺旋形缠绕的电极装配件，所述电极装配件具有中心核。所述核引起阴极内的均匀膨胀。所述核还可以塌下和/或具有不同于用于容纳所述电极装配件的圆柱形容器的剖面形状的剖面形状。

Description

具有核加强件的锂-二硫化铁电池设计
技术领域
本发明涉及具有卷芯（jellyroll）电极装配件的电化学一次电池，所述电极装配件包括基于锂的负极、具有涂覆层的正极、以及聚合物隔板，所述涂覆层包括沉积在集电器上的二硫化铁。所述隔板、阳极、和阴极围绕坚硬的或实心的中心核缠绕成卷芯配置，该配置使得电池的内部体积（其中卷芯可以膨胀）最小化，和/或控制膨胀发生的方式。得到的电池设计在低消耗率（low drain rate）试验中具有更好的可靠性和容量，同时维持了较好的高消耗率容量。
背景技术
对于各种用户设备，电化学电池是当前提供成本较低的便携电能的优选方法。用户设备市场要求在这种电池中提供仅仅少量的标准化电池尺寸（例如，AA或AAA）和特定标称电压（一般地，1.5V）。此外，诸如数码相机的用户电子设备被设计为具有相对高的电能操作需求。市场中的用户通常愿意且选择使用一次电池，这是因为一次电池相比于当前可用的充电（即，二次）电池更方便、更可靠、寿命更持续、且单价更经济。
在1.5V系统的范围内，相比于碱性电池、碳锌电池、或其它电池系统，锂-二硫化铁（也称为LiFeS2、锂黄铁矿、或锂铁黄铁矿）电池提供更高的能量密度，尤其是在高消耗率下提供更高的能量密度。对任何电化学系统给予的设计和工程方面的相对考虑（尤其是在锂-二硫化铁和其它1.5V系统之间）是截然不同的。例如，锂-二硫化铁一次电池的阴极不会像锂离子电池和其它二次锂电池中的阴极那样出现热击穿问题，锂离子和其它二次锂电池的放电机制、电池成分、和安全考虑对锂-二硫化铁一次系统是大体无影响的和/或不适用的。
即便锂-二硫化铁电池对于高电能设备具有固有优点，电池设计也需要在以下要素之间平衡考虑：使用材料的成本、必要的安全设备和整体可靠性的结合（incorporation）、输出容量和被设计电池的使用用途。例如，卷芯设计使电极之间的表面面积最大化，并且给予更大的放电效率，但是这样可能牺牲低功率和低速率放电时的容量，这是因为该设计使用更不具活性的材料，诸如隔板和集电器（两者都占据内部体积，由此需要从电池设计中移除活性材料）。
除了改进容量之外，电池设计者还必须考虑其它重要特性，诸如安全性和可靠性。安全的设备通常包括排气机制和热激活的“关闭”元件，诸如正热电路（PTC）。对可靠性的改进主要集中在防止内部短路。在这两个情况中，这些特性还需要一些占据了内部体积的元件和/或需要一些设计考虑，这些设计考虑常常与电池内部电阻、效率和放电容量相悖逆。运输条例进一步构成限制，这是因为这些条例可能限制在进行热循环期间可以损失的锂的量和锂电池重量百分比的量，这意味着AA和AAA等较小的容器尺寸仅能损失数毫克的总电池重量。此外，活性材料和非水的有机电解质的反应特征和易变特征严重地限制了潜在的可用材料的通用性。
对锂-二硫化铁一次电池系统独有的最困难的挑战之一是在放电期间阴极的膨胀，其在低消耗率（例如，连续<20mA）期间和/或升温（例如，>45℃，尤其地，>70℃）时会恶化。该系统的累积反应的产物已知比原始的活性材料具有明显更低的密度。因此，即使在放电期间锂阳极被消耗，包含在电池内的所有材料的整体体积也会增加，由此向电池容器施加了向外的膨胀力。这些力可能是每平方英寸上数千磅压力的级别，并且已知会引起所述容器的凸起甚至开裂。即使使用高环形强度的圆柱形容器（与棱柱式要素相比），施加在内部成分（尤其是隔板）上的力也可能足够强以物理地使这些材料受到损害，由此引起直接短路和/或使电池无法输出其期望的容量。事实上，锂-二硫化铁电池的膨胀问题可能比二次电池系统中观测到的“隆起”问题大得多，这进一步证实了锂二次电池设计对于锂-二硫化铁一次系统所存在的独有问题的不适用性。
处理这些问题的一种建议方式是在理想的内部体积利用和可接受的LiFeS2电池容量/性能之间找到适当的平衡。例如，美国专利No.4,379,815公开了一种可行方案，通过将一种或多种其它活性材料（诸如CuO、Bi2O3、Pb2Bi2O5、P3O4、CoS2）与黄铁矿混合，在阴极膨胀和阳极收缩之间进行平衡，尽管——相比于与之相当的纯锂-二硫化铁的电池——这些额外的材料可能对所期望的电池放电特性和电池的容量和效率有负面影响。
调节阴极膨胀的另一方式是在所述容器的屈服强度和所述容器内的空隙空间或阴极中的活性材料的量之间进行平衡。例如，在2003年11月21日提交的美国专利公开No.2005/0112462和2004年12月22日提交的美国专利公开No.2005/0233214中，随着所设计的电极空隙容积量的减小（彼处表示为随图2中的卷芯的剖面空隙而变化），而发生隔板的物理完整性受损，其中隔板的物理完整性自身取决于网和交叉网方向这两者中的拉伸强度。接着，隔板的受损引起电池的期望容量/设计容量损失。在2008年10月17日提交的美国专利公开No.2009/0104520中，将阴极混合的干式混合密度和/或阴极组成成分的重量百分比选择为达到用于容器材料的屈服强度的预定范围。在任一种情况中，都必须维持电池空隙的某一最小级别以允许阴极膨胀。因此，诸如美国专利No.4,259,416或美国专利公开No.2010/0021801所公开的、包含内建的卷芯或安全“针脚装配件”的电池设计仅限于锂二次系统。
处理锂-二硫化铁一次电池中的空隙空间还有其它原因。例如，如美国专利公开No.2010/0086833所公开的，技术人员可能有动机增加电解质（或其它活性的电池成分）的体积，以处理由锂-二硫化铁电池的放电产物引起的现象。
发明内容
本发明至少部分地基于这样的理解，即，对容量的改进代表了基本良好的电池设计。也就是说，为了输出更大容量，需要仔细考虑锂-二硫化铁放电时的径向膨胀力和其它工作中的动态情况。例如，如果设计中设置了不足的隔板（或任何其它基本的电池成分）厚度，那么在放电期间阴极中的径向膨胀力可能引起硬短路和/或物理断开或切断一个或两个电极。硬短路形成显著的安全问题并且将立即毁掉电池效用，同时电池将停止输出容量而不考虑发生断电时活性材料是否被放电完毕。在考虑维持电连接的整体性、电池的关闭/排气机制等时也会出现类似情况。因此，电池的容量可以是针对电池设计的整体耐久性和鲁棒性的重要度量，尤其是当电池设计者被限制为使用标准尺寸的用户电池（例如，AA或FR6；AAA或FR03；等）时。
作为容量是电池设计的实际度量的必然结果，本领域技术人员将理解，必须在考虑整体的电池系统的情况下做出设计的选择，尤其是特定成分的选择。特定合成物可能对电池中的其它成分和合成物具有不可思议的或未预料的效果。类似地，在标准尺寸电池中，特定元件的选择必然会占据容器内的体积，而该体积原本可用于其它元件。因此，设计选择的互相依赖说明了，容量的任何增加，尤其是在于其它方面对电池的安全或性能没有负面影响的情况下的增加，比简单地添加更多活性材料要复杂得多。
发明人非常惊奇地发现，通过减少和/或特别限制某些种类LiFeS2电池的容器内可用于阴极膨胀的空隙空间量，得到的电池可以维持延长的容量和使用寿命。该发现在低消耗、高温条件下（此条件下黄铁矿的阴极膨胀通常最为糟糕）是最明显的。因此，用于电化学电池的结构、制造这种电池的方法、及对这种电池进行放电的方法都是期望的。在设想使用外围形状不同于容器内直径的相应形状和/或电极装配件本身的外部形状的圆柱形插入件的前提下，该发现不必限于锂-二硫化铁电池。
在本发明的一个实施例中，提出一种1.5伏锂-二硫化铁一次电池。该电池具有：圆柱形容器，其具有覆盖在该容器的开口端之上的顶盖；螺旋形缠绕的电极装配件，其包括阳极、聚合物隔板、及阴极，其中，所述阳极基本上由锂或锂合金的金属性箔组成，所述阴极包括阴极混合物，所述阴极混合物包括至少部分地涂覆在金属性集电器两侧上的二硫化铁；以及，核，其同心地置于所述电极装配件内，以促进随着所述电池放电的所述阴极混合物的均匀膨胀。
该实施例的额外特征可以包括以下任意一项或其组合：
其中，所述核包括惰性的圆柱形棒；
其中，所述棒由绝缘聚合物构成；
其中，所述聚合物选自:聚丙烯、聚乙烯、及乙烯三氟氯乙烯共聚物；
其中，所述核包括所述阴极的一部分；
其中，所述阴极在所述核处的该部分未被阴极混合物涂覆；
其中，所述阴极的该部分构成所述螺旋形缠绕的电极装配件的多于一圈的缠绕；
其中，所述核具有与所述容器的剖面形状不同的剖面形状；
还包括：至少一个引线，其在一个被选择为减少在所述电池放电时由所述引线引起的所述电极装配件上的压力的点处贴附于所述电极装配件；
其中，所述核的所述剖面形状选自：圆形、椭圆形、矩形、三角形、或C形；
其中，所述核被构成为随着所述电池放电以均匀方式塌下（collapse）；
其中，所述金属性集电器具有外向面和内向面，以及其中涂覆到所述外向面的二硫化铁比涂覆到所述内向面的二硫化铁更多；
还包括：焊接引线，其将所述电极装配件电连接到所述容器或所述顶盖，并且其中，所述电极装配件的外直径和所述容器的内直径使得在所述电池放电之前，在所述内直径和所述外直径之间存在连续的空隙；
其中，所述核促进阴极混合物随着电池放电而均匀膨胀；和/或
其中，所述核包括卷筒。
在第二实施例中，考虑一种电化学电池。该电池具有：圆柱形容器，其高度大于直径；螺旋形缠绕的电极装配件，其包括阳极、隔板、及阴极；以及，圆柱形核，其同心地置于所述电极装配件内，并在所述容器的整个高度上具有不同于所述圆柱形容器的剖面形状的剖面形状。该电池的额外方面可以从以下任意一项或其组合中选择：
其中，所述圆柱形容器的剖面形状是圆形；
其中，所述圆柱形核的剖面形状选自：椭圆形、矩形、三角形、或C形；
其中，所述圆柱形核是中空的；
其中，引线在所述电极装配件内贴附于靠近所述核的剖面形状的平坦圆周部分处；
其中，所述核被构成为随着所述电池放电以均匀方式塌下；和/或
其中，所述核包括卷筒。
在另一实施例中，公开一种制造锂-二硫化铁一次电池的方法。所述方法包括：
产生螺旋形缠绕的电极装配件的步骤，所述电极装配件包括锂或锂合金的阳极和二硫化铁的阴极，所述阴极至少部分地涂覆在薄金属条带的两侧，使得所述电极装配件具有外圆周形状和中心开孔，其中所述中心开孔具有内圆周形状；控制所述电极装配件使适于当所述电池随后放电时均匀地维持所述电极装配件的整体性的步骤；以及，将所述电极装配件布置在高度大于直径的圆柱形容器内的步骤。额外步骤可以包括以下任意一项或其组合：
其中，通过在所述电极装配件的所述中心开孔内同心地布置圆柱形棒，以实现所述的对所述电极装配件的控制；
其中，所述圆柱形棒被设计为随着所述电池放电以均匀方式塌下；
其中，所述圆柱形棒的外圆周形状i）与所述中心开孔的内部形状匹配，并且ii）与所述圆柱形容器的形状不同；
其中，所述圆柱形棒的外部形状从以下构成的组中选择：椭圆形、矩形、三角形、或C形；
其中，通过物理地压缩所述电极装配件以改变所述中心开孔的内部形状，实现使所述电极装配件性质均匀；
其中，所述中心开孔的内部形状选自：椭圆形、矩形、三角形、或C形；
其中，通过在所述薄金属条带的一侧涂覆比另一侧更多的二硫化铁，以实现所述的对电极装配件的控制；
其中，所述电极装配件具有外直径且所述容器具有内直径，并且所述电极装配件置于所述容器内，使得在所述电池放电之前，在所述内直径和所述外直径之间存在连续的空隙，并且所述方法还包括将与所述电极装配件电连接的引线焊接到所述容器或安装在所述容器的开口端上的顶盖；和/或
其中，所述圆柱形棒是用于产生螺旋形缠绕的电极装配件的卷筒。
在又一实施例中，公开一种制造电池的方法，所述方法包括：产生螺旋形缠绕的电极装配件，使得所述电极装配件具有外圆周形状和中心开孔，其中所述中心开孔具有内圆周形状；控制所述电极装配件使适于，使所述中心开孔具有不同于所述装配件的所述外圆周形状的形状；以及，将所述电极装配件布置在高度大于直径的圆柱形容器内。额外的实施例可以包括以下任意一项或其组合：
其中，通过在所述电极装配件的所述中心开孔内同心地布置圆柱形棒，实现所述的对电极装配件的控制，并且其中，所述圆柱形棒的外圆周形状：i）与所述中心开孔的内部形状匹配，并且ii）与所述圆柱形容器的形状不同；
其中，所述圆柱形棒的外圆周形状选自：圆形、椭圆形、矩形、三角形、或C形；
其中，所述圆柱形棒是用于产生所述螺旋形缠绕的电极装配件的卷筒；和/或
其中，通过在物理上压缩所述电极装配件，实现所述的对电极装配件的控制。
第四实施例提出一种电化学电池，包括：圆柱形容器，其高度大于直径且具有覆盖在该容器的开口端之上的顶盖；螺旋形缠绕的电极装配件，其包括阳极、聚合物隔板、及阴极；圆柱形核，同心地置于所述电极装配件内；并且其中施加以下多个条件中的一个：A）所述核具有与圆柱形容器的剖面形状不同的剖面形状；或B）所述阳极基本上由锂或锂合金的金属性箔组成，所述阴极包括阴极混合物，所述阴极混合物包括至少部分地涂覆在金属性集电器上的二硫化铁，所述容器具有圆形剖面形状且以下中的至少一项：i）所述核随着所述电池放电以均匀方式塌下，和ii）所述核具有与圆柱形容器的剖面形状不同的剖面形状。该实施例中的其它特征可以包括以下任意一项或其组合：
其中，所述圆柱形容器的剖面形状是圆形的且所述核的剖面形状选自：椭圆形、矩形、三角形、或C形；
其中，所述核是中空的；
还包括：至少一个引线，所述引线在所述电极装配件内贴附于靠近所述核的剖面形状的平坦圆周部分处；
其中，所述核是惰性的圆柱形棒，并且更具体地，所述核是由绝缘聚合物构成的圆柱形棒，所述绝缘聚合物选自:聚丙烯、聚乙烯、及乙烯三氟氯乙烯共聚物；
其中，所述核包括：阴极的一部分、整体卷筒、在一侧上未涂覆阴极混合物的阴极的一部分、或在两侧上均未涂覆阴极混合物的阴极的一部分。
最后一个实施例考虑了一种制造电池的方法，包括：产生螺旋形缠绕的电极装配件的步骤，使得所述电极装配件具有外圆周形状和中心开孔，其中所述中心开孔具有内圆周形状；控制所述电极装配件使适于使所述中心开孔具有不同于装配件的外圆周形状的形状；以及，将所述电极装配件布置在高度大于直径的圆柱形容器内。在该实例中，额外的步骤可以包括以下中的任意一项或其组合：
其中，通过在所述电极装配件的所述中心开孔内同心地布置圆柱形棒，实现所述的对电极装配件的控制，并且其中，所述圆柱形棒的外圆周形状：i）与所述中心开孔的内部形状匹配，并且ii）与所述圆柱形容器的形状不同；
其中，所述圆柱形棒的外圆周形状选自：环形、椭圆形、矩形、三角形、或C形；
其中，所述圆柱形棒是用于产生螺旋形缠绕的电极装配件的卷筒；
其中，所述圆柱形棒被设计为随着所述电池放电以均匀方式塌下；
其中，通过在物理上压缩所述电极装配件，实现所述的对电极装配件的控制；和/或
其中，所述中心开孔的内部形状选自：椭圆形、矩形、三角形、或C形。
附图说明
图1示出了锂-二硫化铁电化学电池的电池设计的一个实施例。
图2A-图2C示出了根据本发明某些实施例的电极装配件和核的剖面配置。
图3A和图3B示出了根据现有技术的放电之前和放电之后的电极装配件的剖面图。
具体实施方式
除非另有说明，本申请所使用的在以下列出的术语在本公开内容中被限定及使用为：
环境温度或室内温度：在约20°C和约25°C之间；除非另有说明，所有例子、数据、和其它性能和制造信息都在环境温度下进行；
阳极：负极；更具体地，在锂-二硫化铁电池中，本质上由锂和/或锂合金（即，锂占至少90%重量的合金）作为仅有的电化学活性材料，而不使用不同的、全电极长度的集电器；
容量：在规定的一组条件（例如，消耗率、温度等）下在放电期间由单个电极或整个电池输出的容量；通常表示为毫安-小时（mAh）、或毫瓦-小时（mWh）、或数码相机测试中拍摄的图像数量；
阴极：正极；更具体地，在锂-二硫化铁电池中，本质上由一阴极混合物构成，该阴极混合物包括至少部分地涂覆到金属性集电器基底的两侧上的、作为主要的电化学活性材料（例如，大于50%，更优选地大于80%-95%，最优选地是100%）的二硫化铁（和/或所掺杂的二硫化铁衍生物）和可选的流变的、聚合的和/或导电的添加剂；该定义尤其排除了球形的阴极；
电池壳体：物理封装电极装配件的结构，其中所述电极装配件包括所有封装于内部的安全设备、惰性成分、及构成全功能电池的连接材料；通常这些成分包括容器（形成为杯形，也称为“罐”）和封盖（与所述容器的开口配合，通常包括用于防止电解质漏出和湿气/空气进入的排气和密封机构）；取决于上下文，有时候可以与术语“罐”或“容器”可交换使用；
圆柱形电池尺寸：任何电池壳体具有高度大于直径的筒体；该定义特别排除钮扣电池、微型电池、或试验性的“冰球”电池；
数码相机测试（也称为ANSI数码相机测试）：按照便携式锂一次电池和蓄电池美国国家标准-一般和具体规定（American NationalStandard for Portable Lithium Primary Cells and Batteries-Generaland Specifications）所公布的、题为“Battery Specification15LF(AAlithium iron disulfide),Digital camera test（电池规定15LF（AA锂-二硫化铁），数码相机测试）”的ANSI C18.3M，12005部分所给出的测试过程，相机每分钟拍两张图片（图像）直到电池寿命耗尽。该测试包括对AA尺寸的锂-二硫化铁电池以1500mW放电2秒，以650mW放电28秒，该30秒周期重复共5分钟的循环（10个周期），之后是55分钟的休息周期（即，0mW）。整一小时的周期每天24小时循环，直到记录到最终1.05伏或更低的电压。每个所述30秒周期用于展示一幅数码相机图像。
电化学活性材料：一个或多个化学化合物，是电池的放电反应的一部分，并且对电池的放电容量有帮助，包括少量（例如，少于10%，更优选地少于5%，最优选地少于1%）的杂质和材料固有的其它部分；
电极装配件界面区：卷芯电极装配件的整个区域，其中阳极、阴极、和隔板都被对准，以使得能够进行电化学反应（例如，圆柱形的卷芯电极装配件中的电极装配件界面高度将由纵向轴线确定，阳极、阴极、和隔板于该轴线上彼此垂直邻接）；
FR6电池：参考2000年11月或之后国际电工委员会发布的国际标准IEC-60086-1，圆柱形电池尺寸的锂-二硫化铁具有约50.5mm的最大外高度和约14.5mm的最大外直径；
FR03电池：参考2000年11月或之后国际电工委员会发布的国际标准IEC-60086-1，圆柱形电池尺寸的锂-二硫化铁具有约44.5mm的最大外高度和约10.5mm的最大外直径；
“卷芯”电极装配件：阳极和阴极条带，连同合适的聚合物隔板，一起通过沿它们的长度或宽度方向（例如，绕一个卷筒（mandrel）或中心核）缠绕而被组合成装配件；与螺旋形缠绕的电极装配件同义使用且可相互交换；
负载：针对最后干燥的和高密化后的、涂覆至箔集电器上的阴极混合物而言，指集电器的规定区域的单个面上发现的规定材料的量，通常表述为在界面对准的阴极集电器的一平方厘米部分的单侧上的总阴极混合物（即，包括黄铁矿、胶凝物、导体、添加剂等）的毫克数；
标称：一个值，通常由制造商规定，表示对一个特性或属性的期望值；
黄铁矿：形成二硫化铁的优选矿种，当用于电池时通常包括至少90%以及更优选的至少95%的电化学活性的二硫化铁；也被称为铁黄铁矿（iron pyrite）；
固体填充：在涂覆层（但不包括集电器）中，固体粒子（例如，电化学活性材料、黏合剂、导体等）在该涂覆层中占据的体积相比于该涂覆层的总体积的比例，该比例在该涂覆层已经干燥和高密化后进行测量；通常表达为一个百分比，也可以表达为涂覆层的孔隙率的反转（即，100%减去涂覆层孔隙率的百分比）；
特定能量密度：将设定条件（例如，以200mA的连续消耗放电，界面容量上的总输入等）下的电极、电池、或蓄电池容量除以整个电池或蓄电池的总重量，通常以瓦特-小时/千克（Wh/kg）或毫瓦-小时/克（mWh/g）表示；
参考图1可以更好地理解本发明。在图1中，电池10是FR6（AA）型圆柱形LiFeS2电池的一个实施例，虽然本发明对FR03（AAA）或其它圆柱形电池也具有相同的适用性。在一个实施例中，电池10具有包括容器的壳体，所述容器为具有封闭的底部和开口顶端的罐12的形式，所述开口顶端由电池盖14和垫圈16封闭。罐12在靠近所述开口顶端处具有卷边或直径减小的台阶部以支撑垫圈16和盖14。垫圈16被压在罐12和盖14之间以将阳极（或负极）18、阴极（或正极）20、及液体电解质（未示出）密封在电池10内。
阳极18、阴极20、及隔板26螺旋形地共同缠绕成电极装配件。阴极20具有金属集电器22，集电器22从电极装配件的顶端延伸并且通过接触弹簧24连接到盖14的内表面。阳极18通过金属引线（或金属片）36电连接到罐12的内表面。引线36紧固到阳极18，从电极装配件的底部延伸，并且跨过底部且沿电极装配件的侧面向上弯折。引线36与罐12的侧壁内表面进行压力接触。在电极装配件被缠绕之后，其可以在制造工艺中通过工具加工而于插入之前被保持为整体，或者可以通过例如热密封、胶合、或带缚将材料（例如，隔板或聚合物膜外包裹38）的外端紧固。
在一个实施例中，绝缘锥46环绕电极装配件的顶端的外围部分，以防止阴极集电器22与罐12接触，并且通过隔板26的向内弯折延伸和位于罐12底部的电绝缘底盘44防止阴极20的底边和罐12的底部之间接触。
在一个实施例中，电池10具有分离的正极端子盖40，正极端子盖40具有一个或多个排气孔（未示出）并且被罐12的向内皱褶的顶边和垫圈16保持在合适位置。罐12可以用作负极接触端子。诸如有粘性的标签48的绝缘壳可以应用于罐12的侧壁。
在一个实施例中，在端子盖40的外围法兰和电池盖14之间设置有正温度系数（PTC）设备42，正温度系数设备42实质上限制了滥用电气条件下的电流流动。在另一实施例中，电池10还可以包括泄压孔。电池盖14具有包括向内突出中心排气井28的开孔，排气井28的底部具有排气孔30。所述开孔被排气球32和薄壁热塑料形轴衬34密封，薄壁热塑料形轴衬34被压缩在排气井28的竖直壁和排气球32的外围之间。当电池内部压力超过预定水平时，所述排气球32，或所述排气球32和轴衬34两者，被迫使离开所述开孔以释放来自电池10的加压气体。在其它实施例中，减压排气孔可以是由断裂膜封闭的开孔（类似于美国专利7,687,189所公开的，该专利通过引用合并与此），或者具有可以被撕破或以其它方式破裂的相对细区域（诸如矩形槽）的膜，以在电池的一部分（诸如密封板或容器壁）中形成排气孔。
在每个电极和相对的外部电池端子之间维持电连接，所述外部电池端子靠近壳体或与壳体集成。在一个实施例中，电极引线的端子部分布置在电极装配件的侧壁和罐的侧壁之间，并且可以在电极装配件插入到罐之前具有优选地为非平面的形状，非平面的形状增强了与罐的侧壁的电接触并且提供弹簧类的力以使所述引线偏向罐的侧壁。在电池制造期间，所述引线的成形端子部分可以变形，例如，朝向电极装配件的侧面变形，以有助于所述引线插入所述罐中，随后所述引线的端子部分可以朝向其初始非平面形状部分地弹回，但是保持至少部分地被压缩以向罐的侧壁的内表面施加力，由此与所述罐形成良好的物理接触和电接触。在美国专利7,618,742中公开了这样的引线的一个例子，通过引用将其合并于此。可替换地，该电连接和/或电池中的其它连接也可以通过焊接的方式保持。
电引线可以由将阳极（或负极）连接到电池的一个端子（在图1所示的FR6电池情况下为罐）的薄金属条形成。这可以通过在阳极的一部分内嵌入所述引线的一端来实现，或者通过简单地将诸如所述引线的一部分（例如其一端）按压到锂箔的表面上来实现。锂或锂合金具有粘性，并且通常所述引线和电极之间的至少轻微的、足够的压力或接触将这些部件焊接在一起。可以在将负极缠绕到卷芯配置中之前，对负极设置所述引线。所述引线还可以通过合适的焊接连接到锂和/或其它部分。
包括引线36的金属条常常是由镍或镍镀钢形成，镍或镍镀钢具有充分低的电阻（例如，通常低于15mΩ/cm，且优选地低于4.5mΩ/cm）以使得电流经过所述引线充分输出。合适的负电极引线的材料的例子可以包括但不限于铜、铜合金，例如铜合金7025（铜镍合金，包括约3%的镍、约0.65%的硅、和约0.15%的镁，剩下的是铜和少量杂质）；铜合金110；以及不锈钢。引线的材料应该被选择为使得包括非水电解质的电化学电池内的合成物稳定。
电池容器常常是具有封闭底部的金属罐，诸如图1中的罐。罐的材料和容器壁的厚度将部分地取决于电池中使用的活性材料和电解质。常用的材料类型是钢。例如，罐可以由冷轧钢（CRS）形成，并且可以至少在外面镀有镍以保护罐的外面不被腐蚀。通常，根据本发明的CRS容器针对FR6电池可以具有7-10mil的壁厚，针对FR03电池可以具有6-9mil的壁厚。可以改变电镀类型以提供各种程度的耐腐蚀性，以改进接触阻抗或提供所期望的外表。钢的类型可以部分地取决于容器形成的方式。对于拉伸罐（drawn can），钢可以是扩散退火的、低碳的、脱氧铝、SAE1006或等效的钢，其颗粒尺寸是ASTM9-11并且等轴，具有略微细长的颗粒形状。其它钢（诸如不锈钢）可以用于满足特殊需要。例如，当所述罐与阴极电接触时，不锈钢可以用于提高对阴极和电解质引起的腐蚀的耐受性。
电池盖可以是金属的。可以使用镍镀钢，但是不锈钢也常常是所期望的（尤其当封闭物和盖电接触阴极时）。盖的形状复杂度也是材料选择的一个因素。电池盖可以具有简单形状，诸如厚的平坦的碟，或者其可以具有更复杂的形状，诸如图1示出的盖。当盖具有如图1的复杂形状时，可以使用具有ASTM8-9颗粒尺寸的304型软退火不锈钢，以提供期望的耐腐蚀性并且使金属成型更方便。形成的盖也可以被电镀，例如使用镍进行电镀，或由不锈钢或其它已知金属及其合金形成。
端子盖应该对电池的制造和使用中通常遇到的周围环境中的水或其它腐蚀物具有良好的耐腐蚀性，端子盖还应该具有良好的导电性以及在其于用户电池中可见时具有吸引人的外表。端子盖常常由镍镀冷轧钢形成，或者由在所述盖形成之后进行镀镍的钢形成，虽然不锈钢也是可以的。当端子位于减压排气孔之上时，端子盖通常具有一个或多个孔以协助电池排气。
用于使罐和封闭物/端子盖之间密封完美的垫圈可以由提供所期望的密封属性的任何合适的热塑料材料形成。材料的选择部分地基于电解质合成物。合适材料的例子包括聚丙烯、聚亚苯基硫化物、四氟化物-全氟烷亚乙烯基共聚物、聚丁烯对苯二酸酯、及其组合。优选的垫圈材料包括聚丙烯（例如，美国特拉华州威尔明顿市的Basell Polyolefins公司的
Figure BDA00002836331300151
6524）和聚亚苯基硫化物（例如，美国德克萨斯州Woodlands市的Chevron Phillips公司的XTELTM XE3035或XE5030）。还可以将少量的其它聚合物、增强的无机填料、和/或有机化合物添加到垫圈的基体树脂中。可以在美国专利公开No.20080226982和美国专利No.7,670,715中找到合适材料的例子，这些文件通过引用合并于此。
垫圈可以涂覆有密封剂以提供最好的密封。三元乙丙橡胶(含双环戊二稀)（EPDM）是合适的密封剂材料，但是也可以使用其它合适的材料。
可以使用合适的工艺对电池进行封闭和密封。这种工艺可以包括但不限于压接、再拉延、镶嵌、及其组合。例如，对于图1中的电池，在电极和绝缘锥插入之后，在罐中形成卷边，并且垫圈和盖装配件（包括电池盖、接触弹簧、及排气轴衬）被放在罐的开口端。电池被支撑在所述卷边处，同时垫圈和盖装配件被向下压，贴着所述卷边。所述卷边上的罐的顶部直径可以被减小而具有一段框，以将垫圈和盖装配件保持在电池中的适当位置。在将电解质通过排气轴衬和盖中的开孔分配到电池中之后，排气球被插入到轴衬中以密封电池盖中的开孔。PTC设备和端子盖被放置到电池的电池盖上，并且罐的上边缘被压接膜向内弯曲以保持和支持垫圈、盖装配件、PTC设备、及端子盖，并且完成由垫圈对罐的开口端的密封。
阳极包括锂金属条带（有时称为锂箔）。虽然对于电池级别来说锂的纯度总是高的，但是锂的合成物也可以变化。锂可以与诸如铝的其它金属形成合金，以提供所期望的电池电性能或处理方便性，尽管锂在任何合金中的含量都应该尽可能地最大化，从而针对高温应用（即，纯锂的熔点之上）特别设计的特殊合金并不是优选的。合适的电池级别的锂铝箔（包含0.5重量百分比的铝）可从美国北卡罗莱纳州金斯芒廷市Chemetall Foote公司得到。基本上由锂或锂合金构成（例如，0.5重量百分比的铝和99+重量百分比的锂）的阳极是优选的，需要强调在任何这样的合金中都应该最大化活性材料（即，锂）的量。
如图1中的电池，阳极不需要单独的集电器（即，阳极所焊接或涂覆于其上的导电元件（诸如金属箔），或沿阳极长度的实质部分延伸使得集电器将被螺旋形地缠绕到卷芯中的导电条带），这是由于锂具有高导电性。通过不使用这样的集电器，使得容器内针对诸如活性材料的其它成分有更多可用空间。如果使用阳极集电器，那么阳极集电器可以由铜和/或其它一些在被暴露于电池的其它内部成分（例如，电解质）时为稳定的合适的高导电金属制成。
隔板是离子可渗透的且电绝缘的薄微孔膜。所述隔板能够在隔板的孔内保持至少某些电解质。隔板置于阳极和阴极相邻的表面之间以使这两个电极彼此绝缘。隔板的一些部分还可以将与电池端子电接触的其它部分绝缘，以防止内部短路。隔板的边缘通常延伸到至少一个电极的边缘之外，以确保即使阳极和阴极没有彼此完全对准，阳极和阴极也不会电接触。但是，理想的是，使隔板延伸到电极之外的量最小化。
为了提供良好的高放电性能，理想的是，隔板具有1994年3月1日发布的美国专利No.5,290,414公开的特性（具有最小尺寸是至少约0.005um且最大尺寸不大于5um的孔，空隙率在约30-70%的范围中，区域特定阻抗是2-15欧姆/平方厘米，以及弯曲度小于2.5），该专利通过引用合并于此。在美国专利公开No.20080076022中描述了其它期望的隔板属性，该专利公开通过引用合并于此。
隔板通常由聚丙烯、聚乙烯、或其两者构成。隔板可以是单层的双轴定向的微孔膜，或可以是层叠的两层或更多层，以提供正交方向中所需的拉伸强度。优选是单层的以使成本最小化。膜可以具有优选的16-25微米的厚度。美国纽约州马其顿市的Tonen Chemical公司和俄勒冈州黎巴嫩市的Entek Membranes公司可以提供可用的合适隔板。
仅包含非常少量的水（例如，通常少于2000百万分率重量，更优选地少于约500百万分率重量，这取决于使用的电解质盐）的非水电解质可用于本发明的电池中。电解质包含在一种或多种有机溶剂中解离的一种或多种锂基电解质盐。合适的盐包括以下中的一种或多种：溴化锂、高氯酸锂、六氟磷酸锂、六氟磷酸钾、六氟砷酸锂、三氟甲基磺酸锂、及碘化锂，虽然所述盐优选地包括I-离子（例如，通过溶剂混合物中碘化锂的解离）。还可以使用一些促使在溶剂混合物中解离出I-离子的添加剂。
合适的有机溶剂包括以下一种或多种：甲酸甲酯、γ-丁内酯、环丁砜、3,5-二甲基异恶唑、n,n-二甲替甲酰胺、及醚类（ethers），其中，由于醚类的低粘性和湿润能力，全部溶剂的至少50体积百分比优选是醚类。优选的醚类可以是非环状结构的（例如，1,2-乙二醇二甲醚、1,2-二乙氧基乙烷、二(甲氧基乙基)醚、三乙二醇二甲醚、四乙醇二甲醚、及二乙醚）和/或环状结构的（例如，1,3-二恶茂烷、四氢呋喃、2-四氢糠酸甲酯、及3-甲基-2-恶唑烷酮）。1,3-二恶茂烷和1,2-乙二醇二甲醚是优选的溶剂，而碘化锂是优选的盐，尽管其也可以与三氟甲磺酸锂、亚氨基锂、或高氯酸锂组合使用。替代衍生物或其它类似物可以用于与上述优选的溶剂组合，或替代上述优选的溶剂。
阴极具有条带形式，包括集电器和涂覆在集电器上的阴极混合物，其中阴极混合物包括通常是颗粒形式的一种或多种电化学活性材料。二硫化铁（FeS2）是阴极混合物中的主要活性材料，优选地以黄铁矿的形式提供。取决于所期望的电池电特性和放电特性，阴极还可以包括少量一种或多种额外的活性材料。额外的活性阴极材料可以是任何合适的活性阴极材料。其它添加剂，诸如导电稀释剂、胶凝材料、及处理加工助剂，也都包括在阴极混合物中。
优选地，用于Li/FeS2电池阴极的活性材料包括至少约95重量百分比的FeS2，并且最优选地FeS2是唯一的阴极活性材料。具有优选纯度等级为至少95重量百分比FeS2（即，“电池级别”）的黄铁矿可以从以下地方获得：美国马萨诸塞州North Grafton市的Washington Mills、奥地利维也纳的Chemetall公司，美国弗吉尼亚州Dillwyn市的KyaniteMining公司。注意对FeS2的“纯度”讨论承认黄铁矿是FeS2的特定且优选的矿的形式。但是，黄铁矿常常具有少量杂质（例如，二氧化硅），由于黄铁矿中仅FeS2是具有电化学活性的，FeS2的百分比纯度是相对于电池中包含杂质的黄铁矿的总量制定的。此外，根据发现的硫和铁的化学计量和/或根据原有的或故意引入的某种掺杂剂（例如，相对少量的金属，优选地一体形成在黄铁矿结构中），黄铁矿可以自然地变化。因此，应该理解，术语黄铁矿和FeS2两者通常都包含自然的或合成的变化物，且对于任何分析特性或电化学计算/反应，将整个电化学活性材料认为是FeS2是恰当的。
以下是用于优选的阴极混合物配制中的代表材料：91%重量-99%重量的黄铁矿、0.1-3.0%重量的导体、约0.1-3.0%重量的胶凝物、0-1.0%重量的处理加工助剂。更优选地，阴极混合物具有95-98%重量的黄铁矿、约0.5-2.0%重量的导体、约0.5-2.0%重量的胶凝物、约0.1-0.5%重量的处理加工助剂。进一步优选地，阴极混合物具有96-97%重量的黄铁矿、约1.0-2.0%重量的导体、约1.0-1.5%重量的胶凝物、约0.3-0.5%重量的处理加工助剂。美国专利公开20090104520公开了优选的阴极配制，通过引用将其合并于此。导体可以包括碳黑、石墨或类似材料，这些材料可以从很多地方获得，例如，从伊利诺伊州芝加哥市的Superior石墨公司或俄亥俄州Westlake市的Timcal公司等。胶凝物可以包括聚合胶凝物，聚合胶凝物包括苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯（SEBS）嵌段共聚物，诸如德克萨斯州休斯顿市Kraton Polymers公司的SEBS嵌段共聚物。美国专利6,849,360描述了处理加工助剂，通过引用将其合并于此。
还期望的是使用具有小的粒子尺寸的阴极材料，尤其是黄铁矿，以使击穿隔板的风险最小化。例如，黄铁矿可以至少通过230网孔（62um）或更小的网孔来被筛滤。更优选地，黄铁矿可以被介质研磨以具有在1-19um之间的平均粒子尺寸，并且最优选的在6-12um之间的平均粒子尺寸，如美国专利公开No.20050233214所述，通过引用将其合并于此。
阴极混合物可以被涂覆到金属性箔集电器上以形成阴极，金属性箔集电器通常是厚度在约16-20um之间的铝箔。阴极混合物包含多种材料，如上所述的，应该小心选择多种材料以在处理加工、导电性、和整体涂覆效率之间取得平衡。这些成分在存在诸如三氯乙烯的溶剂的条件下混合成浆，并且随后涂覆到集电器上。在涂覆之后得到的涂覆层优选地被干燥和高密化，并且最终的涂覆层主要包括二硫化铁（及其掺杂剂和杂质）、胶凝物、一种或多种导电材料、以及各种处理加工助剂或流变助剂；其中胶凝物用于将颗粒材料保持在一起并且将混合物粘合到集电器，一种或多种导电材料诸如金属、石墨、和碳黑粉以向混合物提供改进的导电性，各种处理加工助剂或流变助剂诸如是气相二氧化硅和/或高碱性复合磺酸钙。额外地，已经确定：用于高效应用的锂-二硫化铁电池通过提供使阴极的理论界面输入容量超过与其相关联的阳极的理论界面输入容量而受益，如美国专利No.7,157,185所述，通过引用将其合并于此。因此，在一个实施例中，本发明的电池具有优选的小于1.00（或小于0.95或小于0.90）的界面阳极对阴极输入比。当计算这些比例时，仅应该使用电极的界面对准部分且应该忽略卷芯的最外圆周（即，取决于定位在最外面的缠绕上的电极，半为阳极厚度或阴极涂覆，或者面对容器的内直径）。
使用任何数量的合适工艺，诸如三辊反向（three roll reverse）、刮刀式涂覆、或狭缝式涂覆，将阴极混合物涂覆到箔集电器。在进行干燥以移除任何不想要的溶剂之后或与其同时，经过压延工艺等使得到的阴极条带高密化，以进一步压缩整个正极。由于该条带将与隔板和类似（但不必实质相同）尺寸的阳极条带被螺旋形地缠绕以形成卷芯电极装配件，所述的高密化有助于在卷芯电极装配件中装载最多的电化学材料。
铝箔是优选的阴极集电器，尽管钛、铜、钢、其它金属性箔及其合金也是可以的。如上所述，集电器可以延伸到包含阴极混合物的阴极的一部分之外以提供一个供方便地接触与正极端子连接的电引线的区域。不考虑在集电器和端子之间建立接触的方式，理想的是，消除或最小化“无负载区（mass free zones）”（即，没有阴极涂覆的集电器的部分）以使电池的尽可能多的内部体积可用于活性材料和电解质。额外的或可替换的“无负载区”可以沿着引线（即，形成卷芯的核的部分）或迹线（即，定位于卷芯最外的缠绕/圆周上的部分）边缘设置在阴极的一侧或两侧。在美国专利公开No.20080026293可以找到通常用于阴极的涂覆配置的例子。
阴极不该被过度高密化，这是因为内部阴极空隙有助于：a）补偿放电期间的一些阴极膨胀，以及b）通过有机电解质使二硫化铁变湿。更具体地，对将涂覆层压紧为高密度的可以被施加的力的大小也有一些操作限制，并且集电器上由这些力产生的压力可能导致不期望的拉伸和/或所述涂覆层的实际分层。因此，优选地在最终高密化的阴极中固体封装的百分比必须足以进行电化学反应。优选地，最终固体封装必须在50%-85%之间，更优选地在58%-70%之间。
阴极电连接到电池的正极端子。这可以由电引线来完成，电引线通常是薄的金属条带或弹簧的形式，如图1所示，尽管焊接也是可行的。如果使用了电引线，该引线可以由镍镀不锈钢或其它合适材料形成。在可选的电流限制器件（诸如标准PTC）被用作安全机构以阻止电池的逃逸放电/加热的情况下，合适的PTC由美国加州Menlo Park市的TycoElectronics公司出售。可以在美国专利公开No.20070275298和No.20080254343中找到额外的或可替换的电流限制器件，通过引用将其内容合并于此。
阳极、阴极、及隔板的条带被共同组合至电极装配件中。电极装配件可以是螺旋形缠绕的设计，诸如图1所示，并且可以通过围绕一个卷筒缠绕阴极、隔板、阳极、隔板的交替条带来制成电极装配件。至少一层隔板和/或至少一层电绝缘膜（例如，聚丙烯）可以包装到电极装配件的外侧以将所述装配件保持为一体，将装配件的宽度或直径调整为期望的尺寸和/或以与容器极性和与每个端子电连接相一致的方式对所述装配件进行绝缘。所述隔板的最外端或其它外膜层可以用一块粘合带或通过热熔接被固定住。阳极可以是最外层电极，如图1所示，或者阴极可以是最外层电极。任一电极可以与电池容器电连接，但是可以避免最外层电极和所述容器侧壁之间的内部短路，尤其是可通过将电极装配件的最外层缠绕的极性与所述罐的极性匹配来避免最外层电极和所述容器侧壁之间的内部短路。
在本发明的一个实施例中，可以将卷芯电极装配件构成为，使得沿着电极装配件中的电极界面对准处的轴线区域的装配件中心开孔内的空隙空间（以下也称为核）随着阴极膨胀以受控的且均匀的方式进行收缩。在另一实施例中，电极装配件的核（core）被构成为不会塌下，而是以受控的且均匀的方式将膨胀的阴极向外重新定向。在任一种情况中，电极装配件可以被绕圆柱形棒同心地布置，所述圆柱形棒插入到电极装配件中或与所述电极装配件一体地制造以作为所述核。额外地或可替换地，电极装配件可以以控制所述电极装配件中所述核的形状的方式被压缩或缠绕。在每个实例中，有意地控制所述电极装配件的所述核，使适于使所述电极装配件随着电池随后放电而均匀地维持其整体性。也就是说，对所述电极装配件进行控制使得所述装配件中的各个电极和所述隔板不会被击穿、分裂、或不因引起电池短路和/或期望容量的损失而受影响。
在优选实施例中，圆柱形棒被插入到电极装配件的中心开孔中。值得注意的是，容器形状的内圆周直径是典型的圆形，同时圆柱形棒的外圆周直径（在本申请中也可替换地指剖面形状）可以具有与所述容器相同的形状或如稍后详细所述的不同形状。所述棒的示意性剖面形状包括圆形、椭圆形、矩形、三角形、或C形，同时所述容器的示意性剖面形状是圆形或矩形。与所述核形状的圆周的剩余部分相比较，非圆形的棒的优选剖面形状将包括至少一个实质上平坦的部分，使得沿所述核具有凹口部分，同时所述容器的优选的剖面形状是圆形，其中所述凹口具有在所述中心开孔的内直径和电极装配件的外直径（即，所述容器的内直径）之间的较长的半径。所述棒的高度优选地与用于容纳电极装配件的容器的内部分的高度相匹配；但是，在某些实施例中，可以利用仅与整个电极装配件的一部分高度相适应的棒。
所述棒可以由具有足够强度的实心或中空材料制成，以适应如上所述的电极装配件。所述材料必须是稳定的且不与电池内的电解质、活性材料、及其它成分反应的。同样地，用于其它非活性内部成分的任何前述金属或聚合物可以是用于核材料的候选。优选材料包括铝、不锈钢、镍镀冷轧钢、聚丙烯、聚乙烯、及乙烯三氟氯乙烯共聚物。如果中空，所述棒可能会也可能不会塌下，和/或可以与电池中存在的排气或其它机构和成分一体形成。所述棒还可以包括其它一体的部分，诸如法兰或狭缝，以容纳所述电极装配件成分的一部分并且使缠绕工艺流线化和简化。所述棒可以被设置为保持在电极装配件中的一体的卷筒（由此作为圆柱形棒，也称为“实心核缠绕”）。
所述核还可以一体地形成为阴极集电器的一部分。在一优选实施例中且如美国专利公开No.2008/0026293所述的，集电器的未涂覆部分定位于所述电极装配件中或靠近所述电极装配件的卷筒。由于未涂覆箔的部分优选地定位在卷筒内，该缠绕工艺将使得未涂覆的部分形成电极装配件的非塌下的核。根据该实施例，可以设置至少一圈被涂覆的或未涂覆的阴极。这种类型的核可以拥有如上所述棒的相同形状和特征。
其它控制电极装配件使适于均匀地维持电极装配件的整体性和/或均匀地使由所述电极装配件的中心开孔限定的空隙空间塌下的方法也是可以的，其中可以使用或不使用圆柱形棒或一体的集电器核。例如，作为电极装配件的制造工艺的一部分，可以缠绕阳极、阴极、及隔板，并且随后压缩最终的装配件以使所述核具有前述形状中的一种。额外地或可替换地，缠绕工艺自身可以变化以实现相同的意图。举例说明而非限制，这些变化可以包括使用成形的卷筒，改变一个或多个缠绕元件的速度或张力等。可以期望，阴极集电器的相对刚性可以帮助保持整个电极装配件的均匀性质。这里，以上针对所述棒所述的形状也适用于该类型的核。
图2A-图2C示出了通过使用圆柱形棒（未示出）或者通过本申请所述的其它方法得到的适合的电极装配件的供比较的剖面形状。在这些图的每幅图中，电化学电池100包括具有电极装配件110的容器102，电极装配件110具有设置在其中的中心开孔112。图2A示出了可以被应用到电极装配件的椭圆形状，尽管可以理解，实质上以相同方式成形的棒（即，具有相同的剖面形状）可以被插入到开孔112中。图2B示出了平坦的矩形或C形，同时图2C是三角形。其它优化的形状也是可行的，而不偏离本发明的原则。虽然图2A中未示出，但是在图2B和图2C中示出了引线114的示意性定位。同样，在图2A到图2C中，电极装配件内的电极旨在具有均匀的厚度，尽管一些图形表示可能无意地表现出一些部分或间隙可能大于其它部分或间隙。
关于所述引线，任何电极引线（阳极或阴极）的位置可以沿所述核的形状周向对准，以进一步优化本发明的益处。例如，引线可以附着到成形核的“平坦”部分，以减少随着电池放电和阴极膨胀由引线引起的压力。由于在所述核的外直径上最接近所述容器的内直径的点（即，两者之间具有最短距离）处可能在放电期间产生更高压力，任何引线的优选位置将是在电极装配件的最外层缠绕上或其附近的、与在引线位置和所述核之间具有最大距离的部分对应的位置处。在该实施例中，所述核可以包括如上所述的圆柱形棒。
其它策略可用于进一步突出本发明的益处。例如，在非塌下核的情况中，可以在所述容器的内直径和所述电极装配件的外直径之间布置间隙或连续的空隙。在该实施例中，全部引线被优选地焊接到容器和/或顶盖以使任何断开连接的风险最小化。另一方法是在集电器向外（即，远离所述核）的侧面上涂覆更多的阴极混合物以及更多的活性材料。固体包装/负载的增加可能导致集电器的该侧产生更大的膨胀力，这使得将向外侧方向推动整个电极装配件。通过增加集电器的该特定侧上阴极混合物的负载或固体包装，可以布置额外的阴极材料。
制造电化学电池的方法，更具体地制造锂-二硫化铁电池的方法，也是所设想的。这些方法简单地采用前述原则并且将其应用到生产环境中。
不希望受任何特定理论的限制，所有前述实施例中所述核的主要功能之一是随着电池放电均匀地重新定向阴极的膨胀。以前认为电池设计必须包括充足的空隙空间以允许这种膨胀，所述空隙空间的大部分被包含在电极装配件的中心开孔中。随着在放电期间发生阴极的径向膨胀，向内的力被施加至所述电极装配件的中心开孔。这些向内的力使得所述圆形开孔变形，引起高压力点以及各个电极的移动。向内的力和电极移动的组合效果随后产生局部的高压力点，这可能会引起电极之间的短路。诸如阴极材料或涂覆层中的微小变化的其它因素还可能因随着电池的放电产生的持续变坏的不同的膨胀率，进一步促成这些压力点的产生。最后，这些压力点可以击穿所述隔板和/或引起一个电极或两个电极中的连接断开。由于电引线存在于装配件的缠绕内，这些压力点的影响可以被进一步扩大。
图3A和图3B示出了现有技术的锂-二硫化铁电极装配件的剖面图“之前和之后”的负极图像。在图3A中，中心开孔112具有与容器102相同的圆形。图3B示出了以250mA放电连续消耗到0.8伏截止后的同一电池。在图3B中，中心开孔112已经以非均匀的方式清晰地塌下，其中其内直径/圆周的锯齿状边缘指示前述压力点的可能情况和影响。同样地，注意图3A和图3B两者都是电池的真实图像；因此由中心开孔提供的（与隔板或阴极涂覆中存在的空隙相比）较大体积的空隙应该是显然的。
考虑到上述内容，通过减少或消除之前认为是必须的中心开孔中的空隙空间，并且相反均匀地控制阴极如何以及向哪里膨胀（即，控制电极装配件的核使适应要求），现在可以在电池整个放电寿命中保持电极装配件的整体性。结果，使用这些创造性构思的电池输出更加恒定且可靠的服务，并且改进了电池的整体平均容量，尤其是低消耗率（例如，连续≤20mA）和高温（例如，≥60℃）时的容量。
阴极涂覆层中的FeS2的量可以通过分析制造电池前的混合物或者通过确定配制后的铁含量且将检测到的铁含量与阴极中黄铁矿的重量百分比相关联而确定。对制造后的铁含量进行测试的方法可以通过将已知量（以质量和体积/面积为单位）的阴极溶解在酸中，随后使用公共的量化分析技术（诸如使用电感耦合等离子体发射光谱法或原子吸收光谱法）测试溶解的样本中铁的总量来进行。根据该方法对已知的被涂覆的阴极配制的测试已经证实铁的总含量能够表现电池中FeS2的含量（特别是在使阴极涂覆层中的FeS2的纯度最大化而所需的程度上）。还可以使用比重瓶确定阴极密度，尽管某些胶凝物暴露在锂-二硫化铁电池的内部环境中时会经受体积改变，使得由该方法建立的密度可能需要被进一步调整以达到阴极干燥混合密度。
值得注意地，对样本中铝的含量的试验将允许以类似的方式（例如，ICP-AES或AA光谱学）计算集电器的厚度（当集电器是铝时）。取决于胶凝物、处理加工助剂等这些成分的原子和/或分子合成物，可以使用其它类似的分析技术来试验胶凝物、处理加工助剂等。可以使用类似的分析技术和定量/定性技术等来分析阳极、密封元件和/或隔板。
就阴极（或被电解质影响的任何其它电池成分、特点、或特征）的单位面积的重量将从已经制作的电池中确定来说，应该使用合适的溶剂漂洗所述阴极/成分，以移除剩余的任何电解质且使所述阴极/成分完全干燥以确保电解质的溶质或溶剂不会影响测量。在仅期望多成分部分的一个方面时，经过如上所述的对集电器的合适的经验分析，也可以从测量中减去一些构成部分（例如，阴极的集电器）的贡献。本领域技术人员可以容易地开发出额外的、可替换的、或令人称赞的技术和分析，以进一步协助确定相关的特征。
上述说明的全部内容特别相关于FR6和FR03电池。但是，本发明可以适应于其它尺寸的圆柱形电池以及具有其它阴极涂覆方案和/或密封和/或减压排气孔设计的电池，其中电池的侧壁高度超过容器的直径。
实施本发明的人将进一步理解本发明的特征和其优点。此外，可以实现如上所述装配的电池成分和性能的某些实施例。实施本发明的人和本领域技术人员将理解，可以对本发明做出各种修改和改进而不偏离所公开的构思的教示。由权利要求和法律允许的解释宽度确定保护范围。

Claims (36)

1.一种5伏锂-二硫化铁一次电池，包括：
圆柱形容器，其具有覆盖在该容器的开口端之上的顶盖；
螺旋形缠绕的电极装配件，其包括阳极、聚合物隔板、及阴极，其中，所述阳极本质上由锂或锂合金的金属性箔组成，所述阴极包括阴极混合物，所述阴极混合物包括至少部分地涂覆在金属性集电器两侧上的二硫化铁；以及
核，其同心地置于所述电极装配件内，以随着所述电池放电促进所述阴极混合物的均匀膨胀。
2.根据权利要求1所述的电池，其中，所述核包括惰性的圆柱形棒。
3.根据权利要求2所述的电池，其中，所述棒由绝缘聚合物构成。
4.根据权利要求3所述的电池，其中，所述聚合物选自:聚丙烯、聚乙烯、及乙烯三氟氯乙烯共聚物。
5.根据权利要求1所述的电池，其中，所述核包括所述阴极的一部分。
6.根据权利要求5所述的电池，其中，所述阴极在所述核处的该部分未被阴极混合物涂覆。
7.根据权利要求5所述的电池，其中，所述阴极的该部分构成所述螺旋形缠绕的电极装配件的多于一圈的缠绕。
8.根据权利要求1所述的电池，其中，所述核具有与所述容器的剖面形状不同的剖面形状。
9.根据权利要求8所述的电池，还包括：至少一个引线，其在一个被选择为减少在所述电池放电时由所述引线引起的所述电极装配件上的压力的点处贴附于所述电极装配件。
10.根据权利要求1所述的电池，其中，所述核的剖面形状选自：圆形、椭圆形、矩形、三角形、或C形。
11.根据权利要求1所述的电池，其中，所述核被构成为随着所述电池放电以均匀方式塌下。
12.根据权利要求1所述的电池，其中，所述金属性集电器具有外向面和内向面，以及其中涂覆到所述外向面的二硫化铁比涂覆到所述内向面的二硫化铁更多。
13.根据权利要求1所述的电池，还包括：焊接引线，其将所述电极装配件电连接到所述容器或所述顶盖，并且其中，所述电极装配件的外直径和所述容器的内直径使得在所述电池放电之前，在所述内直径和所述外直径之间存在连续的空隙。
14.根据权利要求1所述的电池，其中，所述核包括卷筒。
15.一种电化学电池，包括：
圆柱形容器，其高度大于直径；
螺旋形缠绕的电极装配件，其包括阳极、隔板、及阴极；以及
圆柱形核，其同心地置于所述电极装配件内，并在所述容器的整个高度上具有不同于所述圆柱形容器的剖面形状的剖面形状。
16.根据权利要求15所述的电化学电池，其中，所述圆柱形容器的剖面形状是圆形。
17.根据权利要求16所述的电化学电池，其中，所述圆柱形核的剖面形状选自：椭圆形、矩形、三角形、或C形。
18.根据权利要求15所述的电化学电池，其中，所述圆柱形核是中空的。
19.根据权利要求15所述的电化学电池，其中，引线在所述电极装配件内贴附于靠近所述核的剖面形状的平坦圆周部分处。
20.根据权利要求15所述的电化学电池，其中，所述核被构成为随着所述电池放电以均匀方式塌下。
21.根据权利要求15所述的电化学电池，其中，所述核包括卷筒。
22.一种制造锂-二硫化铁一次电池的方法，包括：
产生螺旋形缠绕的电极装配件，所述电极装配件包括锂或锂合金的阳极和二硫化铁的阴极，所述二硫化铁至少部分地涂覆在薄金属条带的两侧，使得所述电极装配件具有外圆周形状和中心开孔，其中所述中心开孔具有内圆周形状；
控制所述电极装配件使适于，当所述电池随后放电时均匀地维持所述电极装配件的整体性；以及
将所述电极装配件布置在高度大于直径的圆柱形容器内。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，通过在所述电极装配件的所述中心开孔内同心地布置圆柱形棒，以实现所述的对所述电极装配件的控制。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述圆柱形棒被设计为随着所述电池放电以均匀方式塌下。
25.根据权利要求23所述的方法，其中，所述圆柱形棒的外圆周形状i）与所述中心开孔的内部形状匹配，并且ii）与所述圆柱形容器的形状不同。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述圆柱形棒的外部形状选自：椭圆形、矩形、三角形、或C形。
27.根据权利要求22所述的方法，其中，通过物理地压缩所述电极装配件以改变所述中心开孔的内部形状，以实现所述的对电极装配件的控制。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述中心开孔的内部形状选自：椭圆形、矩形、三角形、或C形。
29.根据权利要求23所述的方法，其中，通过在所述薄金属条带的一侧涂覆比另一侧更多的二硫化铁，以实现所述的对电极装配件的控制。
30.根据权利要求23所述的方法，其中，所述电极装配件具有外直径且所述容器具有内直径，并且所述电极装配件置于所述容器内，使得在所述电池放电之前，在所述内直径和所述外直径之间存在连续的空隙，并且所述方法还包括将与所述电极装配件电连接的引线焊接到所述容器或安装在所述容器的开口端上的顶盖。
31.根据权利要求23所述的方法，其中，所述圆柱形棒是用于产生所述螺旋形缠绕的电极装配件的卷筒。
32.一种制造电池的方法，包括：
产生螺旋形缠绕的电极装配件，使得所述电极装配件具有外圆周形状和中心开孔，其中所述中心开孔具有内圆周形状；
控制所述电极装配件使适于，使所述中心开孔具有不同于所述装配件的所述外圆周形状的形状；以及
将所述电极装配件布置在高度大于直径的圆柱形容器内。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，通过在所述电极装配件的所述中心开孔内同心地布置圆柱形棒，实现所述的对电极装配件的控制，并且其中，所述圆柱形棒的外圆周形状i）与所述中心开孔的内部形状匹配，并且ii）与所述圆柱形容器的形状不同。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述圆柱形棒的外圆周形状选自：圆形、椭圆形、矩形、三角形、或C形。
35.根据权利要求33所述的方法，其中，所述圆柱形棒是用于产生所述螺旋形缠绕的电极装配件的卷筒。
36.根据权利要求32所述的方法，其中，通过在物理上压缩所述电极装配件，实现所述的对电极装配件的控制。
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Jacobs Batteries FOR LIFE
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