[發明專利]電化學電池、其制造方法及其所含的插入電極

無效

• 申請號: 200910253233.1
• 申請日: 2004-09-21
• 公開（公告）號: CN101807718A
• 公開（公告）日: 2010-08-18
• 發明（設計）人: 岡瑟·漢比特澤;L·津克;H·比奧澤;M·博克;C·里普
• 申請（專利權）人: 岡瑟·漢比特澤
• 主分類號: H01M10/058
• 分類號: H01M10/058;H01M4/139;H01M4/13;H01M4/587;H01M10/0525;H01M10/056
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 劉春元;李家麟

本申請是申請號為200480027573.8、申請日為2004.09.21、發明名稱為“電化學電池”的發明專利申請的分案申請。

技術領域

本發明涉及一種電化學電池，其具有負電極(陰極)、包含導電鹽的電解質和正電極(陽極)。本發明尤其指的是堿金屬電池，其中活性物質是堿金屬，在對電池充電時，所述堿金屬被存儲在負電極中和/或負電極上。但是，活性物質也能夠是其他金屬，尤其是堿土金屬或者周期系的第二組的金屬。電解質的導電鹽由形成活性物質的金屬陽離子和相配的陰離子組成。在堿金屬電池的情況中，堿金屬的四鹵化鋁酸鹽(例如LiAlCl₄)優選地被用作導電鹽。

背景技術

例如下面主要參考堿金屬電池、尤其是鋰電池。然而，這不應被理解為是對本發明一般適用性的限制。

對于這種電池典型的是一種由多個堆疊的層組成的結構，所述層的面積尺寸比其厚度大的多。它們具有大致相同大小的面積尺寸，并且在電池中以夾層方式被上下堆疊地布置。具有通常為長方體狀的外殼和直的層的棱柱形電池以及在其內部各個層為圓柱狀盤繞的圓柱形電池是常見的。

通常的電池具有至少三層，也即負電極、正電極和隔離物，其在電氣上和在機械上分開兩個電極。該隔離物必須解決以下難題：

-它應該保證正電極和負電極的電分離，在未電分離的情況下，電池不能運行。

-它應該有助于確保在電極之間液態電解質的均勻分布。

-它應該保證陽極室和陰極室的機械分離，但是另一方面在電池的兩個子室之間不僅應該保證所需要的電解質輸送而且應該保證氣體輸送。

-它應該可靠地防止電極之間的短路。在此，如果在對電池充電時活性金屬被沉積到電極的表面，則產生特殊問題。

如果活性物質尤其在多個充電和放電循環之后不是作為具有平坦表面的平滑層被沉積，而是以部分線狀形狀被沉積，那么上述問題尤其嚴重。特別在堿金屬電池、尤其是鋰電池情況下，在對電池充電時，形成具有(對于具有特定電解質的特定電池)基本相同直徑的未分叉的線，所述線雜亂生長成團，并且被稱作須。須的形成歸因于，由于自放電反應而在反應的活性金屬表面上形成并不完全均勻的薄覆蓋層。因此，電解沉積的活性金屬優選地在更薄的位置上生長穿過覆蓋層，并且然后分別在線的末端繼續生長。

由于形成這種線狀形狀，隔離物在機械上嚴重受力。另一方面，適當材料的選擇由其他要求限制：

-隔離物材料在電池中必須是惰性的；

-它必須盡可能薄，以便能夠實現高能量密度；

-此外，電池的特性數據和其使用壽命另外由隔離物對于電解離子的滲透性共同決定；

-隔離物的成本必須是可承受的。

完美地起作用的隔離物在鋰離子電池和鋰聚合物電池中是特別重要的。如果在那里鋰金屬被沉積在負電極的表面上，那么高反應性金屬在任何情況下都不能與正電極接觸，因為由這種接觸所引起的短路立即會導致被稱為“熱失控”的未受控制的反應結果。這種電池的有機電解液將會不受控制地燃燒或者甚至爆炸。由于這些風險，一般只以相當小的規模制造所述電池類型。另外，采取附加的、首要的是電子的安全措施。

在所述電池類型中，負電極通常被構成為所謂的“插入電極”。該概念一般表示以下電極，即所述電極如此在其內部包含活性金屬，使得在對電池充電和放電時就準備與電解質進行交換。在鋰離子電池和鋰聚合物電池中，負電極是基于石墨的插入電極，在其內部，在對電池充電時，導電鹽的金屬離子被吸收。如果可能的話，應該如此運行電池，使得避免活性金屬在電極表面上沉積的運行狀態。但是，這在實際上僅僅能夠利用耗費巨大的電子措施來實現，通過所述電子措施可靠地避免電池的過充電以及以相當高(超過適用于各個電池的極限值)的電流強度充電。該電子系統必須極其準確(斷路電壓例如為4.2V±0.01V)并且極其可靠(每1億塊最多出現一個錯誤)。通過這種措施大大增加了成本。然而，仍存在一定風險。

發明內容

據此，本發明的任務是，提供一種可重復充電的電化學電池，尤其是堿金屬電池并且首要的是鋰電池，通過其以盡可能少的耗費實現盡可能高的安全標準，其中各個電池類型的有利特性(在鋰電池情況下尤其是其未被超過的高能量密度)應該完全保持或者甚至應該被進一步改善。

根據本發明的第一主要方面，該任務通過具有負電極、包含導電鹽的電解質和正電極的電化學電池來解決，其中電解質以SO₂為基礎，并且在正電極和負電極之間的中間室被如此構成，使得當對電池充電時，沉積在負電極上的活性物質可能這樣與正電極接觸，以致在其表面上發生局部受限制的短路反應。