合成黄铁矿的制备方法技术

制备高纯度的合成ＦｅＳ２的方法和在正电极中使用该合成ＦｅＳ２的电化学电池。合成ＦｅＳ２可以用硫化工艺制备，所述硫化工艺包括使氧化铁、硫化氢和元素硫在高于元素硫的熔点的温度下进行反应。合成ＦｅＳ２也可以用研磨工艺生产，该工艺包括（ｉ）在研磨介质和加工助剂存在下研磨铁粉和硫粉，以形成均匀的粉末混合物，和（ｉｉ）处理所述粉末混合物，以形成ＦｅＳ２。在研磨工艺中，可以通过加热粉末混合物或使粉末混合物经受后续研磨操作对粉末混合物进行处理以形成ＦｅＳ２。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术提供一种或多种生产合成二硫化铁(FeS2)，尤其具有黄铁矿晶体结构的 FeS2的方法。本专利技术还提供包含合成FeS2的阴极和包括这种阴极的电化学电池。
技术介绍
锂电池(含金属锂为负电极活性材料的电池)，作为具有大功率操作要求的电子 设备的便携式电源，已变得越来越普遍了。常用锂电池包括锂/ 二氧化锰(Li/Mn02)和锂/ 二硫化铁(Li/FeS2)电池，每种电池的标称电压分别为3. 0和1. 5V。电池制造商一直致力于设计放电容量更大的电池。这可通过最小化电池内被包括 密封和放气口在内的外壳所占的体积，从而最大化可用于活性材料的内部体积来实现。但 是，在最大化内部体积方面存在实际限制。例如，Li/FeS2电化学体系在放电和形成反应产 物时体积会增加。因此，电池设计应加进足够的空隙容积，以适应体积增加。增加放电容量的另一个方法是改进电池内部设计和材料。如何最佳地实现这一 点，可至少部分取决于靠电池供电的设备的放电要求。对于具有低功率要求的设备，活性材 料的量往往非常重要，而对于具有大功率要求的设备，则放电效率往往更重要。锂电池常被 用在大功率设备中，因为它们在大功率放电时能够具有优良的放电效率。一般而言，电池的放电效率随放电功率的增加而迅速减小。因此，对于大功率，提 供高放电效率是优先的。这常常意味着要采用含较少活性材料的设计，这样就牺牲了低功 率和低速放电时的容量。例如，为了实现良好的大功率放电效率，希望负电极(阳极)与正 电极(阴极)之间的界面面积与电极的体积之比是高的。这一点常靠使用较长的薄电极带 一起缠绕在线圈内的螺旋缠绕电极组件来实现。除非电极组合物具有高导电率，如此长的 薄电极一般都需要沿电极带相当部分长度和宽度延伸的集流体。电极的高界面表面积也意 味着需要更多的隔离体材料才能使正、负电极彼此电绝缘。由于电池的最大外部尺寸通常 是按工业标准或设备内电池室的尺寸和形状设定的，所以增加电极界面面积也意味着不得 不减少活性电极材料的可用量。为了最大化大功率性能而减少电池活性材料的装料量，对于拟兼用于高功率和低 功率用途的电池不如对仅拟用于大功率的电池理想。例如，AA尺寸1.5V Li/FeS2(FR6尺 寸)电池拟用于大功率应用，如摄影闪光灯和数码相机以及作为常用于较低功率设备中的 AA尺寸1. 5V碱性Ζη/Μη02电池的一般代用品。在这类情况下，最大化大功率放电效率和电 池输入容量都很重要。虽然一般希望最大化任何电池内的电极输入容量，但对于较低功率 的用途，这样做的相对重要性更大。 为了最大化电池内活性材料的装料量并削弱增加电极界面面积对其的影响，宜采 用尽量少占电池内部体积的隔离体材料。但这样做存在实际限制。隔离体应能承受电池制造工艺而不受损伤。隔离体还应在阳极与阴极之间提供足够的电绝缘和离子输运性以及， 理想地，这样做不会在电池受到处理、运输、储藏和使用中的正常和预期非正常条件作用时 产生导致阳极与阴极之间内部短路的缺陷。 隔离体的性能可以用多种方法加以改进，以提高强度和耐损伤性。实例已公开在 U. S.专利5，952，120 ；6, 368, 742 ；5，667，911和6，602，593中，所有这些文献都全文引于此 供参考。但是，基于如下因素电池化学、电极设计和特征、电池制造工艺、计划的电池用途， 预期的储藏和使用条件等，为提高强度所做的改变也可能会负面影响隔离体的性能。对于某些电池化学，最大化电池内活性材料的量可能更难。在锂电池内，当活性阴 极材料与锂反应而产生总体积大于反应物体积的反应产物时，电极组件的膨胀在电池内产 生附加力。这些力会造成电池外壳鼓突和穿透隔离体的短路。解决这类问题的可能方案包 括用坚固(通常较厚)材料作电池外壳和电池内的惰性部件。但是，与反应产物体积较小 的电池相比，用较厚的材料就会进一步限制使用这类活性材料的电池内可用于活性材料的 内部体积。对于Li/FeS2电池，已公开在U. S.专利4，379，815中的另一个可能的解决方案 是，通过将另一种活性材料与FeS2混合来平衡阴极膨胀和阳极收缩。这类活性阴材料材料 包括CuO、Bi203、Pb2Bi2O5^ Pb3O4, CoS2和它们的混合物。但是，在阴极混合物中添加其它活 性材料可能影响电池的电特性和放电特性。就在电池制造商不断试图提高放电容量时，他们也一直在努力改进其它电池特 性，如安全性和可靠性；制造更耐内部短路的电池对两者都有贡献。正如从以上讨论可见， 为提高耐内部短路性所做的改变，对最大化放电效率可能是事与愿违的。用于电化学电池阴极内的黄铁矿或二硫化铁(FeS2)颗粒一般都衍生自天然矿物， 经粉碎、热处理并干磨到颗粒尺寸为20 30 μ m。研磨的细度受颗粒与空气和湿气反应性 的限制。随颗粒尺寸的减小，其表面积增大且更易大气老化。大气老化是氧化过程，在该过 程中，二硫化铁与湿气和/或空气反应，生成硫酸铁。大气老化过程导致酸度增加和电化学 活性下降。黄铁矿细粒在氧化期间可以产生足够多的热量，引起加工操作中的火灾。由于 干磨工艺的不一致性，已用于电池的二硫化铁颗粒可具有接近于约80 μ m的最终阴极涂层 厚度的颗粒尺寸。二硫化铁的干磨工艺一般由矿业公司或中间商进行，在其中生产大量材料。加工 好的二硫化铁要经运输和一般长期储藏后才能应用于电池工业。因此，在储藏期间，发生上 述氧化和大气老化和材料劣化。而且，二硫化铁颗粒的大尺寸可能影响压延之类的工艺，造 成基材变形、基材与涂层脱粘以及因隔离体损伤所引起的失效。衍生自天然矿的黄铁矿颗粒还含有许多杂质。尤其是，天然黄铁矿一般都含有Si、 Mn、Al、Ca、Cu、Zn、As和Co之类金属的金属基杂质。据信杂质会减少装料量并引起电池内 部短路和其它缺陷之类的问题。有些杂质能溶于非水电解质内并以树枝状晶体沉积在负电 极上。天然黄铁矿内各种杂质的总浓度，在批与批之间是不同的，通常为至少约3wt%。已经制成并可制备平均颗粒尺寸小于5 μ m,甚至还可以制备平均颗粒尺寸为数十 纳米量级的合成黄铁矿。虽然可以制备含很少或不含天然黄铁矿内所存在的金属_基杂质 的合成黄铁矿，但合成黄铁矿一般都含有非FeS2形式的铁的硫化物。例如，合成黄铁矿还可 能含有铁的硫化物(FeS)。黄铁矿内的铁的硫化物杂质也可以用FeS、Fei_yS (其中y = 0 0.2)和/或FeSu表示。如本文所用，FeS包括FeS,Fe^SJeSu等。与FeS2相比，FeS类是较低电压材料并且能够影响Li/FeS2电池的放电容量和/或额定容量。专利技术概述本专利技术提供形成高纯度的合成二硫化铁(FeS2)的方法/工艺。这些方法提供含量更少或基本不含能影响Li/FeS2电池电性能的杂质的合成FeS2。这些方法所制备的FeS2 可含有少于lwt%的金属杂质和/或少于1衬％的其它杂质，如FeS杂质。这些方法可提供尺寸范围为数微米小至数十纳米的合成FeS2颗粒并能提供具有 较大表面积的FeS2。在一个方面中，本专利技术提供制备合成FeS2的硫化工艺，该工艺包括使氧化铁 (Fe2O3)、元素硫和硫化氢(H2S)反应，以制备FeS2。该工艺可以在硫的熔点以上进行。例如， 该工艺可以在约125°C 约400本文档来自技高网...

【技术保护点】
制备合成ＦｅＳ↓［２］的方法，所述方法包括：使Ｆｅ↓［２］Ｏ↓［３］与元素硫和硫化氢在高于硫的熔点的温度下反应一段足以形成黄铁矿的时间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：GL施梅克，MW温普尔，JJ勒克莱尔，
申请(专利权)人：永备电池有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]