CH642779A5 - NON - AQUEOUS BATTERIES HAVING HEAT TREATED MANGANESE BIOXIDE CATHODES. - Google Patents
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Description
La présente invention concerne une pile non aqueuse comprenant une anode en métal très actif, une cathode renfermant du bioxyde de manganèse, qui contient moins d'environ 1 % d'eau sur la base du poids de bioxyde de manganèse, et un électrolyte organique liquide à base de 3-méthyl-2-oxazolidone, conjointement avec un cosolvant et un corps dissous déterminé. The present invention relates to a non-aqueous cell comprising a highly active metal anode, a cathode containing manganese dioxide, which contains less than about 1% water based on the weight of manganese dioxide, and a liquid organic electrolyte. based on 3-methyl-2-oxazolidone, together with a cosolvent and a determined dissolved body.
La réalisation de batteries de grande énergie nécessite la compatibilité d'un électrolyte, doué de propriétés électrochimiques avantageuses, avec des matières anodiques très réactives telles que le lithium, le sodium, etc., et l'utilisation efficace de matières cathodiques de grande densité d'énergie, telles que le bioxyde de manganèse. L'utilisation d'électrolytes aqueux est écartée dans de tels systèmes, attendu que les matières anodiques sont suffisamment actives pour réagir chimiquement avec l'eau. Il a par conséquent été nécessaire, pour réaliser la grande densité d'énergie qui peut être obtenue par l'utilisation de ces anodes très réactives et de ces cathodes de grande densité d'énergie, d'orienter la recherche vers des systèmes électroly-tiques non aqueux et plus particulièrement des compositions électro-lytiques organiques non aqueuses. The production of high-energy batteries requires the compatibility of an electrolyte, endowed with advantageous electrochemical properties, with highly reactive anode materials such as lithium, sodium, etc., and the efficient use of high density cathode materials d energy, such as manganese dioxide. The use of aqueous electrolytes is ruled out in such systems, since the anode materials are sufficiently active to react chemically with water. It was therefore necessary, in order to achieve the high energy density which can be obtained by the use of these very reactive anodes and of these high energy density cathodes, to direct research towards electrolyte systems. non-aqueous and more particularly non-aqueous organic electrolytic compositions.
L'expression électrolyte organique non aqueux est utilisée dans l'art antérieur pour désigner un électrolyte qui est formé d'un corps dissous, par exemple un sel ou un sel complexe des éléments du groupe I-A, du groupe II-A ou du groupe III-A du tableau périodi-5 que, en solution dans un solvant organique non aqueux convenablement choisi. Des solvants classiques comprennent le carbonate de propylène, le carbonate d'éthylène ou la y-butyrolactone. L'expression tableau périodique utilisée dans le présent mémoire désigne le tableau périodique des éléments qui figure en troisième page de cou-lo verture de l'ouvrage intitulé «Handbook of Chemistry and Physics», 48e édition, Chemical Rubber Co., Cleveland, Ohio, 1967-1968. The expression nonaqueous organic electrolyte is used in the prior art to designate an electrolyte which is formed of a dissolved body, for example a salt or a complex salt of the elements of group IA, group II-A or group III -A of the periodic table-5 that, in solution in a suitably chosen non-aqueous organic solvent. Typical solvents include propylene carbonate, ethylene carbonate or γ-butyrolactone. The expression periodic table used in this memo designates the periodic table of the elements which appears on the third cover page of the work entitled "Handbook of Chemistry and Physics", 48th edition, Chemical Rubber Co., Cleveland, Ohio , 1967-1968.
On connaît une multitude de corps dissous dont on recommande l'utilisation, mais le choix d'un solvant convenable a été particulièrement difficile, attendu que beaucoup des solvants qui sont utilisés 15 pour préparer des électrolytes suffisamment conducteurs pour permettre la migration efficace des ions dans la solution sont réactifs avec les anodes de grande activité mentionnées ci-dessus. La plupart des chercheurs dans ce domaine, désireux de trouver des solvants convenables, ont concentré leurs efforts sur des composés aliphati-20 ques et aromatiques contenant de l'azote et de l'oxygène, en attribuant une certaine attention à des composés organiques contenant du soufre, du phosphore et de l'arsenic. Les résultats de ces recherches n'ont pas donné entière satisfaction, attendu que beaucoup des solvants soumis aux essais ne pouvaient toujours pas être utilisés ef-25 ficacement avec des matières cathodiques de grande densité d'énergie telles que le bioxyde de manganèse (Mn02), et étaient suffisamment corrosifs envers des anodes au lithium pour empêcher une performance efficace pendant une période de longueur quelconque. A multitude of dissolved bodies are known to be recommended for use, but the choice of a suitable solvent has been particularly difficult, since many of the solvents which are used to prepare electrolytes which are sufficiently conductive to allow efficient migration of ions into the solution are reactive with the high activity anodes mentioned above. Most researchers in this field, wishing to find suitable solvents, have concentrated their efforts on aliphatic and aromatic compounds containing nitrogen and oxygen, with some attention being paid to organic compounds containing sulfur, phosphorus and arsenic. The results of this research were not entirely satisfactory, since many of the solvents tested could still not be effectively used with cathode materials of high energy density such as manganese dioxide (Mn02) , and were sufficiently corrosive to lithium anodes to prevent effective performance for any length of time.
Bien que le bioxyde de manganèse ait été mentionné en tant que 30 cathode susceptible d'être utilisée dans des piles, ce composé renferme une quantité inacceptable d'eau, tant du type absorbé que du type lié par adsorption, qui est suffisante pour provoquer une corrosion de l'anode (lithium) s'accompagnant d'un dégagement d'hydrogène. Ce type de corrosion qui provoque un dégagement de gaz est 35 un problème sévère dans des piles fermées, notamment des piles boutons de type miniaturisé. Pour maintenir des dispositifs électroniques alimentés par batteries aussi compacts que possible, les montages électroniques sont habituellement conçus de manière à présenter des cavités qui reçoivent les piles miniatures en tant que source io d'énergie. Les cavités sont habituellement réalisées de manière qu'une pile puisse y être adaptée correctement, en établissant ainsi un contact électronique avec des bornes correspondantes prévues dans le dispositif. Un problème important que l'on peut rencontrer dans l'utilisation de dispositifs de ce genre alimentés par des piles 45 réside dans le fait que, si le dégagement de gaz provoque la dilatation de la pile, cette dernière peut se coincer dans la cavité. Il peut en résulter une détérioration du dispositif. De même, s'il y a une fuite d'électrolyte de la pile, cette fuite peut provoquer une détérioration du dispositif. Par conséquent, il importe que les dimensions physi-50 ques du logement de la pile restent constantes pendant la décharge et qu'aucune fuite d'électrolyte provenant de la pile ne puisse pénétrer dans le dispositif alimenté. Although manganese dioxide has been mentioned as a cathode suitable for use in batteries, this compound contains an unacceptable amount of water, both of the absorbed type and of the adsorptively bound type, which is sufficient to cause a corrosion of the anode (lithium) accompanied by evolution of hydrogen. This type of corrosion which gives off gas is a serious problem in closed cells, especially button cells of the miniaturized type. To keep electronic devices powered by batteries as compact as possible, electronic assemblies are usually designed so as to present cavities which receive the miniature batteries as a source of energy. The cavities are usually made in such a way that a battery can be adapted to it correctly, thereby establishing electronic contact with corresponding terminals provided in the device. An important problem which can be encountered in the use of devices of this type powered by batteries 45 lies in the fact that, if the evolution of gas causes the expansion of the battery, the latter can become trapped in the cavity. This may result in damage to the device. Likewise, if there is a leakage of electrolyte from the battery, this leakage can cause deterioration of the device. Therefore, it is important that the physi-50 ques dimensions of the battery housing remain constant during discharge and that no leakage of electrolyte from the battery can enter the powered device.
Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 4133856 décrit un procédé de production d'une électrode en Mn02 (cathode) pour 55 piles non aqueuses, dans lequel le bioxyde MnOz est initialement chauffé dans une plage de 350 à 430° C de manière à éliminer sensiblement l'eau absorbée et l'eau fixée, puis, après transformation en une électrode avec un agent conducteur et un liant, l'électrode est encore chauffée dans une plage de 200 à 350° C avant d'être incorpo-60 rée à une pile. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 1199426 décrit également le traitement thermique de MnOz dans l'air à une température de 250 à 450° C pour éliminer sensiblement son eau de constitution. U.S. Patent No. 4,133,856 describes a process for producing an MnO2 electrode (cathode) for 55 nonaqueous cells, in which the MnOz dioxide is initially heated in the range of 350 to 430 ° C. so as to substantially eliminate the absorbed water and the fixed water, then, after transformation into an electrode with a conductive agent and a binder, the electrode is further heated in a range of 200 to 350 ° C. before being incorporated 60 to a pile. U.S. Patent No. 1,199,426 also describes the heat treatment of MnOz in air at a temperature of 250-450 ° C to substantially remove its water of constitution.
Les brevets des Etats-Unis d'Amérique Nos 3871916, 3951685 et ss 3996069 décrivent une pile non aqueuse renfermant un électrolyte à base de 3-méthyl-2-oxazolidone conjointement avec une cathode solide choisie dans le groupe comprenant (CFx)n, CuO, FeS2, Co304, V2Os, Pb304, In2S3 et CoS2. U.S. Patents Nos. 3871916, 3951685 and ss 3996069 describe a non-aqueous cell containing an electrolyte based on 3-methyl-2-oxazolidone together with a solid cathode selected from the group comprising (CFx) n, CuO , FeS2, Co304, V2Os, Pb304, In2S3 and CoS2.
3 3
642 779 642,779
Tandis que l'énergie théorique, c'est-à-dire l'énergie électrique virtuellement fournie par un couple anode-cathode choisi, est relativement facile à calculer, il est nécessaire de choisir un électrolyte non aqueux pour un couple qui permet à l'énergie réelle produite par une batterie de piles de s'approcher de l'énergie théorique. Le problème auquel on se heurte d'ordinaire réside dans le fait qu'il est pratiquement impossible de prédire la manière dont un électrolyte non aqueux se comportera, ni même s'il est capable de fonctionner avec un couple déterminé. Par conséquent, une pile doit être considérée comme une unité formée de trois parties: une cathode, une anode et un électrolyte, et il y a lieu de remarquer que les parties d'une pile ne sont pas interchangeables de façon prévisible avec les parties d'une autre pile pour former une troisième pile efficace et fonctionnelle. While the theoretical energy, i.e. the electrical energy virtually supplied by a chosen anode-cathode couple, is relatively easy to calculate, it is necessary to choose a nonaqueous electrolyte for a couple which allows the real energy produced by a battery of batteries approach theoretical energy. The common problem is that it is virtually impossible to predict how a nonaqueous electrolyte will behave, or even if it is able to operate with a specified torque. Therefore, a battery should be considered as a unit made up of three parts: a cathode, an anode and an electrolyte, and it should be noted that the parts of a battery are not predictably interchangeable with the parts of another stack to form an efficient and functional third stack.
L'un des buts de la présente invention est de trouver une pile non aqueuse renfermant, entre autres composants, un électrolyte à base de 3-méthyl-2-oxazolidone et une cathode renfermant du bioxyde de manganèse dans laquelle la teneur en eau est inférieure à 1 % en poids sur la base du poids du bioxyde de manganèse. One of the aims of the present invention is to find a non-aqueous cell containing, among other components, an electrolyte based on 3-methyl-2-oxazolidone and a cathode containing manganese dioxide in which the water content is lower. at 1% by weight based on the weight of manganese dioxide.
La présente invention a pour autre objet de trouver une pile non aqueuse au bioxyde de manganèse comprenant une anode au lithium. Another object of the present invention is to find a non-aqueous manganese dioxide battery comprising a lithium anode.
Un autre but de la présente invention est de proposer une pile non aqueuse lithium/Mn02 renfermant un électrolyte organique liquide essentiellement formé de 3-méthyl-2-oxazolidone en association avec au moins un cosolvant et un corps dissous. Another object of the present invention is to provide a non-aqueous lithium / MnO2 cell containing a liquid organic electrolyte essentially formed from 3-methyl-2-oxazolidone in association with at least one cosolvent and a dissolved body.
L'invention offre une pile non aqueuse nouvelle à grande densité • d'énergie, comprenant une anode en métal très actif, une cathode contenant du bioxyde de manganèse et un électrolyte organique liquide composé de 3-méthyl-2-oxazolidone en association avec un corps dissous conducteur, en présence ou en l'absence d'au moins un cosolvant de viscosité inférieure à celle de la 3-méthyl-2-oxazolidone et dans laquelle le bioxyde de manganèse a une teneur en eau inférieure à 1 % en poids sur la base du poids de Mn02*. De préférence, la teneur en eau doit être inférieure à 0,5% en poids et notamment inférieure à environ 0,2% en poids. The invention provides a new non-aqueous battery with high energy density, comprising a very active metal anode, a cathode containing manganese dioxide and a liquid organic electrolyte composed of 3-methyl-2-oxazolidone in combination with a dissolved conductive substance, in the presence or absence of at least one cosolvent with a viscosity lower than that of 3-methyl-2-oxazolidone and in which the manganese dioxide has a water content of less than 1% by weight on the basis of the weight of Mn02 *. Preferably, the water content must be less than 0.5% by weight and in particular less than about 0.2% by weight.
L'eau normalement renfermée dans le bioxyde de manganèse de type électrolytique et de type chimique peut être sensiblement éliminée par divers traitements. Par exemple, le bioxyde de manganèse peut être chauffé dans l'air ou dans une atmosphère inerte à une température de 350°C pendant environ 8 h ou à une température plus basse pendant une période plus longue. On doit s'efforcer d'éviter le chauffage du bioxyde de manganèse au-dessus de sa température de décomposition, qui est d'environ 400° C dans l'air. Dans des atmosphères renfermant de l'oxygène, on peut utiliser des températures plus hautes. Conformément à la présente invention, le bioxyde de manganèse doit être chauffé pendant une période suffisante pour assurer que sa teneur en eau soit réduite au-dessous d'environ 1% en poids, de préférence au-dessous d'environ 0,5 et notamment au-dessous d'environ 0,2% en poids, sur la base du poids du bioxyde de manganèse. Une quantité d'eau supérieure à environ 1% en poids réagirait avec l'anode en métal très actif tel que le lithium et provoquerait sa corrosion, ce qui entraînerait un dégagement d'hydrogène. Comme indiqué ci-dessus, cela pourrait entraîner une déformation physique de la pile et/ou une fuite d'électrolyte de la pile au cours de l'emmagasinage ou de la décharge. The water normally contained in electrolytic and chemical type manganese dioxide can be substantially removed by various treatments. For example, manganese dioxide can be heated in air or in an inert atmosphere at a temperature of 350 ° C for about 8 h or at a lower temperature for a longer period. Care should be taken to avoid heating the manganese dioxide above its decomposition temperature, which is about 400 ° C in the air. In atmospheres containing oxygen, higher temperatures can be used. According to the present invention, the manganese dioxide must be heated for a sufficient period to ensure that its water content is reduced below about 1% by weight, preferably below about 0.5 and in particular below about 0.2% by weight, based on the weight of manganese dioxide. An amount of water greater than about 1% by weight would react with the anode of a very active metal such as lithium and cause its corrosion, which would lead to the evolution of hydrogen. As noted above, this could cause physical deformation of the battery and / or electrolyte leakage from the battery during storage or discharge.
Pour éliminer efficacement l'eau indésirable de Mn02 ou du mélange de Mn02 avec un agent conducteur et un liant convenable, jusqu'au niveau nécessaire pour la mise en œuvre de la présente invention, on pense qu'il faut éliminer dans une mesure appréciable à la fois l'eau absorbée et l'eau liée. Après que le traitement d'élimination de l'eau a été accompli, il est essentiel de prévoir une protection pour empêcher le bioxyde de manganèse d'absorber de l'eau dans l'atmosphère. On pourrait obtenir ce résultat en manipulant le bioxyde de manganèse traité dans une enceinte protégée de l'humidité ou dans un dispositif similaire. A titre de variante, le bioxyde de manganèse traité ou le bioxyde de manganèse associé à un agent conducteur et à un liant convenable pourrait être traité thermique- In order to effectively remove the undesirable water from MnO2 or from the mixture of MnO2 with a suitable conductive agent and binder, up to the level necessary for the practice of the present invention, it is believed that an appreciable amount of both absorbed and bound water. After the water removal treatment has been completed, it is essential to provide protection to prevent the manganese dioxide from absorbing water into the atmosphere. This could be achieved by handling the treated manganese dioxide in an enclosure protected from moisture or in a similar device. Alternatively, the treated manganese dioxide or the manganese dioxide combined with a conductive agent and a suitable binder could be heat treated.
ment en vue d'éliminer l'eau qui pourrait avoir été absorbée dans l'atmosphère. to remove water that may have been absorbed into the atmosphere.
De préférence, le bioxyde de manganèse doit être traité à la chaleur pour réduire sa teneur en eau à moins d'environ 1 % en poids, puis il peut être mélangé avec un agent conducteur tel que graphite, carbone, etc., et un liant tel que Teflon (marque déposée du polytétrafluoréthylène), un polymère d'éthylène et d'acide acrylique, etc., pour produire une électrode à cathode solide. Le cas échéant, une petite quantité de l'électrolyte peut être incorporée au mélange de bioxyde de manganèse. Preferably, the manganese dioxide should be heat treated to reduce its water content to less than about 1% by weight, then it may be mixed with a conductive agent such as graphite, carbon, etc., and a binder such as Teflon (registered trademark of polytetrafluoroethylene), a polymer of ethylene and acrylic acid, etc., to produce a solid cathode electrode. If necessary, a small amount of the electrolyte can be incorporated into the manganese dioxide mixture.
Un autre avantage possible de l'élimination pratiquement totale de l'eau du bioxyde de manganèse est que, si de petites quantités d'eau sont présentes dans l'électrolyte de la pile, le bioxyde de manganèse absorbe alors la majeure partie de l'eau de l'électrolyte et empêche de la sorte ou retarde sensiblement la réaction de l'eau avec l'anode, par exemple en lithium. Dans ce cas, le bioxyde de manganèse se comporte comme un agent d'extraction des impuretés formées par l'eau dans les solvants organiques. Another possible advantage of practically complete removal of water from the manganese dioxide is that, if small amounts of water are present in the battery electrolyte, the manganese dioxide then absorbs most of the electrolyte water and thereby prevents or substantially delays the reaction of water with the anode, for example lithium. In this case, manganese dioxide behaves as an agent for extracting the impurities formed by water in organic solvents.
L'électrolyte destiné à être utilisé conformément à l'invention est un électrolyte à base de 3-méthyl-2-oxazolidone. La 3-méthyl-2-oxazolidone (3Me20x), matière organique liquide de formule: The electrolyte intended to be used in accordance with the invention is an electrolyte based on 3-methyl-2-oxazolidone. 3-methyl-2-oxazolidone (3Me20x), liquid organic matter of formula:
CH2 - CH2 - O - CO - >1 - CH3 est un solvant non aqueux excellent à cause de sa grande constante diélectrique, de son inertie chimique envers les composants de la batterie, de sa large plage à l'état liquide et de sa faible toxicité. CH2 - CH2 - O - CO -> 1 - CH3 is an excellent non-aqueous solvent because of its high dielectric constant, its chemical inertness towards the components of the battery, its wide range in the liquid state and its low toxicity.
Toutefois, on a constaté que, lorsque des sels métalliques sont dissous dans la 3Me20x liquide en vue d'améliorer la conductivité de cette dernière, la viscosité de la solution peut être trop élevée pour qu'on puisse l'utiliser efficacement comme électrolyte pour certaines applications dans des piles non aqueuses autres que celles qui nécessitent de très faibles consommations de courant. Par conséquent, dans certaines applications conformes à l'invention, l'addition d'un cosolvant de faible viscosité serait désirable si le composé 3Me20x devait être utilisé comme électrolyte pour des piles non aqueuses pouvant fonctionner à un haut degré de densité d'énergie. En particulier, pour obtenir un haut degré de densité d'énergie conformément à l'invention, il est essentiel d'utiliser une cathode en Mn02 traitée thermiquement en même temps qu'une anode en métal très actif. Ainsi, l'invention est axée sur une pile nouvelle à grande densité d'énergie comportant une anode en métal très actif tel que le lithium, une cathode en Mn02 traitée à la chaleur et un électrolyte formé de 3Me2ox en association avec un corps dissous conducteur, en présence ou en l'absence d'au moins un cosolvant de faible viscosité. However, it has been found that, when metal salts are dissolved in the liquid 3Me20x in order to improve the conductivity of the latter, the viscosity of the solution may be too high for it to be able to be used effectively as an electrolyte for certain applications in nonaqueous batteries other than those which require very low current consumption. Consequently, in certain applications in accordance with the invention, the addition of a cosolvent of low viscosity would be desirable if the compound 3Me20x were to be used as electrolyte for nonaqueous batteries capable of operating at a high degree of energy density. In particular, to obtain a high degree of energy density in accordance with the invention, it is essential to use a thermally treated MnO2 cathode at the same time as a very active metal anode. Thus, the invention is focused on a new battery with high energy density comprising a very active metal anode such as lithium, a heat-treated MnO2 cathode and an electrolyte formed from 3Me2ox in association with a dissolved conductive body. , in the presence or absence of at least one cosolvent of low viscosity.
Les cosolvants de faible viscosité que l'on utilise éventuellement dans la présente invention comprennent le tétrahydrofuranne (THF), le dioxolanne (DIOX), le diméthoxyéthane (DME), le carbonate de propylène (PC), le diméthylisoxazole (DMI), le carbonate de diéthyle (DEC), le sulfite d'éthylèneglycol (EGS), le dioxanne, le sulfite de dimêthyle (DMS), etc. Le diméthoxyéthane (DME), le dioxolanne (DIOX) et le carbonate de propylène (PC) sont des cosolvants appréciés à cause de leur compatibilité avec des sels métalliques dissous dans le composé 3Me20x liquide et de leur inertie chimique envers les composants de la pile. En particulier, la quantité totale de cosolvant de faible viscosité que l'on ajoute pourrait se situer entre environ 20 et environ 80% sur la base du volume total de solvant, c'est-à-dire à l'exclusion du corps dissous, afin d'abaisser la viscosité à un niveau favorable à son utilisation dans une pile à grande consommation. Low viscosity cosolvents which may be used in the present invention include tetrahydrofuran (THF), dioxolane (DIOX), dimethoxyethane (DME), propylene carbonate (PC), dimethylisoxazole (DMI), carbonate diethyl (DEC), ethylene glycol sulfite (EGS), dioxane, dimethyl sulfite (DMS), etc. Dimethoxyethane (DME), dioxolane (DIOX) and propylene carbonate (PC) are popular co-solvents because of their compatibility with metallic salts dissolved in the liquid 3Me20x compound and their chemical inertness towards the components of the battery. In particular, the total amount of low viscosity cosolvent that is added could be between approximately 20 and approximately 80% based on the total volume of solvent, that is to say excluding the dissolved body, in order to lower the viscosity to a level favorable for its use in a battery with great consumption.
Des corps dissous conducteurs (sels métalliques) que l'on peut utiliser conformément à l'invention avec la 3Me20x liquide peuvent être choisis dans le groupe des composés de formules MCF3S03, MBF4, MCIO4 et MM'F<5 où M désigne le lithium, le sodium ou le potassium et M' est le phosphore, l'arsenic ou l'antimoine. L'addition du corps dissous est nécessaire pour améliorer la conductivité du composé 3Me20x de manière que ce dernier puisse être utilisé comme électrolyte dans des piles non aqueuses. Ainsi, le sel particu5 Dissolved conductive bodies (metal salts) which can be used in accordance with the invention with the liquid 3Me20x can be chosen from the group of compounds of formulas MCF3SO3, MBF4, MCIO4 and MM'F <5 where M denotes lithium, sodium or potassium and M 'is phosphorus, arsenic or antimony. The addition of the dissolved body is necessary to improve the conductivity of the 3Me20x compound so that it can be used as an electrolyte in non-aqueous batteries. Thus, the particu5 salt
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15 15
20 20
25 25
30 30
35 35
40 40
45 45
50 50
55 55
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65 65
642 779 642,779
4 4
lier que l'on choisit doit être compatible et non réactif avec le composé 3Me20x et les électrodes de la pile. La quantité de corps dissous qui doit être en solution dans le composé 3Me20x liquide doit être suffisante pour offrir une bonne conductivité, par exemple d'au moins environ 10~4 fi-'cm-1. Généralement, une quantité molaire d'au moins environ 0,5 mol doit être suffisante pour la plupart des applications à des piles. The link you choose must be compatible and non-reactive with the 3Me20x compound and the battery electrodes. The amount of dissolved body which must be in solution in the liquid 3Me20x compound must be sufficient to provide good conductivity, for example at least about 10 ~ 4 fi-'cm-1. Generally, a molar amount of at least about 0.5 mol should be sufficient for most battery applications.
Des anodes en métal très actif que l'on peut utiliser avantageusement dans la présente invention comprennent des anodes en lithium (Li), potassium (K), sodium (Na), calcium (Ca), magnésium (Mg), aluminium (Al) et leurs alliages. Parmi ces métaux actifs, on donne la préférence au lithium non seulement parce qu'il s'agit d'un métal malléable et ductile, mais aussi parce qu'on peut l'incorporer aisément à une pile, et parce qu'il présente le plus haut rapport énergie/ poids dans le groupe des métaux anodiques convenables. Highly active metal anodes which can be advantageously used in the present invention include lithium (Li), potassium (K), sodium (Na), calcium (Ca), magnesium (Mg), aluminum (Al) anodes and their alloys. Among these active metals, preference is given to lithium not only because it is a malleable and ductile metal, but also because it can be easily incorporated into a battery, and because it has the highest energy to weight ratio in the group of suitable anode metals.
D'autres détails sur la pile à grande densité d'énergie de l'invention, comprenant un électrolyte à base de 3Me20x, une cathode solide à base de Mn02 ayant moins de 1 % en poids d'eau et une anode en métal très actif, sont donnés dans les exemples suivants. Other details on the high energy density cell of the invention, comprising an electrolyte based on 3Me20x, a solid cathode based on MnO2 having less than 1% by weight of water and a very active metal anode , are given in the following examples.
Exemple 1 : Example 1:
On a effectué des analyses thermogravimétriques de divers échantillons de bioxyde de manganèse du commerce. Certains des échantillons ont été analysés tels qu'on les obtient, d'autres ont été traités thermiquement à 350° C pendant 8 h, d'autres encore ont été traités thermiquement à 350° C pendant 8 h, puis mélangés avec du carbone et du Téflon pour produire des mélanges cathodiques. Les résultats obtenus dans les analyses thermogravimétriques sont reproduits dans le tableau I. Ces résultats démontrent clairement que des types de bioxyde de manganèse du commerce renferment de grandes quantités d'eau. En outre, les résultats montrent que, même après que le bioxyde de manganèse a été traité à la chaleur comme indiqué ci-dessus, il absorbe de l'eau dans l'atmosphère même après un court laps de temps seulement. Thermogravimetric analyzes have been performed on various samples of commercial manganese dioxide. Some of the samples were analyzed as obtained, others were heat treated at 350 ° C for 8 h, still others were heat treated at 350 ° C for 8 h, then mixed with carbon and Teflon to produce cathode mixtures. The results obtained in the thermogravimetric analyzes are reproduced in Table I. These results clearly demonstrate that types of commercial manganese dioxide contain large amounts of water. Furthermore, the results show that even after the manganese dioxide has been heat treated as indicated above, it absorbs water from the atmosphere even after only a short time.
5 5
Exemple 2: Example 2:
On a réalisé des piles plates de deux types différents en utilisant un support métallique en nickel présentant une dépression peu profonde dans laquelle le contenu de la pile a été placé et sur laquelle un io capuchon en nickel métallique a été disposé pour fermer la pile. Le contenu de chaque pile échantillon consistait en un disque de lithium de 2,54 cm de diamètre formé de 5 feuilles très minces de lithium d'une épaisseur totale de 2,54 mm, environ 4 ml d'un électrolyte comprenant environ 40% en volume de dioxolanne, environ 30% en 15 volume de diméthoxyéthane (DME), environ 30% en volume de 3Me20x, plus environ 0,1 % de diméthylisoxazole (DMI) et renfermant du LÌCF3SO3 1M, un séparateur (0,254 mm d'épaisseur) en polypropylène non tissé poreux de 2,54 cm de diamètre absorbant une partie de l'électrolyte, et 2 g de mélange cathodique comprimé 20 de manière à former une cathode ayant une aire interfaciale apparente de 5 cm2. Dans la première pile, le mélange cathodique consistait en Mn02 électrolytique Tekkosha traité thermiquement à 350° C pendant 20 h, en noir de carbone et en Téflon. La seconde pile renfermait le même type de composants que la première, excepté l'ab-25 sence de traitement du Mn02 Tekkosha. Chaque pile a été déchargée aux bornes d'une résistance de 1200 fl jusqu'à une tension de coupure de 1 V et les rendements cathodiques ont été calculés en même temps que les densités globales d'énergie, en supposant une réaction des électrons de la couche L. Les résultats obtenus sont re-30 produits dans le tableau II. Flat batteries of two different types have been produced using a nickel metal support having a shallow depression in which the contents of the battery have been placed and on which a nickel metallic cap has been placed to close the battery. The contents of each sample cell consisted of a 2.54 cm diameter lithium disk formed of 5 very thin sheets of lithium with a total thickness of 2.54 mm, approximately 4 ml of an electrolyte comprising approximately 40% volume of dioxolane, approximately 30% by volume of dimethoxyethane (DME), approximately 30% by volume of 3Me20x, plus approximately 0.1% of dimethylisoxazole (DMI) and containing 1M LÌCF3SO3, a separator (0.254 mm thick) made of porous non-woven polypropylene 2.54 cm in diameter absorbing part of the electrolyte, and 2 g of cathode mixture compressed 20 so as to form a cathode having an apparent interfacial area of 5 cm 2. In the first cell, the cathode mixture consisted of Tekkosha electrolytic MnO2 heat treated at 350 ° C for 20 h, carbon black and Teflon. The second pile contained the same type of components as the first, except the absence of treatment of Mn02 Tekkosha. Each cell was discharged at the terminals of a resistance of 1200 fl to a cut-off voltage of 1 V and the cathodic yields were calculated at the same time as the overall energy densities, assuming a reaction of the electrons of the layer L. The results obtained are re-produced in Table II.
Exemple 3: Example 3:
On réalise dix piles boutons miniatures en utilisant une anode au 60 lithium, un électrolyte formé d'environ 40% en volume de dioxolanne, d'environ 30% en volume de DMER, d'environ 30% en volume de 3Me20x plus environ 0,1 % de DMI et contenant du LÌCF3SO3 1M, et une cathode comportant 80% en poids de MnO, non chauffé ou traité thermiquement, 1,5% en poids de noir de 65 carbone, 13,5% en poids de graphite et 5,0% en poids d'un liant du type éthylène/acide acrylique. Le bioxyde de manganèse traité à la chaleur est chauffé à une température de 350° C pendant 18 h sous une atmosphère d'argon. Chaque pile (11,48 mm de diamètre; Ten miniature button cells are produced using a 60 lithium anode, an electrolyte formed of approximately 40% by volume of dioxolane, approximately 30% by volume of DMER, approximately 30% by volume of 3Me20x plus approximately 0, 1% of DMI and containing 1M LÌCF3SO3, and a cathode comprising 80% by weight of MnO, unheated or heat-treated, 1.5% by weight of carbon black 65, 13.5% by weight of graphite and 5, 0% by weight of a binder of the ethylene / acrylic acid type. The heat treated manganese dioxide is heated at a temperature of 350 ° C for 18 h under an atmosphere of argon. Each stack (11.48 mm in diameter;
Tableau I Table I
Perte, % en poids, à différentes températures comme indiqué par l'analyse thermogravimétrique Loss,% by weight, at different temperatures as indicated by thermogravimetric analysis
Description de l'échantillon Description of the sample
Perte totale, % en poids, à la température indiquée (valeurs cumulatives) Total loss,% by weight, at the indicated temperature (cumulative values)
100° C 100 ° C
200° C 200 ° C
250° C 250 ° C
300° C 300 ° C
350° C 350 ° C
400° C 400 ° C
* Mn02 Tekkosha, tel que reçu * Mn02 Tekkosha, as received
1,0 1.0
2,1 2.1
2,7 2.7
3,5 3.5
4,4 4.4
5,1 5.1
Tekkosha come ci-dessus, mais séché à 350° C pendant 8 h; Tekkosha as above, but dried at 350 ° C for 8 h;
exposé à l'atmosphère ambiante pendant 5 min lors du exposed to the ambient atmosphere for 5 min during
transfert de l'échantillon sample transfer
0,2 0.2
0,3 0.3
0,3 0.3
0,3 0.3
0,4 0.4
0,6 0.6
** Mélange cathodique pris directement dans une enceinte ** Cathodic mixture taken directly from an enclosure
anhydre ; exposition à l'atmosphère ambiante pendant 5 min anhydrous; exposure to the ambient atmosphere for 5 min
lors du transfert de l'échantillon when transferring the sample
0,3 0.3
0,4 0.4
0,5 0.5
0,7 0.7
1,1 1.1
— -
Mélange cathodique exposé à l'atmosphère ambiante Cathodic mixture exposed to the ambient atmosphere
0,3 0.3
0,5 0.5
0,5 0.5
— -
— -
— -
Même mélange cathodique que ci-dessus, mais exposé à l'at Same cathodic mixture as above, but exposed to at
mosphère ambiante pendant encore 17 h**** ambient atmosphere for another 5 hrs ****
0,6 0.6
0,8 0.8
0,8 0.8
0,9 0.9
1,1 1.1
1,9 1.9
*** Mn02 Sedema *** Mn02 Sedema
1,4 1.4
2,1 2.1
2,4 2.4
2,6 2.6
2,9 2.9
3,7 3.7
* L'oxyde MnOz Tekkosha est un bioxyde de manganèse électrolytique du commerce. * MnOz Tekkosha oxide is a commercial electrolytic manganese dioxide.
** Mélange cathodique = MnOz Tekkosha traité thermiquement + noir de carbone + graphite + Téflon. ** Cathodic mixture = MnOz Tekkosha heat treated + carbon black + graphite + Teflon.
*** Mn02 Sedema: bioxyde de manganèse chimique du commerce. *** Mn02 Sedema: commercial chemical manganese dioxide.
**** Humidité ambiante 35-50%. **** Ambient humidity 35-50%.
Tableau II Table II
Cathode Cathode
Rendement*, électrons de la couche L (%) Yield *, L-layer electrons (%)
Densité d'énergie cathodique (Wh/cm3) Cathodic energy density (Wh / cm3)
Mn02 traité thermiquement Mn02 non chauffé Mn02 heat treated Mn02 unheated
81,0 48,2 81.0 48.2
4,46 2,16 4.46 2.16
* Coulombien. * Coulombien.
4,12 mm de hauteur) contient 0,3045 g du mélange cathodique renfermant du bioxyde de manganèse non traité ou 0,3036 g du mélange cathodique contenant du bioxyde de manganèse traité à la chaleur, 0,037 g de lithium, un séparateur en polypropylène et 140 |il de l'électrolyte. Chaque pile est déchargée en continu dans une résistance de base de 6200 Q. et elle est puisée aux bornes d'une résistance de 250 Cl pendant 2 s une fois par semaine. Lorsqu'une tension de coupure de 1 V a été atteinte, la capacité de la pile et le rendement coulombien de la cathode pour chaque pile sont déterminés; les résultats sont reproduits dans le tableau III. 4.12 mm high) contains 0.3045 g of the cathode mixture containing untreated manganese dioxide or 0.3036 g of the cathode mixture containing heat treated manganese dioxide, 0.037 g of lithium, a polypropylene separator and 140 | of electrolyte. Each cell is continuously discharged in a basic resistance of 6200 Q. and it is drawn across a 250 Cl resistance for 2 s once a week. When a cut-off voltage of 1 V has been reached, the capacity of the cell and the Coulomb efficiency of the cathode for each cell are determined; the results are reproduced in table III.
Tableau III Table III
N° de la pile Battery number
Capacité Capacity
Rendement Yield
Mn02 Mn02
de la pile cathodique of the cathode stack
(mAh) (mAh)
(%, Le) (%, The)
1 1
traité à la chaleur heat treated
37,6 37.6
50,0 50.0
2 2
traité à la chaleur heat treated
30,2 30.2
40,3 40.3
3 3
traité à la chaleur heat treated
39,2 39.2
52,2 52.2
4 4
traité à la chaleur heat treated
46,0 46.0
61,4 61.4
5 5
traité à la chaleur heat treated
41,4 41.4
55,3 55.3
6 6
non chauffée unheated
6,1 6.1
8,2 8.2
7 7
non chauffée unheated
26,4 26.4
35,5 35.5
8 8
non chauffée unheated
34,2 34.2
45,7 45.7
9 9
non chauffée unheated
10,9 10.9
14,5 14.5
10 10
non chauffée unheated
4,9 4.9
6,6 6.6
Exemple 4: Example 4:
On réalise deux piles semblables à celles de l'exemple 2, à la différence qu'on utilise 1,5 ml de l'électrolyte et que, dans la première pile, le mélange cathodique (porosité 33%) est formé de 80% en poids de MnOa Tekkosha, 10% en poids de noir de carbone et 10% de Téflon et que, dans la seconde pile, le mélange cathodique (porosité 45%) est le même, à la différence que le bioxyde de manganèse consiste en Mn02 électrolytique produit par la firme Union Carbide Corporation. Le bioxyde de manganèse dans chaque pile est traité thermiquement, puis incorporé à des pastilles cathodiques qui sont séchées à 120°C sous vide. L'aire interfaciale nominale pour chaque électrode est de 2 cm2. Les cellules sont déchargées en continu aux bornes d'une résistance de 3000 Cl et le rendement coulombien d'utilisation de la cathode jusqu'à une tension de coupure de 2,0 V est trouvé, par le calcul, égal à 88% pour la pile contenant le Mn02 Tekkosha et à 99% pour l'autre pile. Two cells similar to those of Example 2 are produced, with the difference that 1.5 ml of the electrolyte is used and that, in the first cell, the cathode mixture (porosity 33%) is formed by 80% in weight of MnOa Tekkosha, 10% by weight of carbon black and 10% of Teflon and that, in the second cell, the cathode mixture (porosity 45%) is the same, with the difference that the manganese dioxide consists of electrolytic Mn02 produced by Union Carbide Corporation. The manganese dioxide in each stack is heat treated, then incorporated into cathode pellets which are dried at 120 ° C under vacuum. The nominal interfacial area for each electrode is 2 cm2. The cells are continuously discharged across a 3000 Cl resistor and the Coulomb operating efficiency of the cathode up to a cut-off voltage of 2.0 V is found, by calculation, to be 88% for the stack containing Mn02 Tekkosha and 99% for the other stack.
Exemple 5: Example 5:
On réalise plusieurs piles de 11,56 mm de diamètre et 4,19 mm de hauteur en utilisant 0,36 g de mélange cathodique contenant 86% en poids de Mn02 Tekkosha, 8,5% en poids de noir de carbone, 2,5% en poids de graphite et 3,0% en poids de Téflon; une anode en lithium de 0,03 g et 140 jj.1 de l'électrolyte utilisé dans l'exemple 3. Le bioxyde de manganèse, avant la formation du mélange cathodique, est traité par chauffage à 350° C pendant 8 h. Ensuite, les pastilles de mélange cathodique moulé sont exposées à divers taux d'humidité pendant des durées variables, puis rassemblées en diverses piles. Les mesures d'une dilatation éventuelle et des fuites, lorsque elles existent, après emmagasinage pendant diverses périodes, sont indiquées dans le tableau IV. La mesure de dilatation est l'écart, en mil642 779 Several stacks of 11.56 mm in diameter and 4.19 mm in height are produced using 0.36 g of cathode mixture containing 86% by weight of MnO2 Tekkosha, 8.5% by weight of carbon black, 2.5 % by weight of graphite and 3.0% by weight of Teflon; a lithium anode of 0.03 g and 140 dj.1 of the electrolyte used in Example 3. The manganese dioxide, before the formation of the cathode mixture, is treated by heating at 350 ° C for 8 h. Then, the molded cathode mixture pellets are exposed to various levels of humidity for varying lengths of time, then collected in various stacks. The measures of possible expansion and leaks, when they exist, after storage for various periods, are indicated in Table IV. The dilation measurement is the difference, in mil642,779
limètres de la hauteur de la pile par rapport à sa hauteur initiale, dû à la corrosion de l'anode et/ou au dégagement de gaz dans la pile. Une fuite existe chaque fois que la présence d'électrolyte peut être observée visuellement au niveau du joint d'étanchéité de la pile. Les piles sont ensuite déchargées aux bornes d'une résistance de 15000 Q jusqu'à ce que la tension se soit abaissée à 2,4 V. La capacité moyenne en milliampères-heures délivrée par les piles dans chaque groupe d'essai est également reproduite dans le tableau IV. limiters of the height of the cell compared to its initial height, due to corrosion of the anode and / or to the evolution of gas in the cell. A leak exists whenever the presence of electrolyte can be visually observed at the battery seal. The batteries are then discharged across a 15,000 Q resistor until the voltage has dropped to 2.4 V. The average capacity in milliampere-hours delivered by the batteries in each test group is also reproduced in Table IV.
Les résultats indiqués dans le tableau IV démontrent que les piles dans lesquelles les cathodes en bioxyde de manganèse traité à la chaleur ont été exposées à des degrés notables d'humidité commencent à présenter des signes de dilatation au bout de 24 h. Une certaine réduction de la dilatation avec le temps peut être due à l'échappement d'un peu de gaz à l'interface entre le couvercle, le joint et le récipient, lorsqu'une fuite a lieu. The results shown in Table IV demonstrate that the cells in which the heat treated manganese dioxide cathodes were exposed to significant degrees of humidity begin to show signs of expansion after 24 h. Some reduction in expansion over time may be caused by the escape of a small amount of gas at the interface between the lid, the gasket and the container, when a leak occurs.
Exemple 6: Example 6:
On réalise six piles semblables à la première pile d'essai de l'exemple 4, à la différence que trois d'entre elles (échantillons 1 à 3) renferment un électrolyte formé de LiBF4 1M dans un mélange à 2:3 (% en volume) de 3Me20x et de DME et que les trois autres piles (échantillons 4 à 6) comportent un électrolyte formé de LÌCF3SO3 1M dans un mélange à 2:3 (% en volume) de 3Me20x et de DME. Les piles sont déchargées en continu aux bornes d'une résistance de 3000 fì et, à des périodes différentes, elles sont puisées aux bornes d'une résistance de 250 fi pendant 2 s. Six cells similar to the first test cell of Example 4 are produced, with the difference that three of them (samples 1 to 3) contain an electrolyte formed of LiBF4 1M in a mixture at 2: 3 (% by volume) of 3Me20x and DME and that the other three batteries (samples 4 to 6) contain an electrolyte formed of LÌCF3SO3 1M in a 2: 3 mixture (% by volume) of 3Me20x and DME. The batteries are continuously discharged across a 3000 fì resistor and, at different times, they are drawn across a 250 fi resistor for 2 s.
Les tensions observées et le rendement coulombien de la cathode, calculé jusqu'à une tension de coupure de 2,0 V, sont reproduits dans le tableau V. The voltages observed and the Coulomb efficiency of the cathode, calculated up to a cut-off voltage of 2.0 V, are reproduced in Table V.
Tableau V Table V
N° de la pile Battery number
Nombre de jours Number of days
Rendement coulombien de la cathode (%) Coulomb cathode efficiency (%)
1 1
3 3
6 6
8 8
Tensions lues* (V) Read voltages * (V)
1 1
2,92 2.92
2,87 2.87
2,68 2.68
2,11 2.11
89 89
(2,31) (2.31)
(2,31) (2.31)
(2,00) (2.00)
(1,45) (1.45)
2 2
2,83 2.83
2,83 2.83
2,64 2.64
2,07 2.07
87 87
(1,96) (1.96)
(2,03) (2.03)
(1,70) (1.70)
(1,31) (1.31)
3 3
2,87 2.87
2,83 2.83
2,59 2.59
2,28 2.28
88 88
(1,72) (1.72)
(1,86) (1.86)
(1,33) (1.33)
(1,14) (1.14)
4 4
2,89 2.89
2,85 2.85
2,69 2.69
2,28 2.28
88 88
(2,12) (2.12)
(2,15) (2.15)
(L91) (L91)
(1,58) (1.58)
5 5
2,88 2.88
2,82 2.82
2,64 2.64
1,92 1.92
88 88
(2,01) (2.01)
(2,06) (2.06)
(1,87) (1.87)
(1,32) (1.32)
6 6
2,89 2.89
2,85 2.85
2,68 2.68
2,08 2.08
88 88
(2,03) (2.03)
(2,05) (2.05)
(1,81) (1.81)
(1,37) (1.37)
* Les tensions lues placées entre parenthèses sont les tensions puisées et les autres valeurs de tension constituent les lectures de tensions continues observées après la période indiquée. * The voltages read placed in parentheses are the pulsed voltages and the other voltage values constitute the readings of DC voltages observed after the period indicated.
Il va de soi que la présente invention n'a été décrite qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et que de nombreuses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. It goes without saying that the present invention has been described for explanatory purposes, but in no way limiting, and that numerous modifications can be made thereto without departing from its scope.
5 5
5 5
10 10
15 15
20 20
25 25
30 30
35 35
40 40
45 45
50 50
55 55
(Tableau enfin de brevet) (Finally patent table)
642 779 642,779
6 6
Tableau IV Table IV
N° du groupe Group number
Humidité (%) Humidity (%)
Durée d'exposition de la cathode en Mn02 Duration of cathode exposure in Mn02
Dilatation moyenne (mm) après emmagasinage pendant ld Average expansion (mm) after storage during ld
7 d 7 d
1 mois 1 month
2 mois 2 months
3 mois , 3 months ,
Fuites* Leaks *
mAh mAh
1 1
<1 <1
2 h 2 hrs
0 0
-0,025 -0.025
0 0
0/100 0/100
65 65
2 2
3 + 3 +
2 h 2 hrs
+0,076 +0.076
+0,254 +0.254
+0,051 +0.051
+0,025 +0.025
+0,051 +0.051
0/45 0/45
61 61
3 3
2,7 2.7
2h 2h
-0,018 -0.018
-0,025 -0.025
+0,05 +0.05
0 0
-0,025 -0.025
5/16 5/16
72 72
4 4
14 14
30 min 30 mins
+0,254 +0.254
+0,152 +0.152
+0,102 +0.102
+0,102 +0.102
+0,076 +0.076
15/20 15/20
66 66
5 5
14 14
2 h 2 hrs
+0,356 +0.356
+0,305 +0.305
+0,229 +0.229
+0,203 +0.203
+0,178 +0.178
6/20 6/20
62 62
6 6
15 15
25 min 25 mins
+0,305 +0.305
+0,152 +0.152
+0,076 +0.076
— -
+0,076 +0.076
— -
— -
7 7
19 19
50 min 50 mins
+0,470 +0.470
+0,572 +0.572
+0,406 +0.406
+ 0,356 + 0.356
+0,330 +0.330
27/46 27/46
29 29
8 8
26 26
30 min 30 mins
+0,279 +0.279
+0,152 +0.152
+0,102 +0.102
+0,102 +0.102
+0,076 +0.076
6/20 6/20
68 68
9 9
26 26
2 h 2 hrs
+0,432 +0.432
+0,38 +0.38
+0,254 +0.254
+0,279 +0.279
+0,254 +0.254
6/19 6/19
58 58
10 10
27 27
40 min 40 mins
+0,533 +0.533
+0,533 +0.533
+0,38 +0.38
+0,254 +0.254
+0,279 +0.279
27/47 27/47
36 36
11 11
69 69
20-30 min 20-30 mins
+0,584 +0.584
+0,559 +0.559
+0,457 +0.457
+0,406 +0.406
+0,38 +0.38
7/19 7/19
41 41
12 12
72 72
45 min 45 mins
+0,533 +0.533
+0,610 +0.610
+0,432 +0.432
+0,356 +0.356
+0,102 +0.102
37/50 37/50
31 31
* Le premier nombre représente le nombre de piles pour lequel la présence d'électrolyte a été observée et le second nombre est le nombre total de piles du groupe. * The first number represents the number of batteries for which the presence of electrolyte has been observed and the second number is the total number of batteries in the group.
R R
Claims (3)
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