DD277791A1

DD277791A1 - Wiederaufladbare lithiumbatterie

Info

Publication number: DD277791A1
Application number: DD88322723A
Authority: DD
Inventors: Ernst Brackmann; Gerd Fehrmann; Ruediger Wolf; Rudolf Neumann; Peter Ribhter; Hans-Georg Doege; Lothar Wuckel; Gerd Lehmann; Anton Bartl; Juergen Froehner; Guenther Domschke
Original assignee: Pirna Fahrzeugelektrik
Priority date: 1988-12-07
Filing date: 1988-12-07
Publication date: 1990-04-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine wiederaufladbare Lithiumbatterie, die neben der Lithiumelektrode eine Katode aus einem organischen Material, einem Bindemittel und/oder Russ enthaelt. Diese Batterie wird in der Elektrotechnik/Elektronik vorzugsweise zur Speicherstuetzung angewendet. Die Katode besteht aus der elektrochemischen Komponente, die Perylencarbonsaeure oder -anhydrid und/oder eines oder mehrerer ihrer Derivate einzeln oder in Gemischen ist und vorzugsweise in Massenanteilen von 50 bis 90% enthalten ist, einem Gehalt von 0,5 bis 30 Massenanteilen in % PTFE und 4 bis 30 Massenanteilen von % Russ und/oder Graphit. Die Porositaet der Katode betraegt vorzugsweise 10 bis 30%. Die unmittelbar eintretende Wirkung ist, dass die erfindungsgemaesse Batterie eine nahezu horizontale Lade- und Entladekennlinie zeigt und bis 500 mA/cm2 im Dauerbetrieb belastbar ist. Die Entladespannung liegt zwischen 2,20 und 2,45 V, die Ladespannung zwischen 2,50 und 2,80 V, abhaengig von der Belastung.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Elektrotechnik/Elektronik und betrifft eine Batterie, die neben einer Lithiumanode eine Katode aus einem organischen Material, einem Bindemittel und Ruß oder Graphit enthält.

Diese Batterie wird in der Elektrotechnik/Elektronik vorzugsweise zur Speicherstützung angewendet. Bei einer Speicherkapazität von 50mAh/g wurden mit 2,4V Entladespannung über 200 Lade-und Entladezyklen erreicht.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Für die Speicherstützung mit Datenerhalt sind Energiequellen erforderlich, die bei Netzausfall sofort über einen bestimmten Zeitraum (z. B. einige Stunden) elektrische Energie zur Verfügung stellen. Diese Stromquellen werden nach Behebung der Ursachen des Netzausfalls durch geeignete Ladevorrichtungen wieder in den Betriebszustand gebracht.

Der Einsatz von kommerziellen wiederaufladbaren Batterien (z. B. auf der Basis Nickel/Cadmium) gestatten zwar einen längeren Betrieb, wenn das Netz immer nur kurzzeitig ausfällt. Aber bei längerem Ausfall, geplanten Stillstandszeiten, Transport, Lagerung u.a. sind diese Energiequellen wegen ihrer hohen Selbstentladungsraten ungünstig.

Bekannt sind Lithium-Knopfbatterien der Fa. Panasonic, Typ CL2020 (Firmenschriften von Matsushita Electronic Industrial Company, Japan), oder Lithium-Rundzellen der Fa. Molicel, Typ C-00023 oder Typ C-00025 (US-PS 42 24390,42 33377,4281048), die handelsüblich verfügbar sind und zur Speicherstützung eingesetzt werden.

Neben einer Lithiumanode sind in diesen Batterien Katoden aus Kohlenstoffasern oder Molybdänsulfid enthalten.

Von Vorteil bei diesen Batterien ist, daß sie gegenüber herkömmlichen wiederaufladbaren Batterien eine wesentlich geringere Neigung zur Selbstentladung zeigen, so daß auch nach längerem Stillstand der Batterie die Betriebsbereitschaft erhalten bleibt.

Nachteilig ist jedoch, daß diese Batterien stark abfallende Entladekurven mit Spannungsdifferenzen bis zu 1000mV aufweisen und hohe Ladespannungen erforderlich sind, die zu irreversiblen Veränderungen im Inneren der Batterie führen können.

Eine weitere Entwicklungsricjitung sind Lithiumbatterien mit Lithiumanoden und Polymerkatoden mit konjugierten Doppelbindungen.

So ist nach der US-PS 4321114 bekannt, eine Katode aus Polymer, hauptsächlich aus Polyacetylen, einzusetzen. Aber das Polymer weist gegen die als Einlagerungskomponenten verwendeten Anionen CIO₄-, BF₄-oder AsFg-eine hohe Empfindlichkeit auf und reagiert schnell mit Luftsauerstoff, wodurch sich die elektrochemischen Eigenschaften rapid verändern.

Bekannt sind weiterhin durch die DD-WP 240285 und 240286 Polymerelektroden, die aus thermostrukturierten Polymeren bestehen.

Die Herstellung dieser Polymerelektroden ist, bedingt durch die Vorbehandlungen der eingesetzten Polymere, aufwendig.

Wegen der bisher erreichten niedrigen Stromdichten und der geringen Zyklenzahl haben sich Lithiumbatterien mit Polymerelektroden noch nicht durchgesetzt und sind im Handel noch nicht verfügbar.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in einer ökonomisch herstellbaren Lithiumbatterie, die eine hohe Betriebsdauer bei gleichbleibenden Gebrauchseigenschaften aufweist, insbesondere hohe Stromdichten und annähernd horizontale Lade- und Entladekennlinien.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lithiumbatterie anzugeben, bei der neben einer Lithiumanode eine Katode aus einem Material vorhanden ist, das ohne Vorbehandlung zu einer Elektrode geformt werden kann. Während der Zyklisierung der Batterie sollen im Inneren keine irreversiblen Veränderungen eintreten.

Die Aufgabe der Erfindung ist dadurch gelöst, daß die Batterie wie bereits bekannt, aus einem Stahlgehäuse mit Deckel besteht, im Inneren des Stahlgehäuses eine Lithiumanode, ein Scheider, ein aprotischer Elektrolyt und erfindungsgemäß eine mechanisch stabile Katode enthalten sind. Die Katode besteht aus der elektrochemisch aktiven Komponente PTFE als Bindemittel und Ruß und/oder Graphit.

Erfindungsgemäß ist die elektrochemisch aktive Komponente Perylentetracarbonsäure oder -anhydrid und/oder eines oder mehrere ihrer Derivate einzeln oder in Gemischen und ist vorzugsweise in Massenanteilen von 50 bis 90% in der Katode enthalten. Der Gehalt an PTFE beträgt in der Katode vorzugsweise 0,5 bis 30 Massenanteile in % und an Ruß und/oder Graphit 4 bis 30 Massenanteile in %. Die Porosität der Katode ist vorzugsweise 10 bis 30%.

Die erfindungsgemäße Batterie zeigt nahezu horizontale Lade- und Entladekennlinien und ist bis 500uA/cm² im Dauerbetrieb belastbar.

Die Entladespannung liegt zwischen 2,20 und 2,45 V, die Ladespannung zwischen 2,50 und 2,80 V, abhängig von der Belastung.

Die Speicherkapazität beträgt mindestens 50mAh/g Masse der Katode. Die Batterie erreicht mindestens 200 Zyklen.

Nachstehend soll die Erfindung durch ein Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

1. Ausführungsbetspiel

Die Batterie besteht aus einem Gehäuse aus Stahl mit einem Durchmesser von 20mm und einer Höhe von 3,2 mm. In diesem Gehäuse sind eine kreisförmige Lithiumanode von 16 mm Durchmesser, ein mit organischem, aprotischen Mischelektrolyten getränkter Scheider aus feinporigem Glasfaservlies und eine Katode aus 70 Massenteilen (2,9-Bis-(p-methoxybenzyl)-anthra(2,1,9-def:6,5,10,d',e',f')diisochinolin-1,3,8,10(2H, 9H)-tetron und 30 Massenteilen Ruß und Polytetrafluorethylen im Verhältnis 10:1 enthalten. Die Katode ist durch einen Stahlring stabilisiert und weist eine Porosität von 25% auf. Die Batterie hat eine Kapazität von 1OmAh bei Stromstärken von 10pAbis 1 mAund Entladespannungen von 2,3 bis 2,5V. Die Ladeströme können bis 2mA betragen. Die Zyklenzahl liegt bei einer Ladespannung von <3V und einer Entladespannung von >2,2V bei über 200.

Claims

Patentansprüche:

1. Wiederaufladbare Lithiumbatterie, bestehend aus einem Stahlgehäuse, einer Lithiumanode, einem inerten Schneider, einem aprotischen organischen Elektrolyten und einer Katode, gekennzeichnet dadurch, daß diese Katode eine mechanisch-stabile Elektrode ist, die als elektrochemisch aktive Komponente Perylentetracarbonsäure oder -anhydrid und/oder eines oder mehrere ihrer Derivate einzeln oder in Gemischen sowie PTFE als Bindemittel und Ruß und/oder Graphit enthält und eine hohe Porosität besitzt.
2. Wiederaufladbare Lithiumbatterie nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Katode als elektrochemisch aktive Komponente das als „Schwarzpigment" bekannte (2,9-Bis-(P-methoxybenzyl)-anthra(2,1,9-def.:6,5,10,d',e',f')diisochinolin-1,3,8,10(2H,9H)-tetron enthält.
3. Wiederaufladbare Lithiumbatterie nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Gehalt der elektrochemisch aktiven Komponenten in der Katode 50 bis 90 Masseanteile in % der Gesamtmasse der Katode beträgt.
4. Wiederaufladbare Lithiumbatterie nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Gehalt an PTFE-Bindemittel 0,5 bis 30 Massenanteile beträgt.
5. Wiederaufladbare Lithiumbatterie nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Anteil an Ruß und/oder Graphit 4 bis 30 Massenanteile in % beträgt.
6. Wiederaufladbare Lithiumbatterie nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Katode eine Porosität von 10 bis 30% aufweist.