DD277791A1

DD277791A1 - RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY

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.The invention relates to a rechargeable lithium battery, which in addition to the lithium electrode contains a cathode of an organic material, a binder and / or carbon black. This battery is preferably used in electrical engineering / electronics for storage support. The cathode consists of the electrochemical component which is perylenecarboxylic acid or anhydride and / or one or more of its derivatives individually or in mixtures and is preferably contained in mass fractions of 50 to 90%, containing 0.5 to 30 mass% PTFE and 4 to 30 parts by mass of% carbon black and / or graphite. The porosity of the cathode is preferably 10 to 30%. The immediately occurring effect is that the battery according to the invention shows a nearly horizontal charge and discharge characteristic and can be loaded up to 500 mA / cm 2 in continuous operation. The discharge voltage is between 2.20 and 2.45 V, the charging voltage between 2.50 and 2.80 V, depending on the load.

Description

Field of application of the invention

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.The invention relates to the field of electrical engineering / electronics and relates to a battery containing a cathode of an organic material, a binder and carbon black or graphite in addition to a lithium anode.

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.This battery is preferably used in electrical engineering / electronics for memory support. With a storage capacity of 50mAh / g were achieved with 2.4V discharge voltage over 200 charge and discharge cycles.

Characteristic of the known state of the art

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.Storage support with data retention requires energy sources that provide electrical energy immediately after a certain period of time (eg a few hours) in the event of a power failure. These power sources are brought back to the operating state after elimination of the causes of power failure by suitable charging devices.

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.The use of commercial rechargeable batteries (eg on the basis of nickel / cadmium), although allow a longer operation, if the network always fails only for a short time. But in case of prolonged failure, planned downtime, transport, storage u.a. These energy sources are unfavorable because of their high self-discharge rates.

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.Known are lithium button batteries from the company. Panasonic, type CL2020 (company publications of Matsushita Electronic Industrial Company, Japan), or lithium round cells from the company. Molicel, type C-00023 or type C-00025 (US-PS 42 24390.42 33377 , 4281048), which are commercially available and used for memory support.

Neben einer Lithiumanode sind in diesen Batterien Katoden aus Kohlenstoffasern oder Molybdänsulfid enthalten.In addition to a lithium anode, these batteries contain carbon fiber or molybdenum sulfide cathodes.

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.An advantage of these batteries is that they show a much lower tendency to self-discharge compared to conventional rechargeable batteries, so that the readiness for operation is maintained even after a long period of inactivity of the battery.

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.The disadvantage, however, that these batteries have strong decaying discharge curves with voltage differences up to 1000mV and high charging voltages are required, which can lead to irreversible changes inside the battery.

Eine weitere Entwicklungsricjitung sind Lithiumbatterien mit Lithiumanoden und Polymerkatoden mit konjugierten Doppelbindungen.Another development is lithium batteries with lithium anodes and polymer cathodes with conjugated double bonds.

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.Thus, according to the US-PS 4321114 known to use a cathode of polymer, mainly of polyacetylene. But the polymer has against used as storage components anions CIO ₄ -, BF ₄ -or ASFG-high sensitivity and quickly reacts with atmospheric oxygen, causing the electrochemical properties change rapidly.

Bekannt sind weiterhin durch die DD-WP 240285 und 240286 Polymerelektroden, die aus thermostrukturierten Polymeren bestehen.DD-WP 240285 and 240286 furthermore disclose polymer electrodes which consist of thermostructured polymers.

Die Herstellung dieser Polymerelektroden ist, bedingt durch die Vorbehandlungen der eingesetzten Polymere, aufwendig.The preparation of these polymer electrodes, due to the pretreatments of the polymers used, consuming.

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.Because of the low current densities achieved so far and the low number of cycles, lithium batteries with polymer electrodes have not yet become established and are not yet commercially available.

Ziel der ErfindungObject of the invention

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.The object of the invention is an economically producible lithium battery, which has a long service life with constant operating characteristics, in particular high current densities and approximately horizontal charging and discharging characteristics.

Explanation of the essence of the invention

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.The invention has for its object to provide a lithium battery, in which in addition to a lithium anode, a cathode of a material is present, which can be formed without pretreatment to form an electrode. During the cyclization of the battery inside irreversible changes should occur.

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.The object of the invention is achieved in that the battery, as already known, consists of a steel housing with cover, inside the steel housing a lithium anode, a separator, an aprotic electrolyte and according to the invention a mechanically stable cathode are included. The cathode consists of the electrochemically active component PTFE as binder and carbon black and / or graphite.

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%.According to the invention, the electrochemically active component is perylenetetracarboxylic acid or anhydride and / or one or more of its derivatives, individually or in mixtures, and is preferably contained in the cathode in proportions of 50 to 90%. The content of PTFE in the cathode is preferably 0.5 to 30 parts by mass in% and carbon black and / or graphite 4 to 30 parts by mass in%. The porosity of the cathode is preferably 10 to 30%.

Die erfindungsgemäße Batterie zeigt nahezu horizontale Lade- und Entladekennlinien und ist bis 500uA/cm² im Dauerbetrieb belastbar.The battery according to the invention shows almost horizontal charging and discharging characteristics and can be loaded up to 500uA / cm ² in continuous operation.

Die Entladespannung liegt zwischen 2,20 und 2,45 V, die Ladespannung zwischen 2,50 und 2,80 V, abhängig von der Belastung.The discharge voltage is between 2.20 and 2.45 V, the charging voltage between 2.50 and 2.80 V, depending on the load.

Die Speicherkapazität beträgt mindestens 50mAh/g Masse der Katode. Die Batterie erreicht mindestens 200 Zyklen.The storage capacity is at least 50mAh / g mass of the cathode. The battery reaches at least 200 cycles.

Nachstehend soll die Erfindung durch ein Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail by an embodiment.

1. Ausführungsbetspiel1st execution game

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.The battery consists of a steel case with a diameter of 20mm and a height of 3.2mm. In this housing are a circular lithium anode of 16 mm diameter, an organic, aprotic mixed electrolyte impregnated separator of fine-pored glass fiber fleece and a cathode of 70 mass parts (2,9-bis- (p-methoxybenzyl) -anthra (2,1,9- def: 6, 5, 10, d ', e', f ') diisoquinoline-1,3,8,10 (2H, 9H) -tetrone and 30 parts by mass of carbon black and polytetrafluoroethylene in a ratio of 10: 1. The cathode is characterized by The battery has a capacity of 10mAh at currents of 10pA to 1mA and discharge voltages of 2.3 to 2.5V 3V and a discharge voltage of> 2.2V at over 200.

Claims

claims:

1. A rechargeable lithium battery, consisting of a steel housing, a lithium anode, an inert cutter, an aprotic organic electrolyte and a cathode, characterized in that this cathode is a mechanically stable electrode containing as electrochemically active component perylenetetracarboxylic acid or anhydride and / or contains one or more of their derivatives individually or in mixtures and PTFE as a binder and carbon black and / or graphite and has a high porosity.

2. Rechargeable lithium battery according to claim 1, characterized in that the cathode as the electrochemically active component known as "black pigment" (2,9-bis (P-methoxybenzyl) -anthra (2,1,9-def.: 6, 5,10, d ', e', f ') diisoquinoline-1,3,8,10 (2H, 9H) -tetrone.

3. A rechargeable lithium battery according to claim 1, characterized in that the content of the electrochemically active components in the cathode is 50 to 90 parts by weight in% of the total mass of the cathode.

4. Rechargeable lithium battery according to claim 1, characterized in that the content of PTFE binder is 0.5 to 30 parts by mass.

5. Rechargeable lithium battery according to claim 1, characterized in that the proportion of carbon black and / or graphite is 4 to 30 parts by mass in%.

6. A rechargeable lithium battery according to claim 1, characterized in that the cathode has a porosity of 10 to 30%.