DD282331A5 - RECHARGEABLE BATTERIES - Google Patents

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DD282331A5
DD282331A5 DD89326334A DD32633489A DD282331A5 DD 282331 A5 DD282331 A5 DD 282331A5 DD 89326334 A DD89326334 A DD 89326334A DD 32633489 A DD32633489 A DD 32633489A DD 282331 A5 DD282331 A5 DD 282331A5
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DD
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batteries
charge density
energy
polyarylenevinylenes
lithium
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Application number
DD89326334A
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German (de)
Inventor
Wolfgang Schneider
Klaus Wiesener
Dietmar Rahner
Egbert Triebel
Manfred Helbig
Hans-Heinrich Hoerhold
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Tu Dresden Dir Forschung
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Abstract

Die Erfindung betrifft wiederaufladbare Batterien, vorzugsweise Lithiumbatterien, die als elektrochemische Sekundaerstromquellen zur Energieversorgung mikroelektronischer Geraete sowie in Akkumulatoren fuer Fahrzeuge eingesetzt werden koennen. Aufgabe der Erfindung ist es, Batterien zu entwickeln, die eine hohe Energie- und Ladungsdichte besitzen, so dasz sie als elektrochemische Sekundaerstromquellen eine grosze Zyklenanzahl, d. h. hohe Lebensdauer, erreichen. Erfindungsgemaesz wird die Aufgabe dadurch geloest, dasz die Elektroden fuer diese Batterien neben an sich bekannten Zusaetzen wie Acetylenrusz und Bindemittel schwerloesliche substituierte Polyarylenvinylene enthalten. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dasz die erfindungsgemaeszen substituierten Polyarylenvinylene in allen Redoxstufen im Elektrolyten schwerloeslich bleiben und eine Erhoehung der Energie- und Ladungsdichte um ein Mehrfaches erreicht wird.{Batterie; Sekundaerstromquelle; Lithium; organische Polymerverbindung; substituierte Polyarylenvinylene; aprotisches Loesungsmittel; Energiedichte; Ladungsdichte; Zyklisiereigenschaften}The invention relates to rechargeable batteries, preferably lithium batteries, which can be used as electrochemical Sekundaerstromquellen for power supply of microelectronic devices and in batteries for vehicles. The object of the invention is to develop batteries which have a high energy and charge density, so that they as electrochemical Sekundaerstromquellen a large number of cycles, d. H. long life, reach. According to the invention, the object is achieved by the electrodes for these batteries containing, in addition to additives known per se, such as acetylene resin and binders, unsubstituted or substituted polyarylenevinylenes. The advantage of the invention is that the substituted polyarylenevinylenes according to the invention remain insoluble in all redox stages in the electrolyte and an increase of the energy and charge density is achieved many times over. Sekundaerstromquelle; Lithium; organic polymer compound; substituted polyarylenevinylenes; aprotic solvent; Energy density; Charge density; Zyklisiereigenschaften}

Description

R3: H, CN, NO2, COORR 3: H, CN, NO 2, COOR

und R1 und R2 gleich oder verschieden sein können.and R 1 and R 2 may be the same or different.

3. Batterie nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektrode in einem aprotischen organischen. Elektrolyten eingesetzt ist.3. Battery according to claim 1, characterized in that the electrode in an aprotic organic. Electrolyte is used.

4. Batterie nach den Ansprüchen 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Elektrolyt Lithiumhexafluorophosphat in Propylencarbonat ist.4. Battery according to claims 1 and 3, characterized in that the electrolyte is lithium hexafluorophosphate in propylene carbonate.

5. Batterie nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektrode aus Polyarylenvinylen zusammen mit einer Leichtmetallelektrode eingesetzt ist.5. Battery according to claim 1, characterized in that the electrode of polyarylenevinylene is used together with a light metal electrode.

6. Batterie nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß eine Lithiumelektrode eingesetzt ist.6. Battery according to claim 5, characterized in that a lithium electrode is used.

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft wiederaufladbare Batterien, die als Stromquellen im Niedrigstrombereich zur Energieversorgung mikroelektronischer Geräte bei externer Ladung oder als Pufferstromquelle in derartigen Geräten mit Solarzellen sowie im höheren Strombereich in Akkumulatoren für Fahrzeuge und stationäre Anwendung eingesetzt werden können.The invention relates to rechargeable batteries that can be used as power sources in the low-current range for powering microelectronic devices with external charge or as a buffer power source in such devices with solar cells and in the higher current range in batteries for vehicles and stationary application.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Es ist bekannt, daß moderne wiederaufladbare elektrochemische Stromquellen in der Entwicklung stehen, die herkömmlichen Sekundärbatterien wie Blei- und Nickel-Cadmium-Akkumulatoren in wesentlichen Parametern, insbesondere Energie- und Ladungsdichte sowie Zyklenzahl, überlegen sind und eine Miniaturisierung für mikroelektronische Anwendungen gestatten. So wurde eine breite Vielfalt verschiedenster, meist konjugierter 'irganischer Polymere hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit als elektrochemisch aktive Materialien in Lithiumsekundärzellen untersucht. Darunter befinden sich solche Polymere wie Polyacetylen, Polypyrrol, Polyanilin oder Poly(p-phenylen). die im allgemeinen in der positiven, aber im Falle von Polyacetylen oder Poly(p-phenylen) auch in der negativen Elektrode eingesetzt werden. Jedoch sind wesentliche Kenndaten, vor allem Energie- und Ladungsdichte sowie die Zyklenlebensdauer, der genannten Polymere noch unzureichend, so daß versucht wird, durch Entwicklung und Einsatz anderer organischer Polymerverbindungen bessere Elektrodeneigenschaften zu erzielen. Erfolgsversprechend bezüglich des Einsatzes im genannten Anwendungsgebiet der Erfindung scheinen Polyarylenvinylene zu "sein. An löslichen arylsubstituierten Polyarylenvinylenen wurde eine prinzipielle Zyklisierbarknit in Leichtmetallakkumulatoren nachgewiesen (DDR-Patent DD 230963 A1). Die Verwendung von schwerlöslichen nichtarylsubstituiorten Polyarylenvinylenen als Aktivmatenal in Elektroden für Batteriesysteme mit aprotischen Elektrolytlösungen ist nicht bekannt.It is known that modern rechargeable electrochemical current sources are under development, which are superior to conventional secondary batteries such as lead and nickel-cadmium storage batteries in essential parameters, in particular energy and charge density and number of cycles, and allow miniaturization for microelectronic applications. Thus, a wide variety of different, mostly conjugated '' Irganic polymers have been investigated for their utility as electrochemically active materials in lithium secondary cells. These include such polymers as polyacetylene, polypyrrole, polyaniline or poly (p-phenylene). which are generally used in the positive, but in the case of polyacetylene or poly (p-phenylene) in the negative electrode. However, essential characteristics, especially energy and charge density and the cycle life of said polymers are still insufficient, so that it is attempted to achieve better electrode properties by development and use of other organic polymer compounds. Polyarylenevinylenes appear to be promising with respect to use in the abovementioned field of application of the invention. [0006] The use of sparingly soluble nonaryl-substituted polyarylenevinylenes as active materials in electrodes for battery systems with aprotic electrolyte solutions has been demonstrated on soluble aryl-substituted polyarylenevinylenes in light-metal accumulators (DDR patent DD 230963 A1) is not known.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, Batterien mit hoher Energie- und Ladungsdichte sowie großer Zyklenanzahl zur Verfügung zu stellen, die aufgrund dieser Eigenschaften energieökonomisch günstiger sind.The aim of the invention is to provide batteries with high energy and charge density and large number of cycles available, which are energy-economically favorable due to these properties.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Batterien hoher Energie- und Ladungsdichte sowie großer Zyklenanzahl zu entwickeln. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß schwerlösliche substituierte Polyarylenvinylene des allgemeinen Typs 1The invention has for its object to develop batteries high energy and charge density and large number of cycles. According to the invention, the object is achieved by sparingly soluble substituted polyarylenevinylenes of the general type 1

in den positiven und/oder negativen Elektroden verwendet werden, wobei die Reste R,, R2 und R3 folgende Bedeutung haben:be used in the positive and / or negative electrodes, wherein the radicals R ,, R 2 and R 3 have the following meaning:

R, und R2 H, OCH3, OAIkyl, CH3, NR2, Halogen, CNR and R 2 are H, OCH 3 , OAlkyl, CH 3 , NR 2 , halogen, CN

R3 H, CN, NO2, COORR 3 is H, CN, NO 2, COOR

und R| und R2 gleich oder verschieden .«.ein können.and R | and R 2 may be the same or different.

Beispielsweise können Poly(2,5-din;ethoxy-1,4-phenylenvinylen) 2For example, poly (2,5-dinethoxy-1,4-phenylenevinylene) 2

CH=CH-CH = CH-

Poly(2,5-dimethoxy-1 ^-phenylen^-cyanovinylen-i ,4-phenylen-1 -cyanovinylen) 3Poly (2,5-dimethoxy-1-phenylene-cyanovinylene-i, 4-phenylene-1-cyanovinylene) 3

C=CH-C = CH-

und Poly(2,5-dimethoxy-1,4-phenylen-2-cyanovinylen-2,5-dimethoxy-1,4-phenylen-1-cyanovinylen) 4and poly (2,5-dimethoxy-1,4-phenylene-2-cyano-vinylene-2,5-dimethoxy-1,4-phenylene-1-cyanovinylene) 4

OCHOCH

C=CH IC = CH I

CN OCH3 CNCN OCH 3 CN

als substituierte Polyarylenvinylene des Typs 1 verwendet werden.are used as substituted type 1 polyarylenevinylenes.

Überraschend wurde gefunden, daß die erfindungsgemäßen schwerlöslichen substituierten Polyarylenvinylene in :ΊΙοη Redoxstufen, selbst irr. hoch oxidierten Zustand, im Elektrolyten schwerlöslich bleiben, woraus der Vorteil einer äußerst geringen Selbstentladerate resultiert. Weiterhin enthält die Elektrode Zusätze, die zu einer Verbesserung der Leitfähigkeit und Porosität führen sollen, beispielsweise Ruß, sowie ggf. ein Bindemittel zur Erhöhung der mechanischen Stabilität. Damit sind die erfindungsgemäßen Elektrodenzusammensetzungen beispielsweise für Sekundärzellen mit Leichtmetallelektroden, vorzugsweise Lithium, und aprotischen organischen Elektrolyten besonders gut geeignet, wobei als organisches Lösungsmittel die an sich bekannten Verbindungen, beispielsweise Propylencarbonat mit und ohne Zusätze, in Verbindung mit ebenfalls bekannten Leitsalzen wie Lithiumhexafluorop.iosphat, Lithiumhexafluoroarsenat, u. a. zu verwenden sind. Überraschend wurde bei Verwendung von Lithiumhexafluorophosphat in Propylencarbonat als Elektrolyt oine wesentliche Erhöhung der Energie- und Ladungsdichte der Leichtmetallbatterie mit der erfindungsgemäßen Elektrode um ein Mehrfaches gegenüber anderen Elektrolyten beobachtet, wobei die positive Wirkung dieses Elektrolyten auch beobachtet wurde, wenn beide Elektroden aus einem Polyarylenvinylen bestanden.Surprisingly, it has been found that the sparingly soluble substituted polyarylenevinylenes according to the invention in: Redοη redox stages, even irr. highly oxidized state, remain sparingly soluble in the electrolyte, resulting in the advantage of extremely low Selbstentladerate results. Furthermore, the electrode contains additives which should lead to an improvement of the conductivity and porosity, for example carbon black, and optionally a binder for increasing the mechanical stability. Thus, the electrode compositions according to the invention are particularly well suited for example for secondary cells with light metal electrodes, preferably lithium, and aprotic organic electrolytes, the known organic compounds being the known compounds, for example propylene carbonate with and without additives, in conjunction with also known conductive salts such as lithium hexafluoropiophosphate, Lithium hexafluoroarsenate, u. a. to be used. Surprisingly, when using lithium hexafluorophosphate in propylene carbonate as the electrolyte, a substantial increase in the energy and charge density of the light metal battery with the electrode according to the invention was observed by a multiple over other electrolytes, and the positive effect of this electrolyte was also observed if both electrodes consisted of a polyarylenevinylene.

Ausführungsbeispieleembodiments

Beispiel 1example 1

Die positive Elektrode wird hergestellt, indem man 20mg Poly(2,5-dimethoxy-1,4-phenylen-2-cyanovinylen-1,4-phenylen-1-cyanovinylen) mit der gleichen Menge hydrophobiertem Ruß (35 Gewichtsteile Teflon, 65 Gewichtsteile Acetylenruß) versetzt und homogenisiert. Von diesem Gemisch werden entsprethende Mengen mit etwa 40kN/Elektrode auf ein Nickelnetz (Durchmesser: 5 mm) auf- bzw. eingepreßt. Die negative Elektrode wird durch Einpressen einer Lithiumscheibe in ein Nickelnetz hergestellt. Beide Elektroden tauchen in eine einmolare Lösung von LiPF6 in Propylencarbonat als Elektrolyt. Es wurden mehr als 12 Zyklen unter Verwendung einer Stromdichte von 50 Mikroampere pro Quadratzentimeter bei einer Spannungsbegrenzung zwischen 1,0 und 4,0 V erreicht.The positive electrode is prepared by adding 20 mg of poly (2,5-dimethoxy-1,4-phenylene-2-cyanovinylene-1,4-phenylene-1-cyanovinylene) with the same amount of hydrophobized carbon black (35 parts by weight Teflon, 65 parts by weight Acetylene black) and homogenized. From this mixture entsprethende amounts with about 40kN / electrode on a nickel mesh (diameter: 5 mm) pressed or pressed. The negative electrode is made by forcing a lithium disk into a nickel mesh. Both electrodes are immersed in a one-molar solution of LiPF 6 in propylene carbonate as the electrolyte. More than 12 cycles were achieved using a current density of 50 microamps per square centimeter with a voltage limitation between 1.0 and 4.0V.

Beispiel 2Example 2

Das Elektrodenmaterial der positiven Elektrode wird hergestellt, indem 150mg Poly(2,5-dimethoxy-1,4-phenylen-2-cyanovinylen-M-phenylen-i-cyanovinylen) mit gleicher Menge hydrophobiertem Ruß (35 Gewichtsteile Teflon, 65 Gewichtsteile Acetylenruß) homogenisiert werden.The electrode material of the positive electrode is prepared by adding 150 mg of poly (2,5-dimethoxy-1,4-phenylene-2-cyanovinylene-M-phenylene-i-cyanovinylene) with the same amount of hydrophobized carbon black (35 parts by weight of teflon, 65 parts by weight of acetylene black). be homogenized.

Das so erhaltene Gemisch wird unter Zuhilfenahme eines entsprechenden Pre.'öwerkzeuges zu Tabletten mit einem Durchmesser von 16mm und einer Tablettenhöhe von 0,8mm gepreßt.The resulting mixture is pressed with the aid of a corresponding Pre.'öwerkzeuges into tablets with a diameter of 16 mm and a tablet height of 0.8 mm.

Dabei wird ein Preßdruck von 60kN/Tablette bei einer Preßdauer von 2 min angewendet.In this case, a pressing pressure of 60kN / tablet is applied at a pressing time of 2 min.

Die negative Elektrode wird durch Ausstanzen einer Lithiumscheibe desselben Durchmessers hergestellt. Beide Elektroden werden in einem Edelstahl-Gehäuse untergebracht und durch ein mit einem aus einer 1-M-Lösung von LiPF6 in wasserfreiem Propylencarbonat bestehenden Elektrolyten getränktes Polypropylenvlies mechanisch getrennt und elektrisch verbunden.The negative electrode is made by punching out a lithium disk of the same diameter. Both electrodes are housed in a stainless steel housing and mechanically separated and electrically connected by an impregnated with a consisting of a 1 M solution of LiPF 6 in anhydrous propylene carbonate electrolyte nonwoven fabric.

Mit der so hergestellten Knopfzelle wurden mehr als 14 Zyklen bei einer Stromdichte von 50 Mikroampere pro Quadratzentimeter und einer Spannungsbegrenzung zwischen 1,0 und 4,0 Volt erreicht.With the button cell thus produced, more than 14 cycles were achieved at a current density of 50 microamps per square centimeter and a voltage limit between 1.0 and 4.0 volts.

Claims (2)

Patentansprüche:claims: 1. Wiederaufladbare Batterie, gekenn .eichnet dadurch, daß wenigstens eine Elektrode neben an sich bekannten Zusätzen wie Acetylenruß und Bindemittel ein schwerlösliches Poiyarylenvinylen enthält.1. rechargeable battery, gekenn .eichnet characterized in that at least one electrode in addition to known additives such as acetylene black and binder contains a sparingly soluble Poiyarylenvinylen. 2. Batterie, nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Polyarylenvinylen gemäß der allgemeinen Formel 1 eubstitutie.t ist,2. Battery, according to claim 1, characterized in that the Polyarylenvinylen according to the general formula 1 eubstitutie.t is, =CH= CH ι r='ι r = ' R3 R2 R 3 R 2 R-R- n?3n? 3 wobei R1, R2 und R3 die folgende Bedeutung haben. R1 und R2: H, OCH3, OC2H5, CH3, NR2, Halogen,wherein R 1 , R 2 and R 3 have the following meaning. R 1 and R 2 : H, OCH 3 , OC 2 H 5 , CH 3 , NR 2 , halogen,
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