DE102011106036A1 - Process for the preparation of alkaline polymer electrolyte membranes for galvanic elements - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer alkalischen Polymerelektrolyt-Membran für galvanische Elemente, derartig hergestellte Polymerelektrolyt-Membranen und diese Polymerelektrolyt-Membranen enthaltende galvanische Elemente sowie die Verwendung dieser Polymerelektrolyt-Membranen in beispielsweise Metall/Luft-Zellen, Metall/Metalloxid-Zellen, Metall/Metallhydrid-Zellen und alkalische Brennstoffzellen.The present invention relates to a process for producing an alkaline polymer electrolyte membrane for galvanic elements, polymer electrolyte membranes prepared in this way and galvanic elements containing these polymer electrolyte membranes and the use of these polymer electrolyte membranes in, for example, metal / air cells, metal / metal oxide cells , Metal / metal hydride cells and alkaline fuel cells.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer alkalischen Polymerelektrolyt-Membran für galvanische Elemente, derartig hergestellte Polymerelektrolyt-Membranen und diese Polymerelektrolyt-Membranen enthaltende galvanische Elemente sowie die Verwendung dieser Polymerelektrolyt-Membranen in beispielsweise Metall/Luft-Zellen, Metall/Metalloxid-Zellen, Metall/Metallhydrid-Zellen und alkalische Brennstoffzellen.The present invention relates to a process for producing an alkaline polymer electrolyte membrane for galvanic elements, polymer electrolyte membranes prepared in this way and galvanic elements containing these polymer electrolyte membranes and the use of these polymer electrolyte membranes in, for example, metal / air cells, metal / metal oxide cells , Metal / metal hydride cells and alkaline fuel cells.
Ionen-leitende Polymere in nicht-wässrigen (i. e. aprotischen) Elektrolyt-Systemen sind im Stand der Technik bekannt (vgl. beispielsweise
Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neues Polymerelektrolyt-System, welches ausgezeichnete physikalisch-chemische Eigenschaften, wie eine ausgezeichnete mechanische Stabilität auch ohne Hilfsmittel wie beispielsweise Glasfasern und gleichzeitig ausgezeichnete elektrochemische Eigenschaften wie eine ausgezeichnete spezifische ionische Leitfähigkeit aufweisen soll, und ein neues Verfahren zur Herstellung derartiger Polymerelektrolyt-Systeme für galvanische Elemente mit hohen Leistungsdichten bereitzustellen.Thus, it is an object of the present invention to provide a novel polymer electrolyte system which is said to have excellent physicochemical properties such as excellent mechanical stability even without auxiliaries such as glass fibers and at the same time excellent electrochemical properties such as excellent specific ionic conductivity To provide methods for producing such polymer electrolyte systems for galvanic elements with high power densities.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausführungsformen gelöst.This object is achieved by the embodiments characterized in the claims.
Insbesondere wird ein Verfahren zur Herstellung einer Polymerelektrolyt-Membran für galvanische Elemente bereitgestellt, umfassend die in nachstehender Abfolge durchzuführenden Schritte:
- (a) Erwärmen von 4 bis 25 Gew.-% Polymer in Wasser auf eine Temperatur T1 von 80 bis 100°C;
- (b) Zugeben einer wässrigen 1 bis 20 M Alkalihydroxid-Lösung;
- (c) gegebenenfalls Zugeben von 0,5 bis 30 Gew.-%, bezogen auf das Polymer, eines pulverförmigen Materials, ausgewählt aus anorganischen Oxiden, Carbonaten und Sulfaten, mit einem mittleren Teilchendurchmesser d50 < 100 nm;
- (d) Erwärmen der nach Schritt (b) oder (c) erhaltenen Lösung oder Suspension auf eine Temperatur T2 von 80 bis 110°C, wobei T2 ≥ T1 ist;
- (e) Aufbringen der Lösung oder Suspension auf einen Träger in einer für eine Schichtdicke von 10 bis 1000 μm geeigneten Menge und Abkühlenlassen der aufgebrachten Lösung oder Suspension unter Erhalt der Polymerelektrolyt-Membran auf dem Träger;
- (f) gegebenenfalls Trocken der Polymerelektrolyt-Membran unter CO2-Ausschluß zur Einstellung des Wassergehalts.
- (a) heating 4 to 25% by weight of polymer in water to a temperature T 1 of 80 to 100 ° C;
- (b) adding an aqueous 1 to 20 M alkali hydroxide solution;
- (c) optionally adding from 0.5 to 30% by weight, based on the polymer, of a powdery material selected from inorganic oxides, carbonates and sulphates, having an average particle diameter d 50 <100 nm;
- (d) heating the solution or suspension obtained after step (b) or (c) to a temperature T 2 of 80 to 110 ° C, wherein T 2 ≥ T 1 ;
- (e) applying the solution or suspension to a support in a suitable amount for a layer thickness of 10 to 1000 microns and allowing the applied solution or suspension to cool to obtain the polymer electrolyte membrane on the support;
- (f) optionally drying the polymer electrolyte membrane under CO 2 exclusion to adjust the water content.
Das in Schritt (a) erfindungsgemäß verwendete Polymer unterliegt keiner besonderen Einschränkung, soll aber elektrochemisch und im alkalischen Bereich stabil sein und in Wasser bei Temperaturen ≥ 20°C löslich sein. Der Anteil des Polymers beträgt 4 bis 25 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 15 Gew.-%, mehr bevorzugt 5 bis 10 Gew.-%, besonders bevorzugt < 10 Gew.-%, bezogen auf den Wasseranteil. Das Erwärmen auf eine Temperatur T1 von 80 bis 100°C, bevorzugt 90 bis 100°C, mehr bevorzugt 95 bis 98°C, erfolgt vorzugsweise unter Rühren bis zum im Wesentlichen vollständigen Lösen des Polymers, Als Polymere können beispielsweise Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon, Polyacrylate, Polymethacrylate, Polycarboxylate und Gemische oder Copolymere von diesen verwendet werden. Vorzugsweise wird ein Polymer auf Polyvinylalkohol-Basis, mehr bevorzugt ein Polyvinylalkohol mit einem Molekulargewicht > 100.000, besonders bevorzugt > 120.000, beispielsweise etwa 145.000 und/oder mit einem Hydrolysegrad > 99%, verwendet. Das in Schritt (a) verwendete Wasser unterliegt keiner besonderen Einschränkung, wobei vorzugsweise hochreines Wasser mit einem spezifischen Widerstand von vorzugsweise < 15 MΩ, beispielsweise < 16,2 MΩ verwendet werden kann.The polymer used in step (a) according to the invention is not subject to any particular restriction, but should be stable electrochemically and in the alkaline range and be soluble in water at temperatures ≥ 20 ° C. The proportion of the polymer is 4 to 25 wt .-%, preferably 5 to 15 wt .-%, more preferably 5 to 10 wt .-%, particularly preferably <10 wt .-%, based on the water content. The heating to a temperature T 1 of 80 to 100 ° C, preferably 90 to 100 ° C, more preferably 95 to 98 ° C, is preferably carried out with stirring until substantially complete dissolution of the polymer, As polymers, for example, polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidone, Polyacrylates, polymethacrylates, polycarboxylates and mixtures or copolymers of these can be used. Preferably, a polyvinyl alcohol-based polymer, more preferably a polyvinyl alcohol having a molecular weight> 100,000, more preferably> 120,000, for example about 145,000 and / or with a degree of hydrolysis> 99%, is used. The water used in step (a) is not particularly limited, and preferably high-purity water having a specific resistance of preferably <15 MΩ, for example, <16.2 MΩ can be used.
In Schritt (b) wird eine wässrige 1 bis 20 M, bevorzugt 5 bis 6 M Alkalihydroxid-Lösung dem Reaktionsansatz von Schritt (a) zugegeben, wobei die Zugabe vorzugsweise unter Rühren und Beibehaltung der Temperatur T1 von Schritt (a) durchgeführt wird. Die Zugabe erfolgt beispielsweise über einen Zeitraum von 5 bis 120 Minuten. Als Alkalihydroxid kann LiOH, NaOH, KOH oder CsOH verwendet werden. Als Wasser zur Herstellung der Alkalihydroxid-Lösung kann beispielsweise das in Schritt (a) verwendete hochreine Wasser verwendet werden.In step (b), an aqueous 1 to 20 M, preferably 5 to 6 M alkali hydroxide solution is added to the reaction mixture of step (a), the addition preferably being carried out with stirring and maintaining the temperature T 1 of step (a). The addition takes place for example over a period of 5 to 120 minutes. As the alkali hydroxide, LiOH, NaOH, KOH or CsOH can be used. As the water for producing the alkali hydroxide solution, for example, the high-purity water used in the step (a) can be used.
Nach Zugabe der Alkalihydroxid-Lösung gemäß Schritt (b) können gegebenenfalls in einem Schritt (c) 0,5 bis 30 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 20 Gew.-% pulverförmiges Material, bezogen auf das Polymer, mit einem mittleren Teilchendurchmesser d50 < 100 nm, bevorzugt < 50 nm, mehr bevorzugt < 25 nm, insbesondere zur weiteren Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Polymerelektrolyt-Membran zugegeben werden. Diese Zugabe erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 90 bis 100°C, bevorzugt 95 bis 98°C. Als pulverförmiges Material werden anorganische Oxide (”nanoskalierte Oxide”), beispielsweise Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Titandioxid und Zirkoniumdioxid, Carbonate, beispielsweise Calciumcarbonat, oder Sulfate, beispielsweise Bariumsulfat, verwendet. Vorzugsweise wird Titandioxid mit einem Teilchendrehmesser von beispielsweise < 25 nm eingesetzt. Beispielsweise kann durch den Zusatz von nanoskalierten Oxiden wie Titandioxid die Vernetzung der Polymermatrix beschleunigt werden und so die viskoelastischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Polymerelektrolyt-Membranen weiter verbessert werden.After addition of the alkali metal hydroxide solution according to step (b) optionally in a step (c) 0.5 to 30 wt .-%, preferably 5 to 20 Wt .-% powdery material, based on the polymer, having an average particle diameter d 50 <100 nm, preferably <50 nm, more preferably <25 nm, in particular be added to further improve the mechanical properties of the polymer electrolyte membrane. This addition is preferably carried out at a temperature in the range of 90 to 100 ° C, preferably 95 to 98 ° C. As the powdery material, inorganic oxides ("nanoscale oxides"), for example, magnesium oxide, alumina, silica, titania and zirconia, carbonates, for example, calcium carbonate, or sulfates, for example, barium sulfate, are used. Titanium dioxide is preferably used with a particle diameter of, for example, <25 nm. For example, the addition of nanoscale oxides such as titanium dioxide can accelerate the crosslinking of the polymer matrix and thus further improve the viscoelastic properties of the polymer electrolyte membranes according to the invention.
Das Erwärmen gemäß Schritt (d) der nach Schritt (b) oder (c) erhaltenen Lösung oder Suspension auf eine Temperatur T2 von 80 bis 110°C, bevorzugt 95 bis 105°C erfolgt vorzugsweise unter Rühren, beispielsweise für einen Zeitraum von 5 bis 120 Minuten bzw. bis zum Vorliegen einer im wesentlichen homogenen Reaktionsmasse bzw. Lösung oder Suspension.The heating according to step (d) of the solution or suspension obtained after step (b) or (c) to a temperature T 2 of 80 to 110 ° C, preferably 95 to 105 ° C is preferably carried out with stirring, for example for a period of 5 to 120 minutes or until the presence of a substantially homogeneous reaction mass or solution or suspension.
In Schritt (e) wird die Reaktionsmasse bzw. die Lösung oder Suspension von Schritt (d) auf einen Träger bzw. eine entsprechende Unterlage in einer für eine Schichtdicke von 10 bis 1000 μm, bevorzugt 10 bis 500 μm, mehr bevorzugt < 300 μm, geeigneten Menge aufgebracht. Das Aufbringen erfolgt durch im Stand der Technik bekannte Verfahren wie beispielsweise Gießen, Spitzen, Siebdruck, Imprägnieren, Spincoating oder ”Solution Casting-Methode”. Der Träger unterliegt keiner besonderen Einschränkung und kann beispielsweise ein Kunststoff, ein Glas, ein Metall, eine Metalllegierung oder ein Oxid sein. Alternativ kann die Reaktionsmasse auf einen entsprechenden Zylinder für ein kontinuierliches Filmziehen nach im Stand der Technik bekannter Lösemittelgießtechnologie aufgebracht werden.In step (e), the reaction mass or the solution or suspension of step (d) is applied to a support or a corresponding support in a thickness of 10 to 1000 μm, preferably 10 to 500 μm, more preferably <300 μm. applied appropriate amount. The application is carried out by methods known in the art such as casting, tips, screen printing, impregnation, spin coating or "solution casting method". The carrier is not particularly limited and may be, for example, a plastic, a glass, a metal, a metal alloy or an oxide. Alternatively, the reaction mass may be applied to a corresponding cylinder for continuous film drawing by solvent casting technology known in the art.
Im Fall der Herstellung einer Polymerelektrolyt-Membran per se weist der Träger bzw. die Unterlage vorzugsweise eine Oberfläche aus, von welcher die Polymerelektrolyt-Membran nach Abkühlen und gegebenenfalls Trocknen ohne Beschädigung entfernt werden kann, wobei die Oberfläche beispielsweise aus den obengenannten Materialien für einen Träger bestehen kann. Durch entsprechende Formvorgabe des Trägers kann die erfindungsgemäße Polymerelektrolyt-Membran auch jede gewünschte Form annehmen.In the case of producing a polymer electrolyte membrane per se, the support preferably has a surface from which the polymer electrolyte membrane can be removed after cooling and optionally drying without damage, the surface being made of, for example, the above materials for a support can exist. By appropriate shape specification of the carrier, the polymer electrolyte membrane according to the invention can also take any desired shape.
Im Fall von Elektrodenmaterial oder einer Elektrode, beispielsweise einer porösen Zink-Anode, einer Magnesium-Anode oder einer Aluminium-Anode, kann das Aufbringen der Lösung oder Suspension von Schritt (d) mittels beispielsweise Aufsprühen, Pinseln, Rakeln, Tauchbeschichten gegebenenfalls unter vermindertem Druck erfolgen, wobei eine Verbundstruktur zwischen Elektrodenmaterial bzw. Elektrode und Polymerelektrolyt-Membran mit nahezu optimaler Kontaktfläche erhalten wird. Alternativ können die Elektroden direkt auf die Polymerelektrolyt-Membran in Form einer geeigneten Paste, Dispersion oder Pulver durch geeignete Druckverfahren beispielsweise mit Hilfe eines Rakels oder ähnlicher Verfahren aufgebracht werden. Durch einen derartig bevorzugten Verfahrensschritt können Übergangswiderstände zwischen Elektrode und Polymerelektrolyt-Membran minimiert werden, und somit eine Leistungsminderung des galvanischen Elements vermieden werden.In the case of electrode material or an electrode, for example, a porous zinc anode, a magnesium anode or an aluminum anode, the application of the solution or suspension of step (d) by means of, for example, spraying, brushing, knife coating, dip coating, optionally under reduced pressure take place, wherein a composite structure between electrode material or electrode and polymer electrolyte membrane is obtained with almost optimal contact surface. Alternatively, the electrodes can be applied directly to the polymer electrolyte membrane in the form of a suitable paste, dispersion or powder by suitable printing methods, for example with the aid of a doctor blade or similar methods. By such a preferred method step, contact resistances between the electrode and the polymer electrolyte membrane can be minimized, and thus a reduction in the performance of the galvanic element can be avoided.
Ferner kann die Viskosität der Lösung oder Suspension von Schritt (d) vor dem Aufbringen beispielsweise mittels leichtflüchtigen Lösungsmitteln wie Methanol, Ethanol, Propanol oder Isopropanol, derart eingestellt werden, daß das Aufbringen auf den Träger, insbesondere auf eine Elektrode weiter optimiert werden kann. in einer bevorzugten Ausführungsform kann zunächst das Elektrodenmaterial bzw. die Elektrode mit der in Schritt (d) erhaltenen Lösung oder Suspension mit einer niedrigen Viskosität imprägniert werden, wobei insbesondere durch die niedrige Viskosität das Aufbringen und das Kontaktieren hinsichtlich einer zu vergrößernden Kontaktfläche zwischen Elektrodenmaterial bzw. Elektroden verbessert werden. Danach kann die in Schritt (d) erhaltene Lösung oder Suspension mit höherer Viskosität auf das imprägnierte Elektrodenmaterial bzw. die imprägnierte Elektrode zur Herstellung der Polymerelektrolyt-Membran aufgebracht werden. Durch die Imprägnierung und somit verbesserter Kontaktzone zwischen Elektrode und Elektrolyt können beispielsweise in einer Zn/Luft-Zelle die durch die Oxidation an der Anode gebildeten Zn-Ionen leichter in den Elektrolyten wandern.Furthermore, the viscosity of the solution or suspension of step (d) before application, for example by means of volatile solvents such as methanol, ethanol, propanol or isopropanol, can be adjusted so that the application to the carrier, in particular to an electrode can be further optimized. In a preferred embodiment, first the electrode material or the electrode can be impregnated with the solution or suspension obtained in step (d) with a low viscosity, wherein in particular by the low viscosity, the application and the contacting with respect to a contact surface to be increased between electrode material or Electrodes are improved. Thereafter, the solution or suspension of higher viscosity obtained in step (d) may be applied to the impregnated electrode material or the impregnated electrode for producing the polymer electrolyte membrane. As a result of the impregnation and thus improved contact zone between the electrode and the electrolyte, for example in a Zn / air cell, the Zn ions formed by the oxidation at the anode can migrate more easily into the electrolyte.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Elektroden eines galvanischen Elementes umfassend eine Anode und eine Kathode, beispielsweise im Falle einer Zink/Luft-Batterie eine poröse Zink-Elektrode oder eine Zinkpaste als Anode und eine poröse Gasdiffusionselektrode mit einem kohlegebundenen Elektrokatalysator wie beispielsweise Mangandioxid, wie vorstehend ausgeführt imprägniert. Bei Verwendung einer Zinkpaste kann das als Ausgangsmaterial für die Elektrode eingesetzte Zinkpulver zusätzlich mit pulverförmigen Polymer wie beispielsweise Polyvinylalkohol vermischt werden.In a preferred embodiment, the electrodes of a galvanic element comprising an anode and a cathode, for example in the case of a zinc / air battery, a porous zinc electrode or a zinc paste as an anode and a porous gas diffusion electrode with a carbon-bonded electrocatalyst such as manganese dioxide, as above carried out impregnated. When using a zinc paste, the zinc powder used as the starting material for the electrode may be additionally mixed with powdery polymer such as polyvinyl alcohol.
Nach dem Abkühlen, vorzugsweise auf Raumtemperatur, wird die erfindungsgemäße Polymerelektrolyt-Membran auf dem gewünschten Träger erhalten, wobei sich die Polymerelektrolyt-Membran durch Vernetzung in situ bildet.After cooling, preferably to room temperature, the inventive Polymer electrolyte membrane obtained on the desired support, wherein the polymer electrolyte membrane is formed by crosslinking in situ.
Zur Einstellung des Wassergehalts kann die erfindungsgemäße Polymerelektrolyt-Membran unter CO2-Ausschluß, vorzugsweise unter Inertgasatmosphäre, gemäß Schritt (f) getrocknet werden, wobei der Wassergehalt im Bereich von 20 bis 85 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Polymer-Elektrolytmembran, bevorzugt von 60 bis 70 Gew.-% liegen kann. Eine Trocknung unter CO2-Ausschluß ist erforderlich, um Carbonat-Ablagerungen auf der Membran zu vermeiden, die zu einer verminderten Leistung der Polymerelektrolyt-Membran führen können. Nach dem Trocknen kann die erfindungsgemäße Polymerelektrolyt-Membran vorzugsweise luft- und feuchtigkeitsdicht für den Transport und/oder die Lagerung mit herkömmlichen Verfahren und Vorrichtungen verschweißt werden.In order to adjust the water content, the polymer electrolyte membrane according to the invention can be dried under CO 2 exclusion, preferably under an inert gas atmosphere, according to step (f), the water content being in the range from 20 to 85% by weight, based on the total polymer electrolyte membrane, preferably from 60 to 70 wt .-% may be. Drying under CO 2 exclusion is required to avoid carbonate deposits on the membrane, which can lead to reduced performance of the polymer electrolyte membrane. After drying, the polymer electrolyte membrane according to the invention may preferably be welded to air and moisture-tight for transport and / or storage with conventional methods and devices.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine durch das vorstehend beschriebene Verfahren erhältliche Polymerelektrolyt-Membran per se oder aufgebracht auf Elektrodenmaterial oder auf eine Elektrode.A further subject of the present invention is a polymer electrolyte membrane obtainable by the method described above per se or applied to electrode material or to an electrode.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft eine Polymerelektrolyt-Membran, wobei das Polymer Polyvinylalkohol mit einem Molekulargewicht von > 100.000, vorzugsweise > 120.000, und/oder mit einem Hydrolysegrad > 99% ist.Another object of the present invention relates to a polymer electrolyte membrane, wherein the polymer is polyvinyl alcohol having a molecular weight of> 100,000, preferably> 120,000, and / or with a degree of hydrolysis> 99%.
Die erfindungsgemäße Polymerelektrolyt-Membran weist insbesondere eine ausgezeichnete mechanische Stabilität und ausgezeichnete viskoelastische Eigenschaften sowie eine ausgezeichnete spezifische ionische Leitfähigkeit auf. Beispielsweise zeigt die erfindungsgemäße Polymerelektrolyt-Membran eine spezifische ionische Leitfähigkeit von bis zu 0,2 S/cm, was deutlich höher ist als die spezifische ionische Leitfähigkeit von im Stand der Technik bekannten Polymerelektrolyt-Membranen ist, welche beispielsweise Werte von nur bis zu 0,14 S/cm zeigen. Ferner wird durch das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung von galvanischen Elementen kostengünstiger und deutlich vereinfacht.In particular, the polymer electrolyte membrane of the present invention has excellent mechanical stability and viscoelastic properties as well as excellent specific ionic conductivity. For example, the polymer electrolyte membrane according to the invention exhibits a specific ionic conductivity of up to 0.2 S / cm, which is significantly higher than the specific ionic conductivity of polymer electrolyte membranes known in the prior art, which for example have values of only up to 0, 14 S / cm show. Furthermore, the production of galvanic elements is cheaper and significantly simplified by the inventive method.
Die erfindungsgemäße Polymerelektrolyt-Membran per se oder aufgebracht auf Elektrodenmaterial bzw. auf eine Elektrode kann in einem galvanischen Element, vorzugsweise ausgewählt aus Metall/Luft-Zellen, beispielsweise Zink/Luft-Zellen, Metall/Metalloxid-Zellen, wie beispielsweise Zink/Nickeloxid-Zellen oder Zink/Silberoxid-Zellen, und alkalischen Brennstoffzellen, die mit Wasserstoff, Methanol, Ethanol oder Ameisensäure als Brennstoff und Sauerstoff bzw. Luft betrieben werden können, verwendet werden. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Polymerelektrolyt-Membran in einer Batterie wie beispielsweise Zink/Luft-Zellen ist vorteilhafterweise kein Separator erforderlich, was zu einer deutlichen Verminderung von Widerständen in dem galvanischen Element führt.The polymer electrolyte membrane according to the invention per se or applied to electrode material or to an electrode may be in a galvanic element, preferably selected from metal / air cells, for example zinc / air cells, metal / metal oxide cells such as zinc / nickel oxide. Cells or zinc / silver oxide cells, and alkaline fuel cells, which can be operated with hydrogen, methanol, ethanol or formic acid as fuel and oxygen or air, can be used. When using the polymer electrolyte membrane of the invention in a battery such as zinc / air cells advantageously no separator is required, resulting in a significant reduction of resistances in the galvanic element.
Gasdiffusionselektroden werden als Kathoden beispielsweise sowohl in Zink/Luft-Batterien als auch in Brennstoffzellen eingesetzt. Die Katalysatorschicht der Elektrode wird mit der Lösung oder Suspension von Schritt (d), beispielsweise eine PVA/KOH-Lösung, behandelt. Auf diese Weise wird die sogenannte Dreiphasenzone einer Gasdiffusionselektrode, bestehend aus dem festen Katalysator, dem Elektrolyten und dem gasförmigen Sauerstoff, deutlich erhöht. Der Transport von Hydroxidionen, die an der Kathode einer alkalischen galvanischen Zelle durch Elektronenaufnahme (Reduktion) gebildet werden, von der Reaktionszone aus dieser Dreiphasenzone in den alkalischen Elektrolyten wird damit verbessert. Durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Polymerelektrolyt-Membran enthält die Gasdiffusionselektrode kaum flüssige Elektrolyte. Es ist bekannt, daß sich in herkömmlichen Batterien durch Reaktionen zwischen dem alkalischen flüssigen Elektrolyten und dem Kohlendioxid aus der Luft feste Karbonatablagerungen in der porösen Struktur bilden können, die einen negativen Einfluß auf die Lebensdauer der Gasdiffusionselektrode haben, was bei Verwendung der erfindungsgemäßen Polymerelektrolyt-Membran vermieden werden kann.Gas diffusion electrodes are used as cathodes, for example, both in zinc / air batteries and in fuel cells. The catalyst layer of the electrode is treated with the solution or suspension of step (d), for example a PVA / KOH solution. In this way, the so-called three-phase zone of a gas diffusion electrode, consisting of the solid catalyst, the electrolyte and the gaseous oxygen, is significantly increased. The transport of hydroxide ions, which are formed at the cathode of an alkaline galvanic cell by electron uptake (reduction), from the reaction zone of this three-phase zone in the alkaline electrolyte is thus improved. By using a polymer electrolyte membrane according to the invention, the gas diffusion electrode hardly contains liquid electrolytes. It is known that in conventional batteries by reactions between the alkaline liquid electrolyte and the carbon dioxide from the air can form solid carbonate deposits in the porous structure, which have a negative impact on the life of the gas diffusion electrode, which is when using the polymer electrolyte membrane according to the invention can be avoided.
Der Aufbau von beispielsweise einer Zink/Luft-Zelle mit einem Polymerelektrolyten auf Basis von beispielsweise PVA ist damit deutlich verschieden von dem Aufbau einer herkömmlichen Zelle. Die Zelle mit beispielsweise einer erfindungsgemäßen PVA-Membran enthält als zusätzliche feste Komponente die besagte Membran, die im Fall einer Beschädigung durch z. B. Zink-Dendriten oder Karbonatisierung ausgebaut, untersucht und gegebenenfalls ausgetauscht werden kann. Bei einer herkömmlichen Zelle liegt der Separator in der Regel auf der Gasdiffusionselektrode geklebt vor, sodass ein Austausch ohne Beschädigung der Gasdiffusionselektrode kaum möglich ist. Die erfindungsgemäße Polymerelektrolyt-Membran bietet vor allem einen zusätzlichen Schutz für den Anwender gegen Auslaufen des Elektrolyten (stark alkalische Lösung aus Kaliumhydroxyd) und die Karbonatisierung wird verlangsamt. Damit ist beispielsweise eine Zink/Luft-Zelle mit der erfindungsgemäßen Polymerelektrolyt-Membran auch sicherer als eine herkömmliche Zink/Luft-Zelle.The construction of, for example, a zinc / air cell with a polymer electrolyte based on, for example PVA is thus significantly different from the structure of a conventional cell. The cell with, for example, a PVA membrane according to the invention contains as an additional solid component said membrane, which in case of damage by z. As zinc dendrites or carbonation can be expanded, examined and optionally replaced. In a conventional cell, the separator is usually pasted on the gas diffusion electrode, so that replacement without damaging the gas diffusion electrode is hardly possible. Above all, the polymer electrolyte membrane according to the invention offers additional protection for the user against leakage of the electrolyte (strongly alkaline solution of potassium hydroxide) and the carbonation is slowed down. Thus, for example, a zinc / air cell with the polymer electrolyte membrane according to the invention is also safer than a conventional zinc / air cell.
Die nachstehenden Beispiele dienen als weitere Erläuterung der vorliegenden Erfindung ohne darauf beschränkt zu sein.The following examples serve as further explanation of the present invention without being limited thereto.
Beispiel 1: Herstellung einer erfindungsgemäßen Elektrolytmembran aus Polyvinylalkohol, Kaliumhydroxid, Wasser und Titandioxid und Einbau in eine herkömmliche Zink/Luft-BatterieEXAMPLE 1 Production of an Electrolyte Membrane According to the Invention from Polyvinyl Alcohol, Potassium Hydroxide, Water and Titanium Dioxide and Installation in a Conventional Zinc / Air Battery
Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Elektrolytmembran auf Basis von Polyvinylalkohol und einer konzentrierten wässrigen Lösung aus Kaliumhydroxid, die durch Zusatz von nanoskaliertem Titandioxid modifiziert wird. Nach diesen beispielhaften Verfahren kann auch ein anderes Polymer wie beispielsweise Polyvinylpyrrolidon oder Poly(meth)acrylate, sowie andere Alkalien verwendet werden. Auch das Additiv Titandioxid als pulverförmiges Material kann durch andere nanoskalierte pulverförmige Materialien, die in stark alkalischer Lösung stabil sind wie beispielsweise Magnesiumoxid, Zirkondioxid oder Calciumcarbonat, ersetzt werden.The embodiment relates to an electrolyte membrane based on polyvinyl alcohol and a concentrated aqueous solution of potassium hydroxide, which is modified by the addition of nanoscale titanium dioxide. According to these exemplary methods, another polymer such as polyvinylpyrrolidone or poly (meth) acrylates, as well as other alkalis may be used. Also, the additive titanium dioxide as a powdery material can be replaced by other nanoscale powdery materials that are stable in strong alkaline solution such as magnesium oxide, zirconium dioxide or calcium carbonate.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die Polymerelektrolyt-Membran in eine herkömmliche Zink/Luft-Batterie eingebaut. Diese besteht in üblicher Weise aus einer Zink-Anode und einer porösen Gasdiffusionselektrode mit einem aktiven Elektrokatalysator wie z. B. Mangandioxid, an der die Sauerstoffreduktion stattfindet. Als Elektrolyt wird eine hoch konzentrierte Kaliumhydroxid-Lösung verwendet, die eine vergleichbare Viskosität wie eine wässrige Lösung hat. Als Separator zwischen den Elektroden wird eine im Handel erhältliche poröse Membran aus Polypropylen (PP) beispielsweise von der Firma Celgard vom Typ 5550 verwendet, die mit dem flüssigen Elektrolyten beim Herstellungsprozess der Batterie getränkt wird. Es wird gezeigt, dass der Elektrolyt durch Verwendung der erfindungsmäßigen Polymerelektrolyt-Membran fixiert und dadurch eine höhere spezifische Kapazität der Batterie erreicht wird. Darüber hinaus vereinfacht sich auch der Herstellungsprozess für die gesamte Batterie.In this embodiment, the polymer electrolyte membrane is incorporated into a conventional zinc / air battery. This consists in a conventional manner of a zinc anode and a porous gas diffusion electrode with an active electrocatalyst such. B. manganese dioxide, at which the oxygen reduction takes place. The electrolyte used is a highly concentrated potassium hydroxide solution which has a viscosity comparable to that of an aqueous solution. As a separator between the electrodes, a commercially available porous membrane of polypropylene (PP), for example, from Celgard Type 5550 is used, which is impregnated with the liquid electrolyte in the manufacturing process of the battery. It is shown that the electrolyte is fixed by using the polymer electrolyte membrane of the present invention, thereby achieving a higher specific capacity of the battery. In addition, the manufacturing process for the entire battery is simplified.
Zur Herstellung der Polymerelektrolyt-Membran werden in einem Vierhalskolben als Vorlage 25 g hochreines Wasser (mit einem spezifischen Widerstand von mehr als 16,2 MΩ) und 3 g Polyvinylalkohol (”PVA”, M = 145.000 g mol–1, Lieferant: Merck KG, Darmstadt) in einem 500 ml Vierhalskolben eingewogen. Polyvinylalkohol liegt zu > 99% hydrolysiert vor. Anschließend wird der Vierhalskolben in eine Standardrührapparatur eingebaut und unter einer mittleren Rührstufe (vorzugsweise etwa 250 U/min) in einer Heizbadflüssigkeit (Thermal M, BASF SE) langsam auf 90°C erhitzt bis sich das gesamte PVA gelöst hat und eine homogene Reaktionsmasse vorliegt. Der Hydrolysegrad von PVA wird mit Hilfe einer Säure/Base-Titration überprüft. Der Elektrolyt, eine hochkonzentrierte Kaliumhydroxid-Lösung, wird aus 5 g hochreinem Wasser (spezifischer Widerstand X16,2 MΩ) und 4 g Kaliumhydroxid (Lieferant: Sigma-Aldrich Chemie GmbH) hergestellt. Die Zugabe des Elektrolyten zur homogenen Reaktionsmasse aus PVA und Wasser erfolgt über einen Tropftrichter, der an den Vierhalskolben angesteckt wird, wobei langsam über feinstdosierte Tröpfchen in die vorliegende Reaktionsmasse zugegeben wird. Während dieser Zeit wird vorzugsweise die Rührstufe auf etwa 400 U/min erhöht. Anschließend wird unter weiterer Wärmezufuhr bei etwa 95°C und mittlerer Rührstufe (vorzugsweise 250 U/min) etwa 15 min gerührt. Liegt nach dieser Zeit eine homogene Reaktionsmasse vor, wird das zuvor abgewogene Titandioxid (0,5 g mit einem mittleren Durchmesser von < 25 nm, Anastas-Modifikation, Lieferant: Sigma-Aldrich Chemie GmbH) dazugegeben und unter erhöhter Rührstufe (vorzugsweise etwa 400 U/min) gerührt bis eine homogene reine weiße Masse vorliegt. Die Synthesetemperatur kann anschließend zwischen 95° und 110°C gewählt werden.To prepare the polymer electrolyte membrane in a four-necked flask as a template 25 g of highly pure water (with a resistivity of more than 16.2 MΩ) and 3 g of polyvinyl alcohol ("PVA", M = 145,000 g mol -1 , supplier: Merck KG , Darmstadt) in a 500 ml four-necked flask. Polyvinyl alcohol is> 99% hydrolyzed before. The four-necked flask is then installed in a standard stirring apparatus and slowly heated to 90 ° C. under a medium stirring stage (preferably about 250 rpm) in a heating bath liquid (Thermal M, BASF SE) until the entire PVA has dissolved and a homogeneous reaction mass is present. The degree of hydrolysis of PVA is checked by means of an acid / base titration. The electrolyte, a highly concentrated potassium hydroxide solution, is prepared from 5 g of ultrapure water (resistivity X16.2 MΩ) and 4 g of potassium hydroxide (supplier: Sigma-Aldrich Chemie GmbH). The addition of the electrolyte to the homogeneous reaction mass of PVA and water via a dropping funnel, which is infected with the four-necked flask, being added slowly over feinstdosierte droplets in the present reaction mass. During this time, it is preferable to increase the agitation level to about 400 rpm. The mixture is then stirred at about 95 ° C and medium stirring stage (preferably 250 U / min) for about 15 minutes with further heat. If, after this time, a homogeneous reaction mass is present, the previously weighed titanium dioxide (0.5 g with an average diameter of <25 nm, Anastas modification, supplier: Sigma-Aldrich Chemie GmbH) is added and increased stirring (preferably about 400 U / min) until a homogeneous pure white mass is present. The synthesis temperature can then be selected between 95 ° and 110 ° C.
Danach wird die heiße Reaktionsmasse über die „Solution Casting-Methode” weiterverarbeitet. Dazu wird eine definierte Menge der Masse in eine Petrischale ausgegossen. Die Schichtdicke der Polymerelektrolyt-Membran kann auf diese Weise zwischen 10 und 1000 μm eingestellt werden. Nach Abkühlen der Reaktionsmasse auf Raumtemperatur erfolgt vorzugsweise die Trocknung der PVA/KOH/TiO2 bis zum Erreichen der gewünschten mechanischen Festigkeit. Diese wird über den Wassergehalt eingestellt. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Wassergehalt 70 Gewichtsprozent. Die Trocknung erfolgt unter Inertgas, damit sich aus dem Kohlendioxid der Luft und dem Kaliumhydroxid der Polymerelektrolyt-Membran kein Kaliumcarbonat bilden kann. Dieses würde auf der Oberfläche der Membran entstehen und so die Polymerelektrolyt-Membran passiveren.Thereafter, the hot reaction mass is further processed via the "solution casting method". For this purpose, a defined amount of the mass is poured into a Petri dish. The layer thickness of the polymer electrolyte membrane can be adjusted in this way between 10 and 1000 microns. After cooling the reaction mass to room temperature, the drying of the PVA / KOH / TiO 2 is preferably carried out until the desired mechanical strength is reached. This is adjusted via the water content. In the exemplary embodiment, the water content is 70 percent by weight. The drying takes place under inert gas, so that no potassium carbonate can form from the carbon dioxide of the air and the potassium hydroxide of the polymer electrolyte membrane. This would arise on the surface of the membrane and thus passivate the polymer electrolyte membrane.
Die so hergestellte erfindungsgemäße Polymerelektrolyt-Membran auf Basis von Polyvinylalkohol kann nun in eine Zink/Luft-Zelle eingebaut werden. Die auf PVA/KOH/TiO2 basierenden Polymerelektrolyt-Membranen können beispielsweise in einer primären Zn/Luft-Knopfzelle (z. B. von einem Batteriehersteller wie die Firma Varta Microbattery) auf ihr Entladeverhalten untersucht werden. Hierzu wird eine im Handel erhältliche Kathode ohne Separator und eine Hg-freie Zinkpaste mit einer 6 M KOH-Lösung, die 2 Gewichtsprozent ZnO enthält, verwendet. Zu Beginn wird eine Impedanzmessung der zusammengebauten Zelle im stromlosen Zustand (d. h. bei 0 mA) durchgeführt. Bei einer Frequenz von 100 kHz wird eine Impedanz von etwa 1 Ohm gemessen. Die Zellspannung liegt dabei typischerweise bei 1,45 V. Dann wird eine Stromspannungskurve mit einer Strombelastung der Zelle von bis zu 40 mA aufgenommen. Mit abnehmender Schichtdicke der Polymerelektrolyt-Membran wird eine Reduzierung der Impedanz bzw. ein Anstieg der Zellspannung beobachtet. Anschließend wird die Zelle mit einer Stromstärke von 10 bzw. 5 mA kontinuierlich entladen. Die Entladeschlußspannung wird auf 0,7 V festgelegt. Die Messungen werden bei Raumtemperatur durchgeführt. Bei einer Stromdichte von 10 mA wird aus der Zink/Luft-Batterie eine Ladungsmenge von 550 mAh entnommen. Anschließend wird bei einer Stromstärke von 5 mA noch eine weitere Ladungsmenge von 15 mAh entnommen. Die theoretische Ladungsmenge für ein Gram Zink beträgt 820 mAh. Da die zur Herstellung der Zink-Anode verwendete Zn-Menge etwa 850 mg beträgt, wird damit eine spezifische Kapazität von etwa 665 mAh g–1 erreicht. Bei einer vergleichenden Messung mit einer herkömmlichen Hg-freien Zink/Luft-Zelle (gleiche Elektrodenmaterialien wie oben) unter Verwendung eines herkömmlichen Elektrolyten und Separators (d. h. wässrige Kaliumhydroxid-Lösung und Polypropylen) wird eine spezifische Ladungsmenge von etwa 600 mAh g–1 gemessen.The inventive polymer electrolyte membrane based on polyvinyl alcohol prepared in this way can now be incorporated into a zinc / air cell. For example, PVA / KOH / TiO 2 based polymer electrolyte membranes may be tested for their discharge behavior in a primary Zn / air button cell (eg, from a battery manufacturer such as Varta Microbattery). For this purpose, a commercially available cathode without separator and a Hg-free zinc paste with a 6 M KOH solution containing 2 weight percent ZnO used. Initially, an impedance measurement of the assembled cell is performed in the de-energized state (ie at 0 mA). At a frequency of 100 kHz, an impedance of about 1 ohm is measured. The cell voltage is typically at 1.45 V. Then, a current voltage curve with absorbed a current load of the cell up to 40 mA. With decreasing layer thickness of the polymer electrolyte membrane, a reduction in the impedance or an increase in the cell voltage is observed. Subsequently, the cell is discharged continuously with a current of 10 or 5 mA. The discharge voltage is set to 0.7V. The measurements are carried out at room temperature. At a current density of 10 mA, a charge of 550 mAh is taken from the zinc / air battery. Subsequently, at a current of 5 mA, another charge of 15 mAh is taken. The theoretical amount of charge for a Gram zinc is 820 mAh. Since the amount of Zn used to make the zinc anode is about 850 mg, it achieves a specific capacity of about 665 mAh g -1 . In a comparative measurement with a conventional Hg-free zinc / air cell (same electrode materials as above) using a conventional electrolyte and separator (ie, aqueous potassium hydroxide solution and polypropylene), a specific charge amount of about 600 mAh g -1 is measured.
Die spezifische Kapazität einer primären Zink/Luft-Zelle mit einer erfindungsgemäßen Polymerelektrolyt-Membran auf Basis von PVA ist damit um etwa 10% höher als mit einer Zelle unter Verwendung eines herkömmlichen flüssigen Elektrolyten. Darüber hinaus muß betont werden, daß die Zelle mit einer erfindungsgemäßen Polymerelektrolyt-Membran keinen zusätzlichen Separator beispielsweise aus Polypropylen oder Vlies wie herkömmliche Zellen enthält.The specific capacity of a primary zinc / air cell with a PVA-based polymer electrolyte membrane according to the invention is thus about 10% higher than with a cell using a conventional liquid electrolyte. In addition, it must be emphasized that the cell with a polymer electrolyte membrane according to the invention does not contain an additional separator, for example made of polypropylene or nonwoven, as conventional cells.
Beispiel 2: Entladevorgang von vier Zn/Luft-ZellenExample 2: Unloading of four Zn / air cells
Eine erfindungsgemäße Polymerelektrolyt-Membran (8 Gew.-% PVA, 10,7 Gew.-% KOH, 0,7 Gew.-% TiO2, 80,6 Gew.-% H2O) mit einer Dicke von etwa 150 μm wird in drei galvanische Elemente eingebaut. Als Vergleich wurde einem Handel erhältliche Hg-freie Zelle mit Separator (Fa. Varta Microbattery) verwendet. Der Entladevorgang ist in
Beispiel 3: Strom-Spannungskurven von zwei Zn/Luft-ZellenExample 3: Current-voltage curves of two Zn / air cells
Eine erfindungsgemäße Polymerelektrolyt-Membran mit einem reduzierten PVA-Gehalt (4,2 Gew.-% PVA, 11,2 Gew.-% KOH, 0,7 Gew.-% TiO2, 83,9 Gew.-% H2O) und einer Dicke von ca. 75 μm wird in zwei galvanische Elemente eingebaut. Als Vergleich wurde einem Handel erhältliche hochleistungsfähige Zelle vom Typ Cochlear mit Separator (Fa. Varta Microbattery) verwendet. Der Entladevorgang dieser Zellen im vollgeladenen Zustand (0% „Depth of Discharge” (DOD)) bei von 0 bis zu 40 mA-Entladestrom in 2,5 mA-Schritt 1 min lang ist in
Beispiel 4: Entladevorgang von zwei Zink/Luft-ZellenExample 4: Discharge of two zinc / air cells
Die im Beispiel 3 aufgeführten Zellen wurden anschließend mit einem 10, 5, 2 und 1 mA-Entladestrom bei Raumtemperatur vollständig entladen. Es wurde dabei jeweils eine Kapazität von 593 bzw. 602 mAh und eine Energiemenge von 718 bzw. 730 mWh gemessen. Im Vergleich wurde der Zelle vom Typ Cochlear der Fa. Varta Microbattery GmbH einer Kapazität von 560 mAh und einer Energiemenge von 674 mAh entzogen. Durch den Einbau einer PVA/KOH/TiO2-Membran konnte bei der gleichen Zinkmasse von ca. 850 mg pro Zelle eine um etwa 6–8% höhere Energieausbeute als bei der im Handel erhältlichen Zelle erzielt werden. Dies wurde auf ein effizienteres Elektrolytmanagement der Zellen mit einer erfindungsgemäßen, entsprechend dünnen Polymembran zurückgeführt.The cells listed in Example 3 were then completely discharged with a 10, 5, 2 and 1 mA discharge current at room temperature. In each case, a capacity of 593 or 602 mAh and an energy quantity of 718 or 730 mWh were measured. In comparison, the cell of the Cochlear type from Varta Microbattery GmbH was deprived of a capacity of 560 mAh and an energy of 674 mAh. The incorporation of a PVA / KOH / TiO 2 membrane at the same zinc mass of about 850 mg per cell resulted in an approximately 6-8% higher energy yield than the commercially available cell. This was attributed to a more efficient electrolyte management of the cells with a correspondingly thin polymembrane according to the invention.
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