DE19707817A1 - Elektrode für Alkalimetall-Batterien - Google Patents

Elektrode für Alkalimetall-Batterien

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DE19707817A1
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Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für Alkalimetall-Batterien mit einer elektrolyt-durchlässigen metallischen Stützmatrix
In der DE-A-39 39 844 ist eine Anode für eine elektrochemische Hochtemperaturenergiespeicherzelle beschrieben, bei der eine aktive Anodensubstanz aus bei Betriebstemperatur der Zelle geschmolzenem Alkalimetall vorliegt. Hierbei ist es vorgesehen, die Innenfläche der Wand mit einem Übergangsmetalloxid zu behandeln, um ihre Benetzbarkeit zu verbessern.
Aus der DE-C-37 07 216 ist eine elektrochemische Zelle mit einer Leichtmetallanode und einer porösen Metall- oder Kohlenstoffkathode bekannt, die eine große Menge an Elektrolyt aufnehmen kann. Hierbei wird eine Lithium-Anode, eine flüssige Kathode aus Thionylchlorid mit gelöstem Leitsalz, vom Typ einer Lewis-Säure und/oder Lewis-Base als Elektrolyt
Die DE-A-32 30 410 hat zum Gegenstand Stütz- und Ableitergerüste mit intermetallischen Haftvermittlern für Lithium enthaltende Batterieelektroden, wobei eine mit dem Grundmaterial des Stütz- und Ableitergerüstes und einem aktiven Material legierungsbildende Zwischenschicht zwischen dem Grundmaterial aufgebracht ist.
In der DE-C-30 05 725 wird eine Elektrode für galvanische Elemente beschrieben, bei der ein schwammartig poröser, durch Galvanisieren eines Harzschaumes hergestellter Metall­ matrixträger mit einer Vielzahl von Hohlräumen, die miteinander dreidimensional verbunden sind, und mit einem aktiven Material das in den Metallmatrixträger einimprägniert ist, vorliegt.
Aus der US-A-5,283,136 ist eine Anode für elektrochemische Zellen bekannt, die durch Sintern von Metallpulver bzw. durch Verbinden von Metallpulverteilen mittels eines Binders hergestellt wird und eine poröse Innenstruktur aufweist.
Schließlich ist aus den Patent Abstracts of Japan, E-777, June 22, 1989, Vol. 13/No. 272 eine organische elektrolytische Batterie beschrieben, bei der ein poröser Körper aus einer Aluminium-Lithium-Legierung gefertigt wird.
Diese Elektroden haben den Nachteil, daß die maximal erreichbare massenbezogene spezifische Energie gering ist.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Elektrode für Alkalimetall-Batterien mit einer elektrolytdurchlässigen metallischen Stützmatrix zu entwickeln, mit der eine höhere massenbezogene spezifische Energie erreichbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die elektrolytdurchlässige metallische Stützmatrix aus einem oder mehreren pulverisierten Metallhydriden besteht, wobei in die Poren der Stützmatrix Alkalimetall eingelagert ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Metallhydride Hydride von Aluminium, Silizium, Titan oder Magnesium sind.
Vorteilhaft ist, daß das Alkalimetall Lithium ist.
Erfindungsgemäß ist auch ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für Alkalimetall-Batterien mit einer elektrolytdurchlässigen Stützmatrix, bei dem beim Verbinden von pulverisiertem Metall zu einer Stützmatrix der Wasserstoff ausgetrieben wird, und bei dem Alkalimetall in Zwischenräume der Stützmatrix eingelagert wird.
Eine Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß Ionenleitfähigkeit aufweisendes elementares Alkalimetall in Zwischenräume der Stützmatrix eingelagert wird.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, daß Ionenleitfähigkeit aufweisendes elementares Alkalimetall in eine intermetallische Phase mit dem bzw. den Metallen der Stützmatrix legiert wird.
Zweckmäßig ist, daß dem Pulverisierten Metall vor dem Verbinden zu dem Stützgerüst ein Alkalimetallhydrid zugegeben wird. Es ist vorteilhaft, daß das Alkalimetall Lithium ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß das Verbinden der pulverisierten Metallhydride durch Sintern erfolgt.
Weiterhin ist es von Vorteil, daß den Metallhydriden vor dem Verbinden zur Stützmatrix ein Metall oder ein Übergangsmetall als Binder zugegeben wird. Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß das Übergangsmetall Kupfer ist.
Es ist auch zweckmäßig, daß den Metallhydriden vor dem Verbinden zur Stützmatrix ein Elektrolyt, vorzugsweise ein hochviskoser Elektrolyt, zugegeben wird.
Es ist ebenfalls erfindungsgemäß, daß der Elektrolyt ein Phosphazen, vorzugsweise ein Poly-Phosphazen, enthält.
Eine weitere Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß der Elektrolyt halogenisierte, insbesondere chlorierte Poly-Phosphazene enthält.
Diese Elektrode bringt gegenüber den bekannten Li-C-Elektroden den Vorteil mit sich, daß sie eine geringere Dichte aufweist, da zum Anlagern des Alkalimetalls beispielsweise nur ein Aluminium-Atom benötigt wird. Bei den herkömmlichen Li-C- Elektroden sind hingegen in der Regel drei Kohlenstoffatome hierfür erforderlich.
Darüber hinaus weist die elektrolytdurchlässige, weil poröse Elektrode beim Be- und Entladevorgang geringere äußere Volumenänderungen auf, da durch die Zwischenräume bzw. Poren der zusätzlich benötigte Raum zumindest teilweise vorhanden ist.
Bei der Variante, bei der das Alkalimetall mit den Metallen der Stützmatrix in eine intermetallische Phase legiert wird, liegt auch das Alkalimetall noch in den Zwischenräumen vor, was besonders vorteilhaft ist.
Schließlich bringt die erfindungsgemäße Elektrode einen bedeutenden Sicherheitsaspekt mit sich, da das Alkalimetall passiviert ist. Zudem kann bei inaktiver Elektrode die Elektrode mit passiviertem Alkalimetall zusammengebaut werden.
Werden Leichtmetalle als Metall für das Stützgerüst verwendet, werden diese vor dem Verbinden nicht passiviert, so daß das Stützgerüst mit geringerem Energieaufwand hergestellt werden kann.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
Beispiel 1
Pulverisiertem Aluminiumhydrid wird Lithiumhydrid sowie Kupfer als Binder zugeben. Anschließend wird die Mischung gesintert, wobei der Wasserstoff bei dein Verbinden der Metallkörner ausgetrieben und Lithium in die Poren der entstehenden metallischen Stützmatrix eingelagert wird.
Weitere Beispiele (Variationen von Beispiel 1).
Beispiel 2
Statt Aluminiumhydrid wird ein anderes oder werden mehrere andere pulverisierte Metallhydride, beispielsweise Siliziumhydrid, Titanhydrid oder Magnesiumhydrid verwendet. Ansonsten wird gleich verfahren.
Beispiel 3
Statt Lithiumhydrid wird ein anderes Alkalimetallhydrid, beispielsweise Natriumhydrid, verwendet. Ansonsten wird gleich verfahren.
Beispiel 4
Statt Kupfer wird ein anderes Metall oder Übergangsmetall als Binder verwendet. Ansonsten wird gleich verfahren.
Beispiel 5
Statt Kupfer wird ein Elektrolyt als Binder beigegeben. Vorzugsweise ist der Elektrolyt hochviskos. Beispielsweise kann der als Binder verwandte Elektrolyt ein Phosphazen, insbesondere ein Poly-Phosphazen enthalten, welches wiederum vorzugsweise halogenisiert ist. Besonders vorzuziehen sind chlorierte Poly-Phosphazene. Ansonsten wird gleich verfahren.
Beispiel 6
Zur Herstellung einer aktiven Elektrode wird in den Zwischenräumen bzw. Poren der Stützmatrix das die Ionenfähigkeit aufweisende Alkalimetall elementar eingelagert. Ansonsten wird gleich verfahren.
Beispiel 7
Zur Herstellung einer aktiven Elektrode wird in den Zwischenräumen bzw. Poren der Stützmatrix Ionenleitfähigkeit aufweisendes elementares Alkalimetall in eine intermetallische Phase mit dem bzw. den Metallen der Stützmatrix legiert. Ansonsten wird gleich verfahren.

Claims (14)

1. Elektrode für Alkalimetall-Batterien mit einer elektrolytdurchlässigen metallischen Stützmatrix, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrolytdurchlässige metallische Stützmatrix aus einem oder mehreren pulverisierten Metallhydriden besteht, wobei in die Poren der Stützmatrix Alkalimetall eingelagert ist.
2. Elektrode gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallhydride Hydride von Aluminium, Silizium, Titan oder Magnesium sind.
3. Elektrode gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Alkalimetall Lithium ist.
4. Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für Alkalimetall-Batterien mit einer elektrolyt-durchlässigen Stützmatrix, dadurch gekennzeichnet, daß beim Verbinden von pulverisiertem Metall zu der Stützmatrix der Wasserstoff ausgetrieben wird, und daß Alkalimetall in Zwischenräume der Stützmatrix eingelagert wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Zwischenräume der Stützmatrix eine Ionenleitfähigkeit aufweisendes elementares Alkalimetall eingelagert wird.
6. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Ionenleitfähigkeit aufweisendes elementares Alkalimetall in eine intermetallische Phase mit dem bzw. den Metallen der Stützmatrix legiert wird.
7. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem pulverisierten Metall vor dem Verbinden zu dem Stützgerüst ein Alkalimetallhydrid zugegeben wird.
8. Verfahren gemäß den Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Alkalimetall Lithium ist.
9. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden der pulverisierten Metallhydride durch Sintern erfolgt.
10. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Metallhydriden vor dem Verbinden zur Stützmatrix ein Metall oder ein Übergangsmetall als Binder zugegeben wird.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsmetall Kupfer ist.
12. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Metallhydriden vor dem Verbinden zur Stützmatrix ein Elektrolyt, vorzugsweise ein hochviskoser Elektrolyt, zugegeben wird.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt ein Phosphazen, vorzugsweise ein Poly-Phosphazen, enthält.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt halogenisierte, insbesondere chlorierte Poly-Phosphazene enthält.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6475679B1 (en) * 1998-11-30 2002-11-05 Nippon Chemical Industrial Co., Ltd. Non-aqueous electrolyte secondary battery

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
US-Z.: J.Electrochem. Soc. Vol.124, No.10, S.1490-1492 *

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