DE2126055C3 - Primary element with a negative lithium electrode, a solid lithium iodide eltrolyte and an iodine-containing, electrically conductive positive electrode - Google Patents

Primary element with a negative lithium electrode, a solid lithium iodide eltrolyte and an iodine-containing, electrically conductive positive electrode

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DE2126055C3 DE19712126055 DE2126055A DE2126055C3 DE 2126055 C3 DE2126055 C3 DE 2126055C3 DE 19712126055 DE19712126055 DE 19712126055 DE 2126055 A DE2126055 A DE 2126055A DE 2126055 C3 DE2126055 C3 DE 2126055C3
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Description

Ein solches Primärelement ist bekannt aus der USA.-Patentschrift 3 455 742, in welcher Feststoffzellen beschrieben sind, die eine Lithiumanode (Anode = negative Elektrode) haben, wobei jedoch eineMetall-Metallhalogenid-Kathode(Kathode = positive Elektrode) vorgesehen ist; erwähnt ist in dieser USA.-Patentschrift noch, daß die Kathode auch aus Jod bestehen kann. In Spalte 3 ist dann weiter ausgeführt, daß eine solche Zelle auf Grund der Gegenwart dieses korrodierenden Metalls in ihrer Wirkungsweise nicht akzeptabel ist, auch ist ausgeführt, daß mit einer Jod-Kohlekathode arbeitende Zellen nur eine geringe Energiedichte aufweisen.Such a primary element is known from US Pat. No. 3,455,742, in which solid cells are described that have a lithium anode (anode = negative electrode), however a metal-metal halide cathode (cathode = positive Electrode) is provided; It is mentioned in this USA patent that the cathode also consists of Iodine can consist. In column 3 it is further stated that such a cell is based on the present this corrosive metal is not acceptable in its mode of action, it is also stated that with a Cells working with iodine-carbon cathodes only have a low energy density.

Die USA.-Patentschriften 3 352 720 sowie 3 057 760 können nun zwar elektrisch leitende Ladungsübertragungskomplexe, bestehend aus einer organischen Donatorkomponente und Jod als Komponenten für die positiven Elektroden entnommen werden, wesentlich ist hier jedoch, daß sich diese beiden U SA.-Patentschriften auf Zellen mit flüssigen Elektrolyten beziehen und wobei die Anoden aus Zink, Kadmium, Magnesium, Aluminium usw., zur Gruppe II bzw. III gehörende Metalle haben. Die in diesen USA.-Patentschriften 3 352 720 und 3 057 760 beschriebenen Zellen weisen auf einer wäßrigen Salzlösung beruhende Elektrolyten auf, Elektrolyten also, in Verbindung mit welchen eine Lithiumanode nicht existieren kann, da Lithium mit Wasser sehr reaktionsfähig ist. Allgemein hängt der praktische Wert einer Zelle in großem Umfang von komplexen reaktionskinetischen Bedingungen, d. h. von dem dynamischen Reaktionsverhalten ab. Es sind jedoch die Faktoren, die die Reaktionskinetik in Feststoffsystemen beeinflussen und festlegen, sehr unterschiedlich zu denen, die bei den flüssigen Elektrolytzellen von Bedeutung sind, so daß von Fachleuten die grundsätzliche Trennung dieser beiden Bereiche auch anerkannt ist.The USA patents 3 352 720 and 3 057 760 can now admittedly use electrically conductive charge transfer complexes, consisting of an organic donor component and iodine are taken as components for the positive electrodes, essential however, it is here that these two U SA patents relate to cells with liquid electrolytes and wherein the anodes made of zinc, cadmium, magnesium, aluminum, etc., belong to groups II and III, respectively Have metals. The cells described in these U.S. Patents 3,352,720 and 3,057,760 have electrolytes based on an aqueous salt solution, i.e. electrolytes in connection with which a lithium anode cannot exist because lithium is very reactive with water. General The practical value of a cell depends to a large extent on complex reaction kinetics Conditions, d. H. on the dynamic response behavior. However, it is the factors that determine the Influence and determine reaction kinetics in solid systems very differently from those in the liquid electrolyte cells are important, so that the basic separation of those skilled in the art these two areas is also recognized.

Schließlich können der Zeitschrift »J. of Electrochem. Soc.« 114, 1967, auf den S. 323 bis 329, galvanische Elemente mit einem Festelektrolyten entnommen werden, deren positive Elektrode aus einem elektrisch leitenden Ladungsübertragungskornplex aus einer organischen Donatorkomponente und Jod besteht. Als Anoden werden verschiedene bivalente Metalle, beispielsweise Silber, verwendet, wobei man Energiedichten von 1 Wattstunde pro 0,454 kg und Augenblickströme von 25mA/cm2 aus Zellen mit einer Magnesiumanode und einer organischen Jodkathode entnehmen kann. Die gleichen Autoren verweisen in der Zeitschrift »J. Electrcchem. Soc.« 115, 359, von 1968, auf eine beträchtliche Vergrößerung des Augenblickstromes hin, der dann erzielt wird, wenn Dämpfen von Flüssigkeiten mit hoher Dielektrizitätskonstante, wie beispielsweise Wasser, der Zutritt zu der Grenzschicht Anode/Elektrolyt ermöglicht wird.Finally, the journal »J. of electrochem. Soc. «114, 1967, on p. 323 to 329, galvanic elements with a solid electrolyte are taken, the positive electrode of which consists of an electrically conductive charge transfer complex of an organic donor component and iodine. Various bivalent metals, such as silver, are used as anodes, with energy densities of 1 watt hour per 0.454 kg and instantaneous currents of 25 mA / cm 2 from cells with a magnesium anode and an organic iodine cathode. The same authors refer to the journal »J. Electrcchem. Soc. «115, 359, from 1968, to a considerable increase in the instantaneous current that is achieved when vapors of liquids with a high dielectric constant, such as water, are allowed to access the anode / electrolyte interface.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein auf dem Feststoffprinzip basierendes Primärelement zu schaffen, welches eine hohe Ausgangsspannung mit einer hohen Energiedichte und einer langen Lebensdauer verbindet.The object of the present invention is to provide a primary element based on the solid matter principle create, which has a high output voltage with a high energy density and a long service life connects.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von dem eingangs genannten Primärelement bekannter Art und besteht erfindungsgemäß darin, daß die positive Elektrode aus einem elektrisch leitenden Ladungsübertragungskomplex, bestehend aus einer organischen Donatorkomponente und Jod besteht.To achieve this object, the invention is based on the primary element mentioned at the outset, which is known Kind and consists according to the invention that the positive electrode consists of an electrically conductive Charge transfer complex consisting of an organic donor component and iodine.

Solche Primärelemente haben in Abhängigkeit von dem Zellenaufbau und dem speziellen Kathodenmaterial eine Leerlaufspannung zwischen 2,7 undSuch primary elements have, depending on the cell structure and the specific cathode material an open circuit voltage between 2.7 and

3VoIt sowie eine theoretische Energiedichte von 213 Wattstunden pro 0,454 kg, wobei Energiedichten bis zu einer Größe von 136 Wattstunden pro 0,454 kg während der Entladung gekapselter Frimärelemente bei Raumtemperatur effektiv erhalten worden sind.3VoIt and a theoretical energy density of 213 watt hours per 0.454 kg, with energy densities up to a size of 136 watt hours per 0.454 kg have been effectively obtained during the discharge of encapsulated primary elements at room temperature.

Man gelangt durch die Erfindung zu stabilen, äußerst langlebigen Primärelememen mit hoher Energiedichte und hoher Batteriespannung; solche Primärelemente können insbesondere als Langlebensdauerbatterien für relativ geringe Stromentnahmen ι ο angesehen werden.The invention leads to stable, extremely durable primary elements with a high energy density and high battery voltage; such primary elements can in particular be used as long-life batteries be considered for relatively low power consumption ι ο.

Die erfindungsgemäßen Primärelemente weisen also eine negative Litbiumanode, einen festen Lithiumjodidelektrolyten und eine positive Elektrode auf, die aus einem elektrisch leitenden Ladungsübertragüngskomplex, bestehend aus einer organischen Donatorkomponente und Jod, besteht, wobei die Anodenreaktion wie folgt abläuft:The primary elements according to the invention thus have a negative lithium anode, a solid lithium iodide electrolyte and a positive electrode made of an electrically conductive charge transfer complex, consisting of an organic donor component and iodine, being the anode reaction works like this:

Li — Li+e
mit folgender Kathodenreaktion
Li - Li + e
with the following cathode reaction

J2 + 2e ► 2J-J 2 + 2e ► 2J-

was zu einer Gesamtreaktion von 2S resulting in an overall response of 2S

2Li + J2 2Li + J 2

2LiJ.2LiJ.

Dieses elektrochemische System ist insbesondere insofern vorteilhaft, als Lithium, wie die meisten elektropositiven Metalle mit dem gerinsten äquivalenten Gewicht eine hohe Energiedichte aufweist und daß der bei der Entladung des Elementes gebildete Elektrolyt LiJ ist, ein Lithiumsalz, welches die höchste ionische Leitfähigkeit aufweist, viel höher als die ionischen Leitfähigkeiten von bivalenten Halogeniden.This electrochemical system is particularly advantageous in that lithium is like most electropositive metals with the lowest equivalent weight have a high energy density and that the electrolyte formed when the element is discharged is LiI, a lithium salt which contains the has the highest ionic conductivity, much higher than the ionic conductivities of divalent ones Halides.

Das kathodenseitige Jod ist vorteilhafterweise zumindest teilweise chemisch gebunden, wie beispielsweise in organischen Jod enthaltenden Ladungsübertragungskomplexen. Insofern bestehen bevorzugte Ausführungsformen des neuen Kathodenmaterials aus einer Mischung aus Jod und Poly-2-Vinylpyridin · J2 oder Poly-2-Vinylchinolin J2, so daß sich Ladungsübertragungskomplexe in den gewünschten Anteilen ergeben, die eine kittähnliche, nachgiebige, jedoch feste Masse bilden. Bei dem Elektrolyten handelt es sich um Lithiumjodid, welches in situ durch Kontakt der Lithiumanode und der Kathodenoberflächen gebildet ist, wobei das Lithium mit dem Jod in der Kathode reagiert und eine feste Lithiumjodidelektrolytschicht in Kontakt mit Anode und Kathode bildet. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel besteht der Elektrolyt aus einer Beschichtung aus Lithiumjodid oder einem anderen Lithiumhalogenid auf der Lithiumanode, und ist durch Reaktion des Lithiums mit dem Jod oder einem anderen Halogenid gebildet. Dabei berührt die Kathode im allgemeinen einen inerten Kathodenstromkollektor, der zweckmäßigerweise aus Kohle oder aus einem zu der Kathode inertem Metall besteht. Gleichermaßen wird ein inerter metallischer Stromkollektor zur Herstellung einer elektrischen Verbindung mit der weichen Lithiumanode verwendet.The iodine on the cathode side is advantageously at least partially chemically bound, for example in charge transfer complexes containing organic iodine. In this respect, preferred embodiments of the new cathode material consist of a mixture of iodine and poly-2-vinylpyridine.I 2 or poly-2-vinylquinoline I 2 , so that charge transfer complexes result in the desired proportions, which form a putty-like, flexible, but solid mass . The electrolyte is lithium iodide, which is formed in situ by contact between the lithium anode and the cathode surfaces, the lithium reacting with the iodine in the cathode and forming a solid lithium iodide electrolyte layer in contact with the anode and cathode. According to another exemplary embodiment, the electrolyte consists of a coating of lithium iodide or another lithium halide on the lithium anode, and is formed by the reaction of the lithium with the iodine or another halide. The cathode is generally in contact with an inert cathode current collector, which is expediently made of carbon or of a metal that is inert to the cathode. Likewise, an inert metallic current collector is used to make electrical connection with the soft lithium anode.

Weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Im folgenden werden an Hand der Figuren Aufbau und Wirkungsweise von Ausfuhrungsbeispielen der Erfindung im einzelnen näher erläutert.Further refinements are the subject of the subclaims. In the following, the Figures Structure and mode of operation of exemplary embodiments of the invention explained in more detail.

Dabei zeigtIt shows

F i g. 1 in explodierter perspektivischer Darstellung die einzelnen Teilkomponenten eines erfindungsgemäßen Primärelementes,F i g. 1 in an exploded perspective view the individual sub-components of a primary element according to the invention,

Fig. 2 zeigt die Anordnung der Fig. 1, eingekapselt in einer Vergußmasse,Fig. 2 shows the arrangement of Fig. 1 encapsulated in a potting compound,

F i g. 3 stellt eine Schnittdarstellung eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung in Form einer dünnen Zelle dar, währendF i g. Fig. 3 is a sectional view of another one preferred embodiment of the invention in the form of a thin cell, while

F i g. 4 in Form eines Diagramms Entladungsverläufe bei den Zellen der F i g. 3 zeigt, die eine Lithiumanode und eine P2VP-5J, Kathode aufweist. F i g. 4 in the form of a diagram of discharge profiles in the cells of FIG. 3 shows the one Lithium anode and a P2VP-5J, cathode.

Die in F i g. 1 in explodierter Darstellung gezeigte Zelle besteht aus einem metallischen, anodenseitigen Kontaktelement bzw. einem Stromsammler 2, einer Lithiumanode 4, einer Kathode 6 und einem Kathodenstromsammler, welcher aus einem metallischen Schirm 8 besteht, der vorzugsweise mit einem weiteren metallischen Blatt bzw. einer Scheibe 10 punktgeschweißt ist. Die Komponenten der Zelle werden übereinandergestapelt, woraufhin der Stapel dann miit einem geeigneten Druck von etwa 70'lcg/cm2 zusammengepreßt wird, um die vollständige Zelle zu bilden. Das Anodenkontaktelement 2 weist Löcher 12 auf, die von einem Stift oder einem anderem konischem Stempel eingestanzt worden sind, wodurch sich vorspringende, scharfe Kanten ergeben, die sich in die Lithiumanode eingraben und das Kontaktelement mit dieser Anode fest verbinden. Ein metallischer Schirm bzw. ein Metallgeflecht kann mit gleichem Vorteil als anodisches Kontaktelement verwendet werden. Das in geeigneter Weise feinverteilte Kathodenmaterial wird kompaktiert, wenn die Zelle in eine massive Scheibe geformt wird, wobei dann in ihr der Kathodenkontaktschirm 8 eingebettet ist. Falls erwünscht, kann jedoch das Kathodenmaterial auch schon vor dem Zusammenbau zu einer Zelle pelletisiert bzw. zu einem einstückigem Kontaktkörper geformt werden.The in F i g. 1 in an exploded view consists of a metallic, anode-side contact element or a current collector 2, a lithium anode 4, a cathode 6 and a cathode current collector, which consists of a metallic screen 8, which is preferably provided with a further metallic sheet or disk 10 is spot welded. The components of the cell are stacked on top of one another, after which the stack is then compressed with a suitable pressure of about 70 lcg / cm 2 to form the complete cell. The anode contact element 2 has holes 12 which have been punched by a pin or some other conical punch, resulting in protruding, sharp edges which dig into the lithium anode and firmly connect the contact element to this anode. A metallic screen or a metal mesh can be used as an anodic contact element with the same advantage. The cathode material, which is suitably finely divided, is compacted when the cell is shaped into a solid disk, in which the cathode contact screen 8 is then embedded. If desired, however, the cathode material can also be pelletized or shaped into a one-piece contact body before it is assembled into a cell.

Wie in Fig. 2 dargestellt, wird die sich auf diese Weise ergebende Zelle, die aus einer Vielzahl lamellenartiger Schichten in innigem Kontakt zueinander besteht, in eine inerte Vergußverbindung 14 eingekapselt; die inerte Vergußverbindung besteht vorzugsweise und in geeigneter Form aus Polyester, welches dazu dient, die Zelle gegen Energieverlust bzw. Degradation und gegen ein Aussetzen zur Atmosphäre hin zu schützen.As shown in Fig. 2, the resulting cell, which is composed of a plurality of lamellar Layers are in intimate contact with one another, encapsulated in an inert potting compound 14; the inert potting compound consists preferably and in a suitable form of polyester, which serves to protect the cell against energy loss or degradation and against exposure to the atmosphere to protect.

Die in F i g. 3 gezeigte Zelle kann in der Form einer dünnen Scheibe bzw. eines Streifens hergestellt sein, der nur eine Dicke von nicht mehr als 380 bis 500 μ, aber auch jede andere Abmessung haben kann. Die Zelle ist in eine Kunststoffumhüllung 16 eingeschlossen, wobei sich Polyvinylchlorid oder ein Kunststoff der Bezeichnung »Teflon« als besonders geeignet erwiesen hat; es kann jedoch auch ein Vergußgehäuse aus Polyester oder Epoxydharz oder ein sonstiges, hermetisch abdichtendes Gehäuse verwendet werden, welches undurchlässig mit Bezug auf Jod und übliche atmosphärische Bestandteile ist, d. h. undurchlässig gegenüber Sauerstoff. Stickstoff und Wasserdampf. Dabei stößt ein dünner metallischer AuDdenstromsammler 18. der zweckmäßig aus einer Nickelfolie einer auf der Kunststoffumhüllung mittels Vakuumablagerung oder elektroloser Plattierung abgelagerten Nickelplatte hergestellt ist, unmittelbar an eine dünne Lithiumelektrode 19 ;in Hip inThe in F i g. The cell shown in FIG. 3 can be made in the form of a thin disk or strip which can only have a thickness of no more than 380 to 500 μ, but also any other dimension. The cell is enclosed in a plastic casing 16, which is polyvinyl chloride or a plastic the designation "Teflon" has proven to be particularly suitable; however, it can also be a potting housing Made of polyester or epoxy resin or some other hermetically sealed housing is used which is impermeable to iodine and common atmospheric constituents, d. H. impermeable to oxygen. Nitrogen and water vapor. In doing so, a thin metallic one comes across AuDdenstromsammler 18. which is expediently made of a nickel foil on the plastic casing means Vacuum deposition or electroless plating deposited nickel plate is made immediately to a thin lithium electrode 19; in Hip in

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geeigneter Weise eine Dicke zwischen 25,4 und 254 μ erreichen. Ein niedriger innerer Widerstand der Bataufweist. Besonders zweckmäßig ist, wenn sich das terien kann dadurch erzielt werden, daß Zellen in Lithium in Form einer Folie befindet, es kann jedoch Reihe und parallel geschaltet und übereinandergemittels Vakuumablagerung, Elektroplattierung oder stapelt werden.suitably achieve a thickness between 25.4 and 254 μ. The Bat exhibits a low internal resistance. It is particularly useful if the terier can be achieved that cells in Lithium is in the form of a foil, but it can be connected in series and parallel and averaged over one another Vacuum deposition, electroplating or stacking.

anderer üblicher Verfahren auf dem Stromsammler 5 Die erfindungsgemäßer. Zellen werden durch atmoabgelagert sein. Der anfängliche dünne Film eines sphärische Feuchtigkeit nachteilig beeinflußt, so daß Lithiumjodid-Elektrolyten 20 kann, wie weiter vorn diese zusammengebaut und eingekapselt werden in schon beschrieben, bei dem Zusammenbau der Zelle trockenen Atmosphären, und zwar vorzugsweise in auf der Lithiumoberfiäche vorgeformt sein, oder er trockenen Räumen oder Einschlüssen mit einer relakann spontan gebildet werden, wenn die reine Lithium- io tiven Luftfeuchtigkeit von weniger als etwa 2%, anodenoberfläche in Kontakt mit der Kathode ge- wobei im wesentlichen wasserfreie und/oder getrockbracht wird. Die Kathode 22 kann aus kompaktier- nete Komponenten verwendet werden. Sämtliche tem Pulver bestehen, oder wird, was wesentlich zweck- hierin beschriebenen Zellanordnungen und Untermäßiger ist, in Form einer Paste als Kathodenmaterial suchungen bzw. Meßergebnisse nicht abgekapselter oder als Kaihodenmaterial und einem Binder, bei- 15 Zellen wurden in solchen trockenen Räumen oder spielsweise in Form von Vinyldispersionen auf die trockenen Einschlüssen durchgeführt, wobei sogar Anode aufgebracht. Dieses neue plastische Katho- getrocknete Luft bzw. Argonatmosphären vorhandenmaterial wird vorzugsweise direkt auf den Katho- den waren.other common methods on the current collector 5 according to the invention. Cells are deposited by atmospheric being. The initial thin film of a spherical moisture adversely affected, so that Lithium iodide electrolyte 20 can be assembled and encapsulated in, as described above already described, when assembling the cell dry atmospheres, preferably in be preformed on the lithium surface, or dry spaces or inclusions with a rela are formed spontaneously if the pure lithium ionic humidity is less than about 2%, anode surface in contact with the cathode, being essentially anhydrous and / or brought dry will. The cathode 22 can be used from compacted components. All system powder exist, or what is essentially appropriate cell arrangements described herein and less, in the form of a paste as cathode material searches or measurement results are not encapsulated or as a testicle material and a binder, with- 15 cells were in such dry rooms or for example carried out in the form of vinyl dispersions on the dry inclusions, with even Anode applied. This new plastic cathodried air or argon atmosphere available material will preferably goods directly to the cathode.

denstromsammler 24 aufgebracht, woraufhin die Als geeignet zur Verwendung als Kathodenmate-Schicht dann in Kontakt mit der Anode gebracht 20 rialien in den erfindungsgemäßen Lithiumzellen haben wird. Das neue Kunststoffkathodenmaterial kann sich erwiesen Komplexe zui Ladungsübertragung auch erhitzt und zum Schmelzen gebracht und durch aus organischem Material und Jod, obwohl jede Aufbürsten bzw. Sprühen aufgebracht werden, und beliebige andere Kathode ebenfalls verwendet werden es kann als eine Lösung in Tetrahydrofuran aufge- kann, die elektronisch leitend ist und verfügbares bracht werden, woraufhin dann das Lösungsmittel 25 Jod für die elektrochemische Reaktion enthält. Bei verdampft wird. Der Kathodenstromsammler bzw. den Ladungsübertragungskomplexen handelt es sich Kollektor kann aus einer dünnen Metallfolie bestehen um eine gut bekannte Klasse von Materialien, die oder kann, wie im Falle des Anodenstromsammlers, zwei Komponenten enthalten, und zwar handelt es eine auf dem Kunststoffgehäuse abgelagerte Metall- sich bei dem einen um einen Elektronen-Donator beschichtung sein. Dabei ist festgestellt worden, daß 30 und bei dem anderen um einen Elektronen-Akzeptor; sich als Materialien für die Kathodenkollektoren am diese bilden schwach verbundene Komplexe aus, die geeignetsten erwiesen haben Zirkonium, Platin oder eine höhere elektronische Leitfähigkeit zeigen als Verbindungen aus beidsn, da sie keine augenschein- jede einzelne Komponente. Für die vorliegende Erfinliche Reaktion bzw. Alterung, Verschlechterung oder dung geeignete Ladungsübertragungskomplexe beZersetzung aufwiesen. Für eine kürzere Batterie- 35 stehen aus einer organischen Donatorkomponente lebensdauer, beispielsweise zwischen 4 und 6 Mona- und Jod. dem Elektronen-Akzeptor, und haben vorten, haben sich Nichrom, Nickel oder andere Hoch- zugsweise eine Leitfähigkeit, die größer ist als 2,5 nickelverbindungen als geeignet erwiesen. Jeweils 10~4 S/cm. Die Ladungsübertragungskomplexe finmit den Anoden und Kathodenstromkollektoren sind den sich im chemischen Gleichgewicht mit einem zum Anschluß an äußere Schaltverbindungen metal- 40 geringen Anteil von freiem Jod, welches für die eleklische Zuleitungen 26 und 28 verbunden, die durch trochemische Reaktion verfügbar ist. Diese Ladungsöffnungen in der Kunststoffumhüllung fest abge- übertragungskomplexe weisen einen weiten Bereich dichtet sind. Die übereinandergestapelten Zellen- elektronischer Leitfähigkeit auf, ist die Leitfähigkeit komponenten können zur Erzielung einer guten gering, dann ist der Ausgangsstrom verhältnismäßig Adhäsion und eines guten Kontaktes zwischen den 45 klein, auf Grund des hohen inneren Ohmschen Schichten zusammengepreßt werden, wobei lediglich Widerstandes. Dabei weisen Kathoden, die innige geringe Drücke in der Größenordnung von 1,8 kg/cm2 Mischungen solcher eine geringe Leitfähigkeit aufbenötigt werden, wenn das neue Kunststoffkathoden- weisender Komplexe mit pulverförmigem Graphit material verwendet wird, um die Adhäsion zwischen oder inertem Metall enthalten, hohe Leitfähigkeiten den Schichten, die während Lagerung und Entladung 30 auf und können hinsichtlich ihrer Wirkung mit ZeI-ohne äußere Kräfte aufrechterhalten wird, sicherzu- len verglichen werden, die Komplexe hoher Leitstellen, fähigkeit verwenden. Es können somit geeignete Die Zellen können in einer außerordentlich großen Ladungsübertragungskomplexe hergestellt werden, Vielfalt von Formen hergestellt werden; so sind ein- ** wobei als organische Donatorkomponente verwendet gekapselte, flexible Zellen, nicht dicker als 0,5 mm, 53 werden polyzyklische aromatische Verbindungen, wie hergestellt worden, so daß es möglich ist, Batterien · z. B. Pyren, Perylen, Anthrazen, Naphthalen, Eryin fast jeder denkbaren Konfiguration zu erzeugen. throsin, Azulen und Fluoren; organische Polymere, Beispielsweise kann eine solche Batterie um eine elek- wie beispielsweise Polyäthylen, Polypropylen, PoIytronische Schaltung gewickelt werden, um den zur styrol, Polypyrrol, Polyamide und Polyvinyle, oder Verfügung stehenden Raum wirkungsvoll auszu- «· Stickstoff bzw. Schwefel enthaltende heterozyklische nutzen. Wenn eine solche Flexibilität nicht not- Verbindungen, wie z. B. Phenothiazin, Phenazin, wendig ist, können die Zellen in steifen Kunststoff 10-Phenylphenophiozin, Thianthren, 10-Methyleingekapselt werden oder können in metallischen thiazin und Methalyinblau, polymerisierte bzw. polyBehältern abgedichtet sein. Größere Kapazitäten pro merisierbare Verbindungen, bei welchen ein hetero-Elektrodeneinheitsgebiet können durch Vergrößerung tj zyklischer Stickstoffanteil als Seitenkette oder Subder Dicke von Anode und Kathode erreicht werden, stituente eingebaut ist, insbesondere Vinylverbinso daß sich hierdurch zweckmäßigerweise Zellen düngen und Polymere, wie beispielsweise Polyergeben, die eine Dicke von bis zu 1,25 cm und mehr 2-Vinyl-chinolin, Poly-2-Vinylpyridin, Poly-4-Vinyl-The current collector 24 is applied, whereupon the material in the lithium cells according to the invention is then brought into contact with the anode as being suitable for use as a cathode material layer. The new plastic cathode material can also be shown to charge transfer complexes, heated and melted and made up of organic material and iodine, although any brushing or spraying can be applied, and any other cathode can also be used - it can be applied as a solution in tetrahydrofuran, which is electronically conductive and available are brought, whereupon the solvent then contains 25 iodine for the electrochemical reaction. When is evaporated. The cathodic current collector or the charge transfer complex may consist of a thin metal foil, a well-known class of materials, which or, as in the case of the anodic current collector, may contain two components, namely a metal deposited on the plastic housing one of them has an electron donor coating. It has been found that 30 and the other is an electron acceptor; The materials for the cathode collectors are weakly connected complexes, the most suitable have been shown to be zirconium, platinum or have a higher electronic conductivity than compounds of both, since they do not show any individual component. For the present invention reaction or aging, deterioration or degeneration, suitable charge transfer complexes exhibited decomposition. For a shorter battery life from an organic donor component, for example between 4 and 6 months and iodine. the electron acceptor, and have had advantages, nichrome, nickel or other highly preferred conductivity that is greater than 2.5 nickel compounds have proven to be suitable. 10 ~ 4 S / cm each. The charge transfer complexes fin with the anodes and cathode current collectors are in chemical equilibrium with a small amount of free iodine for connection to external circuit connections, which is connected to the electrical leads 26 and 28, which is available through a trochemical reaction. These charge openings in the plastic casing are tightly sealed and transfer complexes have a wide area. The stacked cells - electronic conductivity, is the conductivity components can be low to achieve a good, then the output current is relatively adhesion and a good contact between the 45 small, due to the high internal ohmic layers are pressed together, with only resistance. Cathodes have intimate low pressures of the order of magnitude of 1.8 kg / cm 2. Mixtures of such a low conductivity are required if the new plastic cathode-pointing complexes with powdered graphite material is used in order to contain the adhesion between or inert metal, high conductivities are compared to the layers that are on and can be maintained during storage and discharge with regard to their effect with cells without external forces, which use complexes of high control center capability. Thus, suitable cells can be fabricated in an extraordinarily large charge transfer complex; a variety of shapes can be fabricated; for example, encapsulated, flexible cells, no thicker than 0.5 mm, 53 being used as the organic donor component, 53 are polycyclic aromatic compounds, such as have been produced so that it is possible to use batteries, e.g. B. pyrene, perylene, anthracene, naphthalene, eryin to produce almost every conceivable configuration. throsine, azulene and fluorene; Organic polymers, for example, such a battery can be wrapped around an electronic such as polyethylene, polypropylene, or polytronic circuit in order to effectively utilize the space available for styrene, polypyrrole, polyamides and polyvinyls, or nitrogen or sulfur-containing heterocyclic systems . If such flexibility is not an emergency connection, such as B. phenothiazine, phenazine, the cells can be encapsulated in rigid plastic 10-phenylphenophiozin, thianthrene, 10-methyl or can be sealed in metallic thiazine and methalyin blue, polymerized or poly containers. Larger capacities per merisable compounds, in which a hetero-electrode unit area can be achieved by increasing the cyclic nitrogen content as a side chain or sub-thickness of the anode and cathode, substituents are built in, in particular vinyl compounds, so that cells are conveniently fertilized and polymers such as poly result, which a thickness of up to 1.25 cm and more 2-vinyl-quinoline, poly-2-vinylpyridine, poly-4-vinyl

pyridin, Poly-5- Vinyl-2- Methylpyridin und PoIy-N-Vinylcarbazol. Die Verhältnisanteile von Jod zur organischen Komponente können über einen weiten Bereich variiert werden, obwohl ein hoher Anteil nicht komplexen Jods in der Kathode im allgemeinen den inneren Widerstand der Zelle erhöht, mit Ausnahme bei den bevorzugten neuen Kunststoffkathodenmaterialien. Die Kathode kann hergestellt werden als kompaktes Gebilde bzw. in Tablettenförm aus pulverförmigem Material, sie kann aber auch in Form einer Paste aufgebracht oder aus einer mit einem inerten Lösungsmittel versetzten Lösung niedergeschlagen werden. Andere, Jod enthaltende Kathoden, die elektrisch leitend sind, können ebenfalls verwendet werden, beispielsweise Mischungen von Jod ·.$ mit Kohle oder Graphit.pyridine, poly-5-vinyl-2-methylpyridine and poly-N-vinylcarbazole. The proportions of iodine to organic components can be varied over a wide range, although a high proportion of non-complex iodine in the cathode generally increases the internal resistance of the cell, with the exception of the preferred new plastic cathode materials. The cathode can be produced as a compact structure or in tablet form from powdery material, but it can also be applied in the form of a paste or deposited from a solution mixed with an inert solvent. Other iodine-containing cathode, which are electrically conductive, can also be used, for example, mixtures of iodine ·. $ Coal or graphite.

Bei der bekannten Herstellung eines Ladungsübertragungskomplexes von Jod mit Poly-2-Vinylpyridin oder Poly-2-Vinylchinolin koordiniert ein Molekül von J2 mit jedem N-Atom, was zu einer festen Masse mit einem Jodgehalt von etwa 71 Gewichtsprozent im Falle des Poly-2-Vinylpyridinkomplexes und von etwa 62 Gewichtsprozent im Falle des Poly-2-Vinylchinolinkomplexes führt. Die bevorzugten neuen Ka- , thodenzusammensetzungen für die Erfindung stellen eine Mischung aus Jod und dem festen Poly-2-Vinylpyridin ■ J2 bzw. Poly-2-Vinylquinolin · J2 dar und bilden somit einen Ladungsübertragungskomplex in den gewünschten Anteilen. (Es erscheint zweckmäßig, die Kathodenmaterialien in der weiteren Beschreibung durch die FormelnIn the known production of a charge transfer complex of iodine with poly-2-vinylpyridine or poly-2-vinylquinoline a molecule of J 2 coordinated with each N-atom, which results in a solid mass with an iodine content of about 71 percent by weight in the case of poly-2 Vinylpyridine complex and of about 62 percent by weight in the case of the poly-2-vinylquinoline complex. The preferred new cathode compositions for the invention are a mixture of iodine and the solid poly-2-vinylpyridine I 2 or poly-2-vinylquinoline I 2 and thus form a charge transfer complex in the desired proportions. (It appears expedient to use the formulas for the cathode materials in the further description

P2VP/iJ2 und P2VQ · nJ2 P2VP / iJ 2 and P2VQ · nJ 2

darzustellen, wobei P2VP das Poly-2-Vinylpyridin und P2VQ das Poly-2-Vinylchinolin ist und η die Anzahl der Mole von J2 für jedes Atom von N darstellt. Beispielsweise ist der Ladungsübertragungskomplex mit einem Mol von J2 pro N-Atom als P2VP · J2 bezeichnet; sind 4 Mol von J2 pro N-Atom ^0 hinzugefügt, dann ist die Mischung als P2VP · 5J2 bezeichnet). Bei normaler Raumtemperatur stellt diese Mischung eine kittähnliche, nachgiebige feste Masse dar, die ausreichend plastisch ist, um auf einer festen Unterlage, beispielsweise einem Blatt eines Anodenmetalls aufgebracht zu werden. Diese Materialien sind als Kathoden in Feststoffzellen bis zu Temperaturen verwendbar, wo ein Erweichen einen Verlust dimensionsmäßiger Stabilität nach sich zieht; dieser Punkt kann sich zwischen 20 und 75° C oder höher befinden, und hängt ab von dem Grad der Polymerisation der organischen Komponente des Ladungsübertragungskomplexes. Es wird angenommen, daß der plastische Zustand des Kathodenmaterials eine ausgezeichnete atomare Bindung des Kathodenmaterials mit der Anode und mit dem Kathodenstromkollektor erlaubt, was zu größeren Ausgangsleistungen der Zelle führt. where P2VP is the poly-2-vinylpyridine and P2VQ is the poly-2-vinylquinoline and η is the number of moles of J 2 for each atom of N. For example, the charge transfer complex with one mole of J 2 per N atom is referred to as P2VP · J 2 ; are 4 moles of 2 J per N atom ^ 0 added, then the mixture as P2VP · 5J 2 hereinafter). At normal room temperature, this mixture is a putty-like, resilient solid mass which is sufficiently plastic to be applied to a solid base, for example a sheet of an anode metal. These materials are useful as cathodes in solid cells up to temperatures where softening results in loss of dimensional stability; this point can be between 20 and 75 ° C or higher and depends on the degree of polymerization of the organic component of the charge transfer complex. It is believed that the plastic state of the cathode material allows excellent atomic bonding of the cathode material to the anode and to the cathode current collector, resulting in greater cell outputs.

Den folgenden Beispielen kann die Herstellung der neuen Kathodenmischungen entnommen werden, wobei Klarheit darüber besteht, daß beliebige Verfahren zur Herstellung des Ladungsübertragungskomplexes verwendet werden können, wobei insbesondere das molekulare Gewicht der polymeren Komponente des Komplexes durch entsprechende Variationen modifiziert werden kann. Im allgemeinen erhält man besonders zufriedenstellende Kathodenmaterialien unter Verwendung eines Ladungsübertragungskomplexes, der aus einer organischen Lösung ausgefällt ist.The following examples show the production of the new cathode mixtures, it being understood that any process for preparing the charge transfer complex can be used, in particular the molecular weight of the polymer Component of the complex can be modified by appropriate variations. In general particularly satisfactory cathode materials are obtained using a charge transfer complex, which has precipitated from an organic solution.

Beispiel IExample I.

In üblicher Weise wird Poly-2-Vinylchinolin durch Polymerisieren einer Benzollösung von 2-Vinylchinolin unter Verwendung eines n-Butyl-Lithium-Polymerisationsinitiators hergestellt, und zwar zweckmäßigerweise indem man 11,3 g des Initiators (15 bis 22 Gewichtsprozent in Hexan) einer Lösung von 100 g 2-Vinylchinolin in 1500 cm3 Benzol (die Lösung bei 45° C) hinzufügt und für 10 Minuten rührt. Der Poly-2-Vinylchinolinlösung wird im Überschuß zum stöchiomctrischen Verhältnis eine Lösung von Jod in Benzol hinzugefügt, um den P2VQ · J2 Ladungsübertragungskomplex auszufällen. Die Gegenwart eines Überschusses an Jod ist leicht durch eine Rotfärbung der vermischten Lösungen festzustellen. Die Ausfällung wird gefiltert, im Vakuum getrocknet und mit etwa zwischen 1 und 17 Molekulargewichten von J2 für jedes Atomgewicht von N in dem Komplex gemischt, um eine plastische, nachgiebige Masse zu erhalten.Conventionally, poly-2-vinylquinoline is prepared by polymerizing a benzene solution of 2-vinylquinoline using an n-butyl lithium polymerization initiator, conveniently by adding 11.3 grams of the initiator (15 to 22 percent by weight in hexane) to a solution of 100 g of 2-vinylquinoline in 1500 cm 3 of benzene (the solution at 45 ° C.) is added and the mixture is stirred for 10 minutes. A solution of iodine in benzene is added to the poly-2-vinylquinoline solution in excess of the stoichiometric ratio in order to precipitate the P2VQ · I 2 charge transfer complex. The presence of an excess of iodine can easily be determined by the red color of the mixed solutions. The precipitate is filtered, vacuum dried, and mixed with about between 1 and 17 molecular weights of I 2 for each atomic weight of N in the complex to produce a plastic, compliant mass.

Beispiel IIExample II

Das Zubereitungsverfahren für das Beispiel I wird wiederholt, mit der Ausnahme, daß an Stelle des 2-Vinylchinolin 2-Vinylpyridin verwendet wird. Das sich ergebende Material hat die Formel P2VP · ni2, wobei η zwischen 2 und 7 liegt und ist in einem plastischen Zustand. Es versteht sich, daß Lösungen von Poly-2-Vinylquinolin und Poly-2-Vinylpyridin unter Verwendung einer Vielzahl organischer Lösungsmittel bzw. konventioneller Katalysatoren hergestellt werden können, wie beispielsweise mit den Lösungsmitteln Tuluen und Hexan und den Katalysatoren Natriummetall und Kaliummetall. Die Polymere können auch aus wäßrigen Lösungen unter Verwendung von solchen Katalysatoren, wie Azetylperoxyd, Lauroylperoxyd, oder Methyläthylketonperoxyd mit einem Kobaltnaphthenatbeschleuniger bereitet werden.The preparation procedure for Example I is repeated with the exception that 2-vinylpyridine is used in place of the 2-vinylquinoline. The resulting material has the formula P2VP · ni 2 , where η is between 2 and 7, and is in a plastic state. It goes without saying that solutions of poly-2-vinylquinoline and poly-2-vinylpyridine can be prepared using a variety of organic solvents or conventional catalysts, such as, for example, the solvents tuluen and hexane and the catalysts sodium metal and potassium metal. The polymers can also be prepared from aqueous solutions using catalysts such as acetyl peroxide, lauroyl peroxide, or methyl ethyl ketone peroxide with a cobalt naphthenate accelerator.

Beispiel IIIExample III

2-Vinylpyridin wurde durch Erhitzen auf etwa 80°C für 8 Stunden thermisch polymerisiert. Das sich ergebene rote thermoplastische Material wurde abgekühlt, zu einem Pulver zermahlen und mit 20 bis 40 Anteilen von Jod zu einem plastischem, nachgiebigem Feststoff vermischt2-vinylpyridine was thermally polymerized by heating at about 80 ° C. for 8 hours. The The resulting red thermoplastic material was cooled, ground to a powder and treated with 20 up to 40 parts of iodine mixed to a plastic, pliable solid

Die neuen erfindungsgemäßen Verbindungen sind insbesondere als jodenthaltende Kathodenmaterialien verwendbar, weil sie abgesehen von ihrem kittähnlichen physischen Zustand einen geringen und relativ konstanten elektronischen Widerstand über einen weiten Bereich des Jodgehaltes aufweisen und selbst bei extrem hohen Jodanteilen einen relativ niedrigen elektrischen Widerstand haben.The new compounds according to the invention are particularly useful as iodine-containing cathode materials useful because apart from their putty-like physical condition they are minor and relative have constant electronic resistance over a wide range of iodine levels and themselves have a relatively low electrical resistance with extremely high iodine contents.

Mit Anteilen zwischen 3 und 7 MoI von J2 pro Stickstoffatom (oder pro monomerer Einheit) ist der elektrische Widerstand des neuen Kathodenmaterials gering und im wesentlichen konstant. Beispielsweise beträgt der spezifische Widerstand des gemäß Bei-With proportions between 3 and 7 mol of I 2 per nitrogen atom (or per monomeric unit), the electrical resistance of the new cathode material is low and essentially constant. For example, the specific resistance of the

ίοίο

spiel 1 hergestellten P2VP · 3 J2 etwa 1400 Ohm · cm; von P2VP-4J2 1000 Ohm · cm, von P2VP ■ 5J2 1000 Ohm ■ cm, von P2VP · 6J2 930 Ohm · cm und von P2VP · 7J2 1400 Ohm · cm. Bei geringerem Jodgehalt steigt der Widerstand schnell an, so hat beispielsweise P 2 VP · 2J2 einen spezifischen Widerstand von etwa 40 000 Ohm · cm. Bei ansteigendem Jodgehalt oberhalb von etwa 7 Mol J2 pro monomerer Einheit steigt der Widerstand gleichfalls an, beispielsweise beträgt der spezifische Widerstand von P2VP-8J2 2600 Ohm · cm. Auch in dieser Hinsicht stellen sich die neuen Kathodenmaterialien als besonders vorteilhaft heraus, da sie in der Lage sind, für eine elektrochemische Reaktion einen großen Anteil von Jod zur Verfugung zu stellen, ohne daß sich der Zellen widerstand auf Grund der Veränderung in der Kathodenmischung, die von dem Verbrauch des Jods herrührt, stark vergrößert. Dies führt zu langlebigeren Zellen mit größerer Leistungs- und Energieabgabe. Für Batterien mit hoher Stromabgabe werden vorteilhafterweise Kathoden verwendet, die etwa 6 Mol Jod pro monomerer Einheit enthalten, da dann etwa 4 Mol Jod für die Reaktion auf der untersten Widerstandsebene verfügbar sind. Höhere Jodanteile, bis zu 15 Mol Jod pro monomerer Einheit werden vorteilhafterweise bei Niedrigstrombatterien verwendet, da eine wesentlich höhere Energiekapazität erhalten wird und bei geringen Stromentnahmen die Polarisation (IR Abfall) nicht unerwünscht groß ist.P2VP x 3 J 2 manufactured from match 1 about 1400 ohms cm; from P2VP-4J 2 1000 Ohm · cm, from P2VP · 5J 2 1000 Ohm · cm, from P2VP · 6J 2 930 Ohm · cm and from P2VP · 7J 2 1400 Ohm · cm. If the iodine content is lower, the resistance increases rapidly, for example P 2 VP · 2J 2 has a specific resistance of about 40,000 ohm · cm. If the iodine content rises above about 7 mol I 2 per monomeric unit, the resistance also increases, for example the specific resistance of P2VP-8J 2 is 2600 ohm · cm. In this respect, too, the new cathode materials prove to be particularly advantageous because they are able to provide a large proportion of iodine for an electrochemical reaction without the cells resisting due to the change in the cathode mixture from the consumption of iodine, greatly increased. This leads to longer-lasting cells with greater power and energy output. For batteries with a high current output, cathodes are advantageously used which contain about 6 moles of iodine per monomeric unit, since then about 4 moles of iodine are available for the reaction at the lowest resistance level. Higher proportions of iodine, up to 15 mol of iodine per monomeric unit, are advantageously used in low-current batteries, since a significantly higher energy capacity is obtained and the polarization (IR drop) is not undesirably large with low current draws.

Die folgenden Beispiele beziehen sich auf gemäß der Erfindung hergestellte Elemente bzw. Batterien:The following examples relate to elements or batteries produced according to the invention:

Beispiel IVExample IV

Es wurden Primärelemente hergestellt unter Verwendung einer Lithiumanode und verschiedener elektrisch leitender und für eine elektrochemische Reaktion verfügbares Jod enthaltender Kathoden. Die Kathoden wurden hergestellt durch Mischung von Jod mit anderen pulverförmigen Kathodenkomponenten, Graphit und/oder einem organischen Material, wobei die Mischungen bei einem Druck von etwa 368 kg/cm2 zu einem tablettenförmigen Preßkörper von 1,25 cm Durchmesser und einer Dicke von etwa 1 mm kompakliert wurden. Das verwendete organische Material war dergestalt, daß es spontan mit dem Jod zur Bildung eines Ladungsübertragungskomplexes reagierte. In einigen Fällen wurde, wie angezeigt, ein organischer J2-Ladungsübertragungskomplex getrennt mittels üblicher Verfahren hergestellt und dann entweder allein oder durch Zumischung von Graphit zu Kathodentabletten gepreßt. Die Kathodentablette wurde zwischen eine Lithiumanode von 1,23 cm2 und einem aus einer Nickelfolie bestehendem Kollektor gelegt, das Ganze mit einem Teflonband umwickelt und unter leichtem Druck von einer Klammer zusammengehalten. Die Lithiumanodenscheibe war aus einem Lithiumband ausgeschnitten, welches in Petroläther gereinigt und geschabt worden war. Die Zelle wurde untersucht bzw. durchgemessen, hinsichtlich ihrer Leerlaufspannung (U0), der Stromabgabe bei verschiedenen Spannungen (μΑ/V) und des Kurzschlußstromes (Ik). Die Zellen wurden dann mit Lack beschichtet und nach 24 Stunden wieder durchgemessen. Typische Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.Primary elements were manufactured using a lithium anode and various electrically conductive cathodes containing iodine available for an electrochemical reaction. The cathodes were produced by mixing iodine with other powdery cathode components, graphite and / or an organic material, the mixtures being formed at a pressure of about 368 kg / cm 2 to form a tablet-shaped compact with a diameter of 1.25 cm and a thickness of about 1 cm mm were compacted. The organic material used was such that it reacted spontaneously with the iodine to form a charge transfer complex. In some cases, as indicated, an organic I 2 charge transfer complex was prepared separately by conventional methods and then pressed into cathode tablets either alone or by admixing graphite. The cathode tablet was placed between a lithium anode of 1.23 cm 2 and a collector consisting of a nickel foil, the whole thing was wrapped with a Teflon tape and held together by a clamp under slight pressure. The lithium anode disk was cut out of a lithium tape which had been cleaned and scraped in petroleum ether. The cell was examined or measured with regard to its open-circuit voltage (U 0 ), the current output at different voltages (μΑ / V) and the short-circuit current (I k ). The cells were then coated with varnish and measured again after 24 hours. Typical results are shown in Table 1.

Tabelletable

Batteriebattery KathodenmischungCathode mix Un U n Anfängliche MessungenInitial measurements μΑ/VμΑ / V μΑ/VμΑ / V U0 U 0 viessungen nach 24 StundenViessungen after 24 hours μΑ/VμΑ / V μΑ/VμΑ / V (Element)(Element) 1,611.61 0,6 /1,540.6 / 1.54 24/0,0424 / 0.04 0,490.49 0,19/0,510.19 / 0.51 20/0,0320 / 0.03 Nr.No. 99% Jod, 1 % Kohle99% iodine, 1% coal 2,852.85 IJvAIJvA 1,05/2,851.05 / 2.85 1400/2,351400 / 2.35 2,802.80 IJvAIJvA 0,93/2,400.93 / 2.40 470/0,75470 / 0.75 11 95% Jod, 5% Kohle95% iodine, 5% charcoal 2,902.90 2424 1,10/2,901.10 / 2.90 1500/2,501500 / 2.50 2,852.85 2121 1,05/2,851.05 / 2.85 760/1,25760 / 1.25 22 90% Jod, 10% Kohle90% iodine, 10% coal 2,902.90 46004600 1,05/2,751.05 / 2.75 110/0,20110 / 0.20 2,802.80 680680 1,10/2,801.10 / 2.80 720/1,15720 / 1.15 33 5Oo Jod, 50% Poly
äthylen
50% Jod, 50% Poly
50% iodine, 50% poly
ethylene
50% iodine, 50% poly
2,902.90 63006300 1,00/2,801.00 / 2.80 130/0,20130 / 0.20 2,852.85 11001100 1,10/2,851.10 / 2.85 500/0,80500 / 0.80
44th propylenpropylene 122122 14501450 55 47'/2% Jod, 471A% Poly47 '/ 2% iodine, 47% 1 A poly 2,852.85 145145 1,00/2,851.00 / 2.85 380/0,65380 / 0.65 2,752.75 710710 1,07/2,751.07 / 2.75 790/1,30790 / 1.30 propylen, 5% Kohlepropylene, 5% coal 66th Pyren · 2J2 1)Pyrene 2J 2 1 ) 2,952.95 470470 1,10/2,951.10 / 2.95 450/0,80450 / 0.80 2,952.95 16501650 1,06/2,901.06 / 2.90 135/0,30135 / 0.30 50% Pyren · 2J2 1),50% pyrene 2J 2 1 ), 3,003.00 1,10/3,001.10 / 3.00 370/0,70370 / 0.70 2,902.90 1,06/2,851.06 / 2.85 255/0,45255 / 0.45 77th 50% Jod50% iodine 630630 150150 88th Pyren · 2J2 2)Pyrene 2J 2 2 ) 3,003.00 480480 1,10/3,001.10 / 3.00 770/1,35770 / 1.35 2£52 £ 5 305305 1,10/2,951.10 / 2.95 1050/1,851050 / 1.85 50% Pyren · 2J2 2),
50% Jod
50% pyrene 2J 2 2 ),
50% iodine
3,003.00 1,10/3,001.10 / 3.00 860/1,45860 / 1.45 2,852.85 1,07/2,851.07 / 2.85 600/1,00600 / 1.00
99 50% Jod, 50% Pheno-50% iodine, 50% pheno- 2,952.95 16001600 1,07/2,951.07 / 2.95 680/1,15680 / 1.15 2,902.90 31003100 1,09/2,901.09 / 2.90 740/1,25740 / 1.25 1010 thiazinthiazine 29002900 11001100 1111th 47'/2%Jod,47 '/ 2 % iodine, 2,902.90 12001200 1,02/2,901.02 / 2.90 1050/1.851050 / 1.85 2,852.85 14501450 1,08/2,851.08 / 2.85 820/1,35820 / 1.35 47V2 % Phenotriazin3),47V 2 % phenotriazine 3 ), 1212th 5% Kohle5% coal 27002700 17501750 2-Phenothiazin · 3J2 2-phenothiazine 3J 2 2.852.85 1,07/2,851.07 / 2.85 104/0,20104 / 0.20 2,852.85 1,09/2,751.09 / 2.75 93/0,1593 / 0.15 Perylen · J2 Perylene · J 2 2,012.01 2,802.80 1313th 118118 102102 1414th 27002700 37003700

') Hergestellt durch Zusammenschmelzen von Pyren und Jod. ') Made by melting together pyrene and iodine.

2) Hergestellt durch Ausfällen aus einer CCl4-Lösung. 2 ) Produced by precipitation from a CCl 4 solution.

3) Hergestellt durch Ausfällen aus einer Benzol-Lösung. 3 ) Manufactured by precipitation from a benzene solution.

Andere organische Materialien, die in Verbindung mit Jod in Zellen mit gleicher Wirkung bzw. mit gleichem Erfolg, entweder mit oder ohne Zusatz von 5 bis 10% Graphit verwendet wurden, sind Nylon, Lucite (Methakrylharz), Lucite-Paste in Dichloräthylen. Pyrrol, Polypyrrol, Naphthalen, Dimethylglyoxim, Phenolphthalein, Phthalimid Erythrosin, Methylenblau, Urea, bromiertes Pyren, Teflon und o-Tolidin.Other organic materials that in connection with iodine in cells with the same effect or with same success, either with or without the addition of 5 to 10% graphite, are nylon, Lucite (methacrylic resin), Lucite paste in dichloroethylene. Pyrrole, polypyrrole, naphthalene, dimethylglyoxime, Phenolphthalein, Phthalimide Erythrosine, Methylene Blue, Urea, Brominated Pyrene, Teflon and o-tolidine.

Beispiel VExample V

Wenn ein pulverförmiger elektrischer Leiter, beispielsweise Kohlenstoff oder ein pulverförmiges Material zur Verbesserung der Leitfähigkeit der Kathode in diese eingebaut ist, dann wird vorzugsweise ein Elektrolytfilm auf der Lithiumanode gebildet, bevor die Zelle bzw. das Element zusammengebaut wird, um einen inneren Kurzschluß zu verringern. Der elektrolytische Film wird durch Aussetzen der Lithiumoberfläche gegen eine trockene Luft oder Argon enthaltene Atmosphäre gebildet, die zur Bildung eines leitenden Lithiumsalzes einen mit dem Lithium reaktionsfähigen Dampf enthielt, vorzugsweise die Halogene J2, Cl2 oder Br2, obwohl auch andere, reaktionsfähige Dämpfe verwendet werden können, beispielsweise Methanol oder Äthyläther. Zur weiteren Erläuierung wiesen die gemäß Beispiel I hergestellten Elemente eine Kathode aus 47'/2% Pyren · 2J2, 47V2% Jod und 5% pulverformige Kohle auf; ein Element hatte eine saubere Lithiumanode, und eine zweite Zelle hatte eine Lithiumanode, die mit einem LiJ-FiIm beschichtet war. Bei durchgeführten Untersuchungen in Übereinstimmung mit Messungen bei Beispiel I führten zu folgenden Ergebnissen:If a powdery electrical conductor, for example carbon or a powdery material to improve the conductivity of the cathode is built into the cathode, then an electrolyte film is preferably formed on the lithium anode before the cell or the element is assembled in order to reduce an internal short circuit. The electrolytic film is formed by exposing the lithium surface to dry air or argon containing atmosphere which contained a lithium reactive vapor to form a conductive lithium salt, preferably halogens J 2 , Cl 2 or Br 2 , although other reactive vapors may also be used can be used, for example methanol or ethyl ether. For further explanation, the elements produced according to Example I had a cathode made of 47 1 /2% pyrene · 2I 2 , 47V 2 % iodine and 5% powdered carbon; one element had a clean lithium anode and a second cell had a lithium anode coated with a LiJ film. Tests carried out in accordance with measurements in Example I gave the following results:

Tabelle 2Table 2

Anodeanode

Li Li

Li beschichtet mit LiJ ..Li coated with LiJ ..

2,20
3,10
2.20
3.10

3200
3500
3200
3500

24-Stunden-Messung 24-hour measurement

2,70
3.00
2.70
3.00

10001000

Beispiel VIExample VI

Es wurden ό Zellen mit einem Durchmesser von 11,25 cm und eine Dicke von 0,55 cm in Uberein-Stimmung zu der Darstellung der Fig. 1 hergestellt, wobei der anodische Kontaktanschluß eine Nickelfolie und die Anode aus Lithium war; der kathodische Kontaktanschluß war gebildet von einem 60-Mesh Nickelschirm, während die Kathode eineThere were ό cells with a diameter of 11.25 cm and a thickness of 0.55 cm in one mood Manufactured to the representation of Fig. 1, wherein the anodic contact terminal a Nickel foil and the anode was made of lithium; the cathodic contact connection was formed by one 60-mesh nickel shield while the cathode is a

ίο Tablette aus einem 2-Phenothiazin · 3J2 Ladungsübertragungskomplex war, der durch Zusammenmischen und Erhitzen des Phenothiazins und des Jods in den angegebenen Proportionen hergestellt wurde. Die an die Kathode anstoßende Lithiumanodenoberfläche war mit einem Film aus LiJ beschichtet, der dadurch gebildet wurde, daß die Oberfläche einem Joddampf in einer Argonatmosphäre ausgesetzt wurde. Die Zellenkomponenten wurden gestapelt und mit einem Druck von etwa 77 kg/cm2 (1100 psig) zusammengepreßt, um die vollständige Zelle zu gewinnen. Diese Zellen wurden bei einem Strom von 25 μΑ bei 33° C kontinuierlich entladen. Der folgenden Tabelle 3 können die sich in verschiedenen Zeitabständen ergebenen Spannungen bei einer Stromentnahme von 25 μΑ und die Kurzschlußströme entnommen werden.ίο tablet was made from a 2-phenothiazine · 3J 2 charge transfer complex, which was prepared by mixing and heating the phenothiazine and iodine in the specified proportions. The lithium anode surface abutting the cathode was coated with a film of LiI which was formed by exposing the surface to an iodine vapor in an argon atmosphere. The cell components were stacked and compressed at a pressure of about 77 kg / cm 2 (1100 psig) to collect the complete cell. These cells were continuously discharged at a current of 25 μΑ at 33 ° C. The following table 3 shows the voltages resulting at different time intervals with a current consumption of 25 μΑ and the short-circuit currents.

3535

Tabelle 3Table 3 KurzschlußsiromShort circuit sirom Zeittime Voll bei 2} μΑ Full at 2} μΑ /, IaAI/, IaAI (Sumdenl(Sumdenl StromentnahmeCurrent draw 1100—16001100-1600 00 2.6—2.72.6-2.7 250—400250-400 2525th 2,3—2,42.3-2.4 50—8050-80 4949 1,3—1.51.3-1.5 Beispiel VIIExample VII

Es wurden Zellen wie im Beispiel VI hergestellt.Cells were produced as in Example VI.

mi! Ausnahme des Umstandes, daß der Ladungsübertragungskomplex unterschiedliche Anteile an Jod enthielt. Die Zellen wurden kontinuierlich bei einer Stromentnahme von 25 μΑ und periodischen Messungen entladen, wobei die Leerlaufspannungmi! Except for the fact that the charge transfer complex contained different proportions of iodine. The cells were continuously with a current drain of 25 μΑ and periodic Measurements discharged, with the open circuit voltage

und die Stromabgabe bei einer der halben Leerlauf spannung entsprechenden Spannung, wie in der nachfolgenden Tabelle 4 dargestellt, gemessen wurden.and the current output at a voltage corresponding to half the open-circuit voltage, as in the following Table 4, were measured.

Tabelletable

Kathodecathode

11 OStd.East .eerldufspannung.eerldufspannung 46 Std.46 hours U1, (Volt I U 1 , (volt I 63 Std63 hours 2,72.7 16 Sid.16 sid. s: std.s: std. 2,72.7 2,72.7 2,92.9 2,92.9 2,92.9 2,82.8 2,82.8 2,92.9 2,92.9 2,92.9 2,92.9 2,92.9 2.92.9

Stromabgabe bei halber Leerlaufspannung in μΑ Current output at half the open circuit voltage in μΑ

OStd.East

16 Std.16 hours

46 Std.! 52 Sld. 63 Std46 hours! 52 mercenaries 63 hours

2-Phenothiazin · 2 J2..
2-Phenothiazin · 3V2 J2
2-Phenothiazin · 4 J2...
2-Phenothiazin · 41J2 J2 .
2-phenothiazine 2 J 2 ..
2-phenothiazine 3V 2 J 2
2-phenothiazine 4 J 2 ...
2-phenothiazine · 4 1 J 2 J 2 .

15001500

21002100

31003100

550550

53
50
50
50
53
50
50
50

12
14
12th
14th

Die Leistungsfähigkeit der Zellen bzw. Elemente, die 2 Phenothiazin · 3J2 oder größere Anteile von Jod enthalten, werden bei Entladung des Elementes vergleichbar, obwohl die anfängliche Zellenleistungsfähigkeit mit mehr Jod als 2 Phenothiazin · 4J2 auf Grund des höheren ohmschen Widerstands solcher Kathoden verringert ist. Wird weniger Jod als etwa 2 Phenothiazin · 2J2 verwendet, dann ist die Leistungsfähigkeit über die gesamte Lebensdauer gesehen offensichtlich verringert, und zwar auf Grund weniger vorhandenen, verfügbaren Jods.The performance of cells or elements that contain 2 phenothiazine · 3I 2 or greater proportions of iodine are comparable when the element is discharged, although the initial cell performance with more iodine than 2 phenothiazine · 4I 2 is reduced due to the higher ohmic resistance of such cathodes is. If less iodine than about 2 phenothiazine · 2J 2 is used, then the performance over the entire lifespan is obviously reduced, due to the fact that there is less available iodine.

Beispiel- VIIIExample- VIII

Es wurden Zellen hergestellt, bei denen ein 2 Phenothiazin · 3J2 Komplex mit einem Bindemittel vermischt und auf einen Nickelkollektor aufee-Cells were produced in which a 2 phenothiazine 3J 2 complex was mixed with a binding agent and applied to a nickel collector.

strichen wurde, anschließend erfolgte eine Kontaktierung gegen eine scheibenförmige, aus Lithiumfolie bestehende Anode, so daß 'ine vollständige Zelle mit einem Durchmesser von 1,25 cm gebildet wurde. Die Zellen wurden bis auf die Spannung Null bei einer Stromdichte von 50 μΑ/cnr entladen, wodurch sich für vei ändernde Bindemittelanteile und Ladungsübertragungskomplexe die in Tabelle 5 dargestellte Lebensdauer ergab.was deleted, followed by a contact against a disc-shaped anode made of lithium foil, so that 'a complete cell with 1.25 cm in diameter. The cells were down to zero voltage at one Discharge current density of 50 μΑ / cnr, which results in different binder proportions and charge transfer complexes resulted in the service life shown in Table 5.

Tabelle *Table *

Anteile
2 Phenothiazin · 3 J2
Shares
2 phenothiazine 3 J 2
Anteile
Bindemittel
Shares
binder
Lebensdauer
in Siunden
lifespan
in hours
7
8
9
7th
8th
9
5
5
5
5
5
5
40
72
36
40
72
36

Beispiel LXExample LX

Es wurde ein Poly-4-Vinylpyridin -J2(P4VP-J2)-Komplex durch Polymerisierung von 4-Vinylpyridin in einer Benzollösung unter Verwendung eines n-Butyllithium Polymerisationsinitiators hergestellt und dann ein Überschuß einer Jodlösung in Benzol hinzugefügt, um den 105 Gewichtsanteile Poly-4-Vinylpyridin zu 250 Gewichtsanteilen Jod enthaltenden Ladungsübertragungskomplex auszufällen. Die Ausfällung wurde gefiltert und im Vakuum getrocknet. Es wurden dann 3 Teile des Komplexes mit 10 Teilen pulverförmigen Jods gemischt. Diese Mischung wurde bei einem Druck von etwa 3,5 kg/cm2 zur Verwendung als Kathode zu Scheiben mit einem Durchmesser von 1,25 cm gepreßt. Es wurden dann Zellen, wie in F i g. 1 gezeigt, hergestellt, unter Verwendung dieses Kathodenmaterials und einer Lithiumanode, die aus einer 0,16 cm dicken Folie ausgeschnitten wurde, sowie unter Verwendung von Anoden- und Kathodenkollektoren; diese Zelle wurde bei einem Druck von etwa 0,70 kg/cm2 zusammengepreßt und in eine Polyestervergußmasse eingegossen. Auf Grund von Messungen ergaben sich folgende Leistungsdaten der Zelle:A poly-4-vinylpyridine-J2 (P4VP-J 2 ) complex was prepared by polymerizing 4-vinylpyridine in a benzene solution using a n-butyllithium polymerization initiator and then adding an excess of an iodine solution in benzene to make the 105 parts by weight of poly -4-vinylpyridine to 250 parts by weight of iodine-containing charge transfer complex to precipitate. The precipitate was filtered and dried in vacuo. 3 parts of the complex were then mixed with 10 parts of powdered iodine. This mixture was pressed into disks 1.25 cm in diameter at a pressure of about 3.5 kg / cm 2 for use as a cathode. There were then cells as in FIG. 1, produced using this cathode material and a lithium anode cut from a 0.16 cm thick sheet, and using anode and cathode collectors; this cell was compressed at a pressure of about 0.70 kg / cm 2 and poured into a polyester potting compound. The following performance data of the cell resulted from measurements:

I eerlaufspannung 2,9 VOpen circuit voltage 2.9 V

Kurzschlußstrom 2,5 mAShort circuit current 2.5 mA

Lebensdauer bei Raumtemperatur und einer Entladung mit Stromdichten von
50 μΑ/cm2 333 Stunden
Lifetime at room temperature and a discharge with current densities of
50 μΑ / cm 2 333 hours

Lebensdauer bei Raumtemperatur und einer Entladung mit Stromdichten von
100 μΑ/cm2 141 Stunden
Lifetime at room temperature and a discharge with current densities of
100 μΑ / cm 2 141 hours

Zellenspannung nach 645stündiger Entladung bei Raumtemperatur und bei Stromdichten von 10 μΑ/cm2 2,1 VCell voltage after 645 hours of discharge at room temperature and at current densities of 10 μΑ / cm 2 2.1 V

Dasselbe bei 600C undThe same at 60 0 C and

10 μΑ/cm2 2,35 V10 μΑ / cm 2 2.35 V

Dasselbe bei - 40" C und
0,2 μΑ/cm2 0,60 V
Same at -40 "C and
0.2 μΑ / cm 2 0.60 V

Ein weiteres, mit der vorhergehenden Zelle identisches Element, mit der Ausnahme, daß an Stelle des 4-Vinylpyridtn 5-Vinyl-2-Methylpyridin verwendet wurde, hatte eine Zellenlebensdauer von 250 Stunden bei einer Entladungsgeschwindigkeit von 50 μΑ/cm2 bei Raumtemperatur.Another element identical to the previous cell, with the exception that 5-vinyl-2-methylpyridine was used in place of the 4-vinylpyridine, had a cell life of 250 hours at a discharge rate of 50 μΑ / cm 2 at room temperature.

Es erweist sich somit, daß Batterien bzw. Primärelemente mit einer Lithiumanode, die gleichzeitig noch das neue plastische Kathodenmaterial gemäß einer weiteren Merkmalsausgestaltung der Erfindung verwenden, eine unerwartet überlegene Leistungsfähigkeit aufweisen, die mehrere Male besser ist als andere erfindungsgemäße Lithiumzellen; so weisen ίο Pnmärelemente mit Lithiumanode und dem neuen plastischen Kathodenmaterial eine hervorragende Stabilität gegenüber Lagerung, eine lange Lebensdauer, hohe Ausgangsspannung und eine hohe Energiedichte auf, die sie insbesondere bei Anwendungs-It thus turns out that batteries or primary elements with a lithium anode, which at the same time nor the new plastic cathode material according to a further feature embodiment of the invention use, have unexpectedly superior performance that is several times better than other lithium cells according to the invention; so have ίο primary elements with lithium anode and the new plastic cathode material excellent storage stability, long service life, high output voltage and high energy density, which are particularly important in application

gebieten geeignet macht, wo eine nur geringe Stromentnahme mit einer hohen Batterielebensdauer gefordert wird, beispielsweise also als Kraftquelle bzw. Stromversorgung für eingepflanzte Prothesen, wie Herzschrittmacher u. dgl.areas where there is only a small amount of electricity drawn with a long battery life is required, for example as a power source or Power supply for implanted prostheses, such as pacemakers and the like.

Das Primärelement hat eine theoretische Energiedichte von 213wh/lb bzw. von 19,2wh/in3; dabei wurden tatsächliche Energiedichten während der Entladung der Primärelemente bei Raumtemperatur von 136wh/lb und ll,5wh/in3 gemessen. Die Leerlaufspannung Für die Ze!e beträgt 2,87 V. Da die Impedanz eine Funktion der elektrolytischen Leitfähigkeit ist, zeigt der Kurven verlauf der Zellenspannung über den Strom eine lineare Abnahme der Spannung mit ansteigendem Strom, bis der Kurzschlußstrom erreicht ist. Unmittelbar nach der Herstellung wurden Kurzschlußstromdichten mit Höhen von 20 mA/cm2 gemessen. Dabei fällt bei Raumtemperatur der Kurzschlußstrom nach 20 Tagen auf 1 mA/cm2 und nach 110 Tagen auf 0,5 mA/cm2 ab.The primary element has a theoretical energy density of 213wh / lb or 19.2wh / in 3 ; actual energy densities of 136wh / lb and 11.5wh / in 3 were measured during the discharge of the primary elements at room temperature. The open circuit voltage for the cell is 2.87 V. Since the impedance is a function of the electrolytic conductivity, the curve of the cell voltage over the current shows a linear decrease in voltage with increasing current until the short circuit current is reached. Immediately after production, short-circuit current densities of 20 mA / cm 2 were measured. At room temperature, the short-circuit current drops to 1 mA / cm 2 after 20 days and to 0.5 mA / cm 2 after 110 days.

Bei konstanter Stromabnahme mit relativ hohen Stromdichten verläuft der Spannungsabfall über die Zeit linear. Ein solches Verhalten ist in F i g. 4 für Primärelemente dargestellt, die in Übereinstimmung mit Fig. 3 eine Lithiumanode, eine P2VP · 5J2-Kathode und einen Zirkoniumkathodenkollektor aufweisen, wobei die Zelle bei Raumtemperatur Tür 1 Woche gelagert worden ist. In F i g. 4 ist die Zellenspannung über der Entladezeit bei den angegebenen konstanten Stromdichten und verschiedenen Temperaturen für mehrere Zellen mit unterschiedlicher Dicke aufgetragen, wobei die Dicke der Zellen so ausgewählt worden ist, die gewünschte Zellenkapazität erhalten wird. Die Zellendicke liegt dabei im Bereich zwischen 0,03 und 0,25 cm, wobei die Anode etwa 20% und die Kathode etwa 80% der Zellendicke ausmacht. Die Entladekurven gehorchen im allgemeinen der folgenden Gleichung:With a constant current consumption with relatively high current densities, the voltage drop is linear over time. Such behavior is shown in FIG. 4 for primary elements which, in accordance with FIG. 3, have a lithium anode, a P2VP · 5J 2 cathode and a zirconium cathode collector, the cell having been stored at room temperature for 1 week. In Fig. 4 the cell voltage is plotted against the discharge time at the given constant current densities and different temperatures for several cells with different thicknesses, the thickness of the cells having been selected in such a way that the desired cell capacity is obtained. The cell thickness is in the range between 0.03 and 0.25 cm, the anode making up about 20% and the cathode about 80% of the cell thickness. The discharge curves generally obey the following equation:

η = -C- (i/Af ■ T · exp(865O/RT), η = -C- (i / Af ■ T exp (865O / RT),

wobei I1 die Polarisation, C eine Konstante in Abhängigkeit von dem Bau der Zelle, i/A die Stromdichte und t die Entladezeit darstellt. Der Wert von 8650 Kalorien/Mol stimmt mit den veröffentlichten Daten Tür die Aktivierungsenergie der ionischen Leitfähigkeit von LiJ überein. Unter Verwendung des neuartigen Kathodenmaterials weist die Konstante C einen typischen Wert von 1,25 · 10~4 Ohm cm4/A see auf.where I 1 is the polarization, C is a constant depending on the construction of the cell, i / A is the current density and t is the discharge time. The value of 8650 calories / mole is consistent with the published data for the activation energy of the ionic conductivity of LiJ. Using the novel cathode material, the constant C has a typical value of 1.25 x 10 -4 Ohm cm 4 / A to see.

6J Eine Entladung der Zellen bei geringeren Stromdichten führte zu einer bemerkenswerten Abnahme der Polarisation. Wurde beispielsweise die O.W-cm-Zelle der F i g. 4 bei 25C C statt mit 50 μΑ/cm2 mit6J Discharging the cells at lower current densities led to a remarkable decrease in polarization. For example, if the OW cm cell of FIG. 4 at 25 C C instead of 50 μΑ / cm 2 with

25 μΑ/cm2 entladen, dann stieg die Zellenspannung bei 1000 Stunden von 0,24 auf 216VoIt an. Bei 10 μΑ/cm2 Gtieg die Polarisation pro 1000 Stunden auf einen Wert von weniger als 100 mV, und die Lebensdauer der Zellen vergrößerte sich um den Faktor 5.25 μΑ / cm 2 discharged, then the cell voltage rose from 0.24 to 216VoIt at 1000 hours. At 10 μΑ / cm 2, the polarization per 1000 hours rose to a value of less than 100 mV, and the life of the cells was increased by a factor of 5.

Bei Verringerung der Stromdichten und damit einer längeren Lebensdauer der Zellen wurden Abweichungen von den linearen Verläufen in den Entladekurven deutlich, und zwar insbesondere bei höheren Temperaturen, die als eir 2 Folge der Selbstentladung zu deuten sind.While reducing the current densities and hence a longer life of the cells were clearly deviations from the linear gradients in the discharge curves, particularly at higher temperatures, which are to be interpreted as 2 eir result of self-discharge.

Die Selbstentladung der Zellen umfaßt eine Diffusion von Jod von der Kathode durch den Elektrolyten zur Anode hin, wo dann zusätzlicher Elektrolyt erzeugt wird. Eine solche Akkumulation zieht eine Vergrößerung des Widerstandes nach sich, wobei sich herausgestellt hat, daß hierbei folgender funktioneller Zusammenhang besteht:The self-discharge of the cells involves diffusion of iodine from the cathode through the electrolyte towards the anode, where additional electrolyte is then generated. Such an accumulation draws one Increase in the resistance after it has been found that this is more functional There is a connection:

U/A = Kf"2 exp(£/J?r)U / A = Kf " 2 exp (£ / J? R)

wobei Ω der Widerstandsanstieg pro Einheitsfläche und t die Zeit ist. Sowohl die Konstante K vor dem Exponenten und der Term E im Exponenten sind für Zellen während einer Lagerung von einem Jahr bei Temperaturen zwischen -55 und +750C bestimmt worden. Für Lithiumanodenzellen unter Verwendung von P3VP · 6J2-Kathoden ergibt sich ein typischer Wert von K von 1,6 - 105 coul/cm2 · see1'2 und ein Wert von E zu -9950 Kalorien/Mol. Nach einer Lagerzeit von einem Jahr bei 75° C weist ein typisches Primärelement mit einer Anfangsimpedanz von 30 Ohm einen inneren Widerstand von etwa 16000 Ohm auf, wobei beide Werte bei dieser Temperatur gemessen worden sind. Die gleiche Zelle bei einer Lagertemperatur von 25° C zeigt einen inneren Widerstand von etwa 11 000 Ohm, der von anfangs 150 Ohm angestiegen ist.where Ω is the increase in resistance per unit area and t is the time. Both the constant K in front of the exponent E and the term in the exponent have been determined for cells during storage for one year at temperatures between -55 and +75 0 C. For lithium anode cells using P3VP · 6J 2 cathodes, the result is a typical value of K of 1.6-10 5 coul / cm 2 · see 1 ' 2 and a value of E of -9950 calories / mol. After a storage time of one year at 75 ° C., a typical primary element with an initial impedance of 30 ohms has an internal resistance of about 16,000 ohms, both values being measured at this temperature. The same cell at a storage temperature of 25 ° C shows an internal resistance of about 11,000 ohms, which has increased from an initial 150 ohms.

Infolgedessen hat lediglich als Beispie! genannt eine Zelle mit den Abmessungen von nur 4,45 χ 3,50 χ 0,93 cm, welche mit einer Spannung von mindestens 2,3 V bei 37°C mit einem Strom von 30 μΑ entladen wird, zur Verwendung in prothesenähnlichen Anordnungen eine projektierte Lebensdauer von mindestens 10 Jahren. Selbst nach langen Lagerzeiten können Zellen bei Stromentnahmen im Bereich von μΑ für viele Jahre über einen weiten Temperaturbereich betrieben werden. Entwirft man Zellen Tür sehr lange Lagerzeiten, beispielsweise für 10 Jahre, dann wird die Zellendicke vergrößert, um der sich steigernden Selbstentladung Rechnung zu tragen. Die gleiche LeistungFfähigkeit erhält man, gleichgültig ob man entweder P2VP · nJ2 oder P2VQ · nJ-, oder P2VQ · nJ2 verwendet.As a result, only as an example! called a cell with the dimensions of only 4.45 3.50 χ 0.93 cm, which is discharged with a voltage of at least 2.3 V at 37 ° C with a current of 30 μΑ, for use in prosthesis-like arrangements a projected service life of at least 10 years. Even after long storage times, cells can be operated over a wide temperature range for many years with current draws in the range of μΑ. If cells door are designed for very long storage times, for example for 10 years, then the cell thickness is increased in order to take account of the increasing self-discharge. The same performance capability is obtained regardless of whether one uses either P2VP · nJ 2 or P2VQ · nJ-, or P2VQ · nJ 2 .

Es muß darauf hingewiesen werden, daß das neue Kathodenmaterial auch mit Vorteil in Verbindung mit Anoden anderer Metalle verwendet werden kann, die mit Jod reaktionsfähig sind, beispielsweise Silber oder Magnesium. Zur weiteren Erläuterung sei aufIt must be noted that the new cathode material is also used to advantage can be used with anodes of other metals that are reactive with iodine, such as silver or magnesium. For further explanation see

folgendes hingewiesen. Eine gesinterte Silberanode mit den Abmessungen l'/2" x IV2" x 0,020" (mit einer Porosität von etwa 50%) wurde mit 0,036 in3 von P2VP ■ 5J2 angefüllt, um eine Zelle mit einer Dicke von 0,026" herzustellen. Der Kontakt mit der Kathode wurde dadurch bewirkt, daß ein Zirkoniumkathodenkollektor verwendet wurde. Diese Zeile hatte eine Leerlaufspannung von 0,67 V. Nach einer Entladung während 170 Stunden mit 1450 μΑ bei 240C Sei die Zellenspannung lediglich auf etwa 0,52 V ab; bei weiterer Entladung mit demselben Strom fiel die Zellenspannung schließlich nach etwa 200 Stunden auf Null ab. Bei diesem Ausführungsbeispiel stellte die Silberanode eine gesinterte Matte aus 0,005" χ 0,009" χ 0,125" Silbernadeln mit einem Gewicht von 3,7 g dar. Es können auch andere Elektrodenformen verwendet werden, beispielsweise Folien, Schirme oder Elektroplattierungen, beste Leistungsverhältnisse wurden jedoch bei Sinterungen erzielt. Eine Gruppe von 6 Zellen mit einer Silberfolienanode und einer P 2 VQ · 5J2-Kathode hatte unmittelbar nach der Herstellung eine durchschnittliche Lebensdauer von 987 Stunden bei einer Entladung von 10 μΑ/cm2 bei 25° C; 6 identische Primärzellen hatten nach einer Lagerzeit von 30 Tagen eine durchschnittliche Lebensdauer von 841 Stunden unter denselben Entladebedingungen. Im Gegensatz zu den Lithiumzellen ist bei den Silberbatterien nur etwa ein Drittel der theoretisch vorhandenen, elektrochemischen Kapazität realisiert; dies ist zurückzuführen auf die Unfähigkeit des Silbers, sich dem wachsenden Silberjodidelektrolyten anzupassen, was zu einem Verlust an physischem Kontakt zwischen der Anode und dem Elektrolyten führt.pointed out the following. A 1 '/ 2 "x IV2" x 0.020 "sintered silver anode (with a porosity of about 50%) was filled with 0.036 in 3 of P2VP · 5J 2 to make a cell 0.026" thick. Contact with the cathode was effected by using a zirconium cathode collector. This line had an open circuit voltage of 0.67 V. After a discharge for 170 hours with 1450 μΑ at 24 0 C, let the cell voltage only drop to about 0.52 V; if the battery continued to discharge with the same current, the cell voltage finally dropped to zero after about 200 hours. In this embodiment, the silver anode was a sintered mat of 0.005 "χ 0.009" χ 0.125 "silver needles weighing 3.7 g. Other electrode shapes can also be used, for example foils, screens or electroplating, but the best performance was achieved with sintering A group of 6 cells with a silver foil anode and a P 2 VQ · 5J 2 cathode had an average life of 987 hours immediately after production with a discharge of 10 μΑ / cm 2 at 25 ° C; 6 identical primary cells had after a storage time of 30 days an average life of 841 hours under the same discharge conditions. In contrast to lithium cells, only about a third of the theoretically available electrochemical capacity is realized in silver batteries; this is due to the inability of the silver to adapt to the growing silver iodide electrolyte resulting in a loss of p physical contact between the anode and the electrolyte.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wies eine Zelle aus übereinandergestapelten Lamellen einer Magnesiumanode, mit einer P 2 Vp · 5 J2-Kathode und einem Zirkoniumkathodenkollektor eine Leerlaufspannung von 0,95 Volt und einen Kurzschlußstrom von 2 mA/cm2 auf. Bei Entladungen mit einer Stromdichte von 10 μΑ/cm2 wiesen diese Zellen eine Lebensdauer von etwa 50 Stunden auf.In another embodiment, a cell of stacked lamellas of a magnesium anode, with a P 2 Vp · 5 J 2 cathode and a zirconium cathode collector had an open circuit voltage of 0.95 volts and a short circuit current of 2 mA / cm 2 . In the case of discharges with a current density of 10 μΑ / cm 2, these cells had a service life of about 50 hours.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims (13)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Primärelement mit einer negativen Lithiumelektrode, einem festen Lithiumjodidelektrolyten und einer jodenthaltenden, elektrisch leitenden positiven Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Elektrode (6,22) aus einem elektrisch leitenden Ladungsübertragungskomplex, bestehend aus einer organischen Dona- ι ο torkomponente und Jod besteht.1. Primary element with a negative lithium electrode, a solid lithium iodide electrolyte and an electrically conductive one containing iodine positive electrode, characterized in that the positive electrode (6,22) consists of an electrically conductive charge transfer complex, Consists of an organic donor component and iodine. 2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Elektrode (6,22) Kohle enthält.2. Element according to claim 1, characterized in that the positive electrode (6,22) is carbon contains. 3. Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der negativen Elektrode mit Lithiumiodid beschichtet is·.3. Element according to claim 1 or 2, characterized in that the surface of the negative The electrode is coated with lithium iodide. 4. Element nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Verbindung eine heterozyklische Stickstoffverbindung ist.4. Element according to claims 1 to 3, characterized in that the organic compound is a heterocyclic nitrogen compound. 5. Element nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Verbindung ein Phenothiazin ist.5. Element according to claims 1 to 4, characterized in that the organic compound is a phenothiazine. 6. Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Phenothiazins zum Jod zwischen 3:1 und 4:1 liegt.6. Element according to claim 5, characterized in that the ratio of the phenothiazine to iodine is between 3: 1 and 4: 1. 7. Element nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Komponente ein Polymer einer Vinylverbindung mit einer heterozyklischen Stickstoffsubstituente ist.7. Element according to claims 1 to 4, characterized in that the organic component is a polymer of a vinyl compound having a heterocyclic nitrogen substituent. 8. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Komponente ein Poly-4-vinylpyridin ist.8. Element according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the organic component is a poly-4-vinyl pyridine. ■ 9. Element nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Donatorkomponcnte eine polyzyklische, aromatische Verbindung ist.■ 9. Element according to claims 1 to 4, characterized in that the organic donor component is a polycyclic aromatic compound. 10. Element nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Elektrode eine plastische Mischung aus Jod und einem Ladungsübertragungskomplex ist, bestehend aus Jod mit einer organischen Donatorkomponente, die aus der Gruppe Poly-2-vinylchinolin und Poly-2-vinylpyridin ausgewählt ist und die zwischen 2 und 15 Jodmolcküle für jedes Stickstoffatom enthält.10. Element according to claims 1 to 4, characterized in that the positive electrode is a plastic mixture of iodine and a charge transfer complex consisting of Iodine with an organic donor component selected from the group consisting of poly-2-vinylquinoline and Poly-2-vinylpyridine is selected and has between 2 and 15 iodine molecules for each nitrogen atom contains. 11. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Elektrode zwischen 2 und 6 Jodmoleküle für jedes Stickstoffatom enthält.11. Element according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the positive electrode contains between 2 and 6 iodine molecules for each nitrogen atom. 12. Element nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß für die positive Elektrode (6, 22) ein Stromkollektor (8, 10; 24) vorgesehen ist, der aus einem Metall der Gruppe Zirkon, Platin, Nickel bzw. Legierungen derselben besteht.12. Element according to one or more of claims 1 to 11, characterized in that for the positive electrode (6, 22) a current collector (8, 10; 24) is provided, which consists of a Metal from the group of zirconium, platinum, nickel or alloys of the same. 13. Element nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestandteile des Elementes in einem flexiblen Kunststoff-Film bzw. einer Vergußmasse eingeschlossen sind, die im wesentlichen gegenüber Jod, Sauerstoff, Stickstoff und Wasserdampf undurchlässig ist.13. Element according to one or more of claims 1 to 12, characterized in that the components of the element enclosed in a flexible plastic film or a potting compound which are essentially impermeable to iodine, oxygen, nitrogen and water vapor is.
DE19712126055 1970-06-01 1971-05-26 Primary element with a negative lithium electrode, a solid lithium iodide eltrolyte and an iodine-containing, electrically conductive positive electrode Expired DE2126055C3 (en)

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DE2126055A1 DE2126055A1 (en) 1971-12-09
DE2126055B2 DE2126055B2 (en) 1974-04-11
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