DE2318161A1 - Festkoerperelektrolyt-element - Google Patents

Festkoerperelektrolyt-element

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DE2318161A1
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solid electrolyte
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negative electrode
positive electrode
anhydrous
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DE2318161A
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Per Bro
Charles C Liang
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Duracell Inc USA
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PR Mallory and Co Inc
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Publication date
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/14Cells with non-aqueous electrolyte
    • H01M6/18Cells with non-aqueous electrolyte with solid electrolyte
    • H01M6/185Cells with non-aqueous electrolyte with solid electrolyte with oxides, hydroxides or oxysalts as solid electrolytes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

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Description

P. R, i'iALLOItY a CO. INC., eine Gesellschaft nach den Gesetzen des Staates Delaware, 3029 East Washington Street, Indianapolis, Indiana 46206, Vereinigte Staaten von Amerika
Festkörperelektrolyt-llement
Die Erfindung betrifft ein elektrochemisches Element hoher Energiedichte mit einer negativen Elektrode, einer positiven Elektrode und einem dazwischen angeordneter Pestkörperelektrolyten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues
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Festkörperelektrolytmaterial mit verbesserten Eigenschaften im Hinblick auf seine Verwendung und im Hinblick auf die von ihm zu erfüllenden Aufgaben anzugeben.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß' dadurch gelöst, daß der Festkörperelektrolyt aus wenigstens einem wasserfreien Alkalimetallhydroxid besteht, das chemisch kompatibel" (verträglich, vereinbar) mit der negativen und der positiven Elektrode ist.
Es wurde gefunden, daß wasserfreie Alkalimetallhydroxide wie wasserfreies KOH und ü"aOH sowie Kombinationen zweier oder mehrerer derartiger Materialien wie K.OH-2 LiOH als Festkörperelektrolyt für Festkörperelemente geeignet sind. Diese Materialien sind Ionenleiter aber gegenüber Elektronen nicht leitfähig, was zur Folge hat, daß sie den lonenfluß unterstützen, während sie den internen Elektronenfluß verhindern und dadurch innere Kurzschlüsse der Elemente unterbinden. Andererseits sind solche wasserfreien Alkalimetallhydroxide chemisch und thermodynamisch verträglich mit einer Hehrzahl von Elektrodenmaterialien, so daß unerwünschte chemische Reaktionen nicht auftreten, wenn der Elektrolyt und die Elektroden zur Bildung eines Festkörperelektrolyt-Elementes in Kontakt miteinander gebracht werden.
Allgemein gesprochen bezieht sich die Erfindung also auf Materialien, die bisher als Festkörperelektrolyt
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nutzlos bzw. nicht brauchbar waren. Diese Materialien enthalten wasserfreie Alkalimetallhydroxide wie KOH, Liüri und NaOH sowie Kombinationen von zwei oder mehreren -dieser wasserfreien Alkalimetallhydroxide wie KUH-2 LiOH.
um darüber hinaus die Leitfähigkeit dieser Materialien zu steigern, kann es zweckmäßig sein, in die i'estkörperelektrolyt-Struktur Defektstellen einzubringen, indem dazu geeignete Additive oder Zusatzmittel eingesetzt werden.
Ls wurde festgestellt, daß diese Festkörperelektrolyten mit einer Mehrzahl von Elektrodenmaterialien verträglich sind und tatsächlich mit den entsprechenden Elektrodenmaterialien vermischt werden können, um eine gesteigerte Gebrauchsergiebigkeit zu bringen.
Die positive Elektrode kann ein Metallhalogenid, ein Metalloxid, ein Halogen oder ein Material, welches Halogene oder Sauerstoff entwickelt, enthalten, vorzugsweise in Kombination mit einem gegenüber Elektronen leitfähigen Zusatz, wie beispielsweise Graphit.
Im Hinblick auf die negative Elektrode konnten neben Kalium (K) andere Materialien gefunden werden, die chemisch kompatibel mit dem NaOH, KOH und KOH * 2 LiOH des Festkörperelektrolyten sind, wie beispielsweise die Alkalimetalle Na, Rb, Cs etc., die Alkalierdmetalle Mg, Ga, Sr, Ba etc., die Übergangsmetalle. Zn,
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Gd,- Co, tin, Fe etc. und die zu den seltenen Erden gehörenden ketaile la, Ce etc.
Die negative Elektrode kann aus reinem retail bestehen, jedocn konnte festgestellt werden, dali es am
'besten ist, einige der .vorstehend genannten i-ietalle
^mit dem Elektrolyten zu kombinieren, so daß sie wirksamer als negative Elektrode arbeiten können.
wird beispielsweise in einem KG/küIi/iigÖ-Element i-agnesium nur in rein metallischer Form als kateri&l für die negative Elektrode benutzt, so würde das Element
nicht wirksam entladen werden können, da die vom tiagnesium abgegebenen Elektronen über den äußeren Stromkreis zur positiven Elektrode gelangen würden und sich folgende Reaktion abspielen würde:
a) Mg0 *~kg++ .
b) K würde in der Elektrolytschicht zur positiven
Elektrode wandern;
c) kg++ + 2 OH' *— Mg(OH)2
Da die Leitfähigkeit des so herauskommenden Hg(OK)?
wesentlich höher als-die von KOh ist, würde die Eildung einer solchen Schicht jede weitere elektrochemische Reaktion blockieren. Dieses irroblem kann man umgehen, indem man eine negative Elektrode verwendet,
die anstelle von metallischem Mg eine kG/kOh-kischung verwendet. Dann mischen sich die 3MG(0H)p-Teilchen mit den KOH-Teliehen und somit können die kg-Teilchen,
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die in der negativen Elektrode zurückbleiben, durch die K+-leitung entladen werden.
Materialien für die positive Elektrode, die chemisch kompatibel mit dem WaOH- oder KOH-Festkörperelektrolyten sind, umfassen Metallhalogenide wie Silberhalogenid, Kupferhalogenid, Bleihalogenid etc., Metalloxide wie PhOp, HgO, MnO2 etc., Halogene wie Br2, J2 etc., Sauerstoff, Sauerstoff entwickelnde Materialien, Ketällammoniumpolyhalogenide wie (CH,).NJ,, (CpHp-) .IjJ.* etc., ladungsübertragende Komplexe wie Benzidin-Jp-Komplexe und Tetrathiotetrachloranil-Komplexe, Darüber hinaus kann die positive Elektrode eines der vorstehenden Materialien in Kombination mit dem Elektrolyten und einem elektronenleitenden Zusatz, beispielsweise Graphit, enthalten.
Die beigefügte Zeichnung veranschaulicht beispielsweise lediglich eine schematische Schnittansicht eines Elementes nach der Erfindung. Dieses weist eine negative Leientmetallelektrode 1, vorzugsweise aus kalium, im Kontakt mit einer Oberfläche einer wasserfreien Festkörperelektrolytschicht 2, vorzugsweise aus KOH, auf, deren andere Oberfläche sich in kontakt mit einer festen positiven Elektrode befindet, die aus einigen der vorstehend genannten l'xaterialien besteht.
J1B wurde ein Element mit einem restkörperelektrolyten hergestellt unter Verwendung einer Kaliumscheibe ale negativer Elektrode, wasserfreiem KOk als Elektrolyten
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und einer Mischung aus HgO kOH und Graphit als positiver Elektrode, Das K/KOH/hgO-f'estkörperelektrolyt-Slement erbrachte als Klemmspannung bei Raumtemperatur 1,9+ 0,5 V.
Die nachfolgende Tabelle zeigt das Polarisationsverhalten bei Raumtemperatur eines K/KOH/HgO-Elementes
mit einem KOH-Elektrolyten mit einer Dicke von 0,27 mm.
Elementenspannung Strom
1 yuA/cm
2 LiA/cm2
1,94 V
1,60 V
1,48 V
1,26 Y
1,01 Y
* ο
3 uA/cm
' 2
4 uA/cm
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Claims (13)

Patentansprüche
1. Festkörperelektrolyt-Element mit einer negativen Elektrode, einer positiven Elektrode und einem zwischen diesen angeordneten Festkörperelektrolyt-Material,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Festkörperelektrolyt-i^aterial aus wenigstens einem wasserfreien Alkalimetallhydroxid besteht, welches chemisch kompatibel mit der negativen und der positiven Elektrode ist.
2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörperelektrolyt-Material aus wasserfreiem KOH und/oder lMaOH besteht.
3. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörperelektrolyt-Material eine Kombination wenigstens zweier wasserfreier Alkalimetallhydroxide ist.
4. Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörperelektrolyt-Material aus KOH-2 LiOH besteht.
5. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperelektrolyt zur
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heraufSetzung seiner Leitfähigkeit ein Zusatzmittel enthält.
6. Element nach einem der Ansprüche 1 "bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Elektrode aus einem Alkalimetall, einer alkalischen Erde, einem i-bergangsmetall oder einem seltenen Erdmetall besteht.
7. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Elektrode aus kalium besteht.
8. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die negative elektrode aus einer Kombination von aktivem Elektrodenmaterial und Festkörperelektrolyt-Material besteht.
9. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Elektrode ein Metallhalogenide ein Metalloxid, ein Halogen, Sauerstoff, einen elektronenleitenden Zusatz, einen Festkörperelektrolyten und Mischungen daraus enthält.
10. Element nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Elektrode ein ein Halogen entwickelndes i'jetall und organisches Ammoniumpolyhalogenid enthält.
11. Element nach Anspruch 9,- dadurch gekennzeichnet,
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daß die positive Elektrode ein Sauerstoff entwickelndes Material enthält.
12. Llement nach Anspruch 9, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronenleitende Zusatz Graphit ist.
13. lilement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dai?; die negative Elektrode aus Kalium besteht, daß der. Elektrolyt aus wasserfreiem KuH bestellt und daß die positive Elektrode hgO, is OR und einen elektronenleitenden Zusatz aufweist.
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Lee rYe i t e
DE2318161A 1972-04-20 1973-04-11 Festkoerperelektrolyt-element Pending DE2318161A1 (de)

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GB (1) GB1361377A (de)

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JPS4916823A (de) 1974-02-14
GB1361377A (en) 1974-07-24
FR2181056B1 (de) 1977-08-19
FR2181056A1 (de) 1973-11-30

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