DE2334052A1 - RECHARGEABLE ELECTROCHEMICAL ELEMENT AND METHOD OF ITS MANUFACTURING - Google Patents
RECHARGEABLE ELECTROCHEMICAL ELEMENT AND METHOD OF ITS MANUFACTURINGInfo
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Description
COMPAGHIE GENERALE D'ELEÖTRICITE, Paris, FrankreichCOMPAGHIE GENERALE D'ELEÖTRICITE, Paris, France
Viederaufladbares elektrochemisches Element und Verfahren su seiner Herstellung·Rechargeable electrochemical element and process for its manufacture
Die Erfindung betrifft ein wlederaufladbares elektrochemie ohea Element und hat auch ein Verfahren su seiner Herstellung sum Gegenstand·The invention relates to a leather-chargeable electrochemistry ohea element and also has a process su its manufacture sum object ·
Im Hauptpatent··.··. (Patentanmeldung P 22 09 086*4) ist ein Verehren sur Herstellung eines viederaufladbaren elektrochemischen Elementes beschrieben, das im geladenen Zustand nebeneinander dünne feste Schichten in folgender Reihenfolge aufweist ιIn the main patent ··. ··. (Patent application P 22 09 086 * 4) is a reverence for the manufacture of a rechargeable electrochemical element described in the charged State next to one another has thin solid layers in the following order
einen aus einem elektronenleitenden Material gebildeteten kathodisohen Kollektor;one formed from an electron conductive material cathodic collector;
einen Katholyten, der Anionen liefert, die mit Lithium ein SaIs bilden;a catholyte that provides anions with lithium form a SaIs;
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• «inen «in Mthiumaals und einen Stoff alt festem Gefüge enthaltenden Separator« der einen isolierenden Ionenleiter für die Elektronen bildet und für den latholyten undurchlässig ist;• "inside" in Mthium eels and a substance of old solid structure containing separator «which forms an insulating ion conductor for the electrons and for the latholyte is impermeable;
- und eine LithiumAnode.- and a lithium anode.
Das Terfahren naoh dem Hauptpatent selohnet eich dadurch aus, daß der Separator durch Auflösung des Llthiumsalses In einem Lösungsmittel erhalten wird und daß danach aus dieser Lösung und dem Stoff mit festem (Jefüge eine dünne feste Sohlent gebildet WIrS1 derart, defl das Litaiuasals sumlndest teilweise solvatlsiart int«The procedure according to the main patent is compensated by the fact that the separator is obtained by dissolving the lithium salt in a solvent and that a thin, solid sole is then formed from this solution and the substance with solid (Jefle ) in such a way that the litaiuas as sumlndest partially solvated int «
Iia übrigen wurde dort f&sg#g©"fe«nt daJ ein Bindemittel susaamen mit dem LSsungismitttl eingesetzt werden kann·Can be iia other was there f &# sg g © "fe" n t DAJ a binder susaamen used with the LSsungismitttl ·
Verschieden* Bindemittel wurden verges oblagen, und insbesondere t&r den Fall« wo das Lösungsmittel aus Wasser besteht: Polyvinylalkohol; und in dem ?allf wo das Lösungsmittel aus Metb9.ro! oder Äthanol besteht t Acetat oder Polyrlnylbutjral, Se wurde naoh der vorliegenden Erfindung gefunden» daS ein aus Polyvinylforsal gebildetes Bindemittel besonders vorteilhaft ist, wenn das Lösungsmittel aus Propjrlenkarbonat gebildet 1st.* Different binders were verges were incumbent, and in particular t r the case "where the solvent consists of water: polyvinyl alcohol; and in that? all f where the solvent from Metb9.ro! or ethanol consists of acetate or polyvinyl butyral. It was found in the context of the present invention that a binder formed from polyvinylforsal is particularly advantageous when the solvent is formed from propylene carbonate.
Die Erfindung geht somit aus von einem Terfshren sur Herstellung eines elektrochemie eben 3E3mientes entsprechend dem Hauptpatent, das elß# Ansf&X festes Sttnnsv Schichten in folgeader Reihenfolge im gelaiens^ Sustand aufweist!The invention is thus based on a Terfshren sur Production of an electrochemistry just 3E3mientes accordingly the main patent that elß # Ansf & X solid Sttnnsv layers in the following order in the launches ^ state!
- einen kathodlsohen £ollektoi% der aus tinm elektronen·· leitenden Material gebildet let;- a cathode-equal £ ollektoi% of the tinm electrons conductive material formed let;
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- «inen Katholyten, dar Antonen liefert, die in der Lage sind, mit dem Lithium ein Sale iu bilden,- «in a catholyte, which Antonen delivers who are capable are, with which lithium form a sale iu,
- einen ein Llthiumeals und einen Stoff alt feste« Oefüge enthaltenden Separator, der einen lonenleiter bildet, der für die Elektronen isolierend wirkt und für den Xatholyten undurchlässig ist,- one an Llthiumeal and one material old solid structure containing separator, which forms an ion conductor that has an insulating effect on the electrons and is impermeable to the xatholyte,
- eine Iiithiumanode.- a lithium anode.
in folgenden Stufen erhalten vlrdsobtained in the following stages vlrds
- man lust das Idthiumeals und ein organisches Bindemittel in eines Obersehuf eines L8sungsmittele, das aus Propylen-Karbonat CH5-OH-CH2 -0-00-0 besteht;- the Idthiumeal and an organic binder in a top of a solvent, which consists of propylene carbonate CH 5 -OH-CH 2 -0-00-0;
- man imprägniert eine feste poröee Sohioht alt der erhaltenen lösung;- one impregnates a solid porous base of the old one solution;
- man trocknet diese imprägnierte Sohioht ausreichend schonend, danit dieses Xlthiumsals wenigstens teilweise duroh dieses Lösungsmittel solTatislert bleibt, wobei das Material τοη festem Oefüge duroh diese poröse Sohioht und dieses Bindemittel gebildet 1st, wobei das Verfahren sieh dadurch auseeiohnet, daß als Bindemittel Polyvinylfoxmal verwendet wird.- this impregnated Sohioht is dried sufficiently gently, then at least partially through which this solvent remains isolated, whereby the material τοη solid Oef structure duroh this porous Sohioht and this binding agent is formed, the process comprising the fact that polyvinyl foxmal is used as the binding agent is used.
Die Erfindung soll nun anhand der einsigen Plgur näher erläutert werden, die einen Schnitt duroh ein elektrochemie ohee Esftent nach der Erfindung darstellt. The invention will now be based on the single Plgur in more detail be explained, which represents a section duroh an electrochemical ohee Esftent according to the invention.
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•inen Gehäuse enthalten let. Dieses besteht aus einer isolierenden seitlichen Wandung Z9 beispielsweise aus Kunststoffmaterlal ( Plasten) und einem Deckel 4 sowie einer Bodenplatte 6» die beide aus Stahl bestehen.• contained in housing let. This consists of an insulating side wall Z 9, for example made of plastic material (plastic) and a cover 4 and a base plate 6, both of which are made of steel.
Auf der Platte 6 ruht ein Katholyt 8» über dem ein Separator 10 vorgesehen ist, der wiederum von einer aus einer Lithiumplatte bestehenden Anode 12 überlagert ist. Diese letztgenannten drei Elemente werden gegeneinander und gegen die Bodenplatte 6 durch eine Yertellerplatte 1? aus rostfreiem Stahl gepreSt gehalten , die selbst auf diese Anode 12 mittels einer aus Stahl bestehenden Feder 14 gedrückt wird. Diese Feder wird swisohen der Platte 13 und dam Deokel 4 komprimiert und sorgt für den elektrischen Kontakt «wischen der Anode 12 und dem Deckel 4. Der Deokel 4 und die Bodenplatte 6 bilden Tom elektrischen Standpunkt aus die Klemmen des elektrochemischen Elementes. Ss sei jedoch darauf hingewiesen, dad die Feder 14 und die Verteilerplatte 13 fehlen können, wenn die verschiedenen Schichten oder wenn die Wandung 2 eine ausreichende Elastizität aufweisen.A catholyte 8 »rests on the plate 6 above Separator 10 is provided, which in turn is of a consisting of a lithium plate anode 12 is superimposed. These latter three elements will be against each other and against the base plate 6 by a Yertellerplatte 1? made of pressed stainless steel, which is itself pressed onto this anode 12 by means of a spring 14 made of steel. This pen will swisohen the plate 13 and dam Deokel 4 compressed and ensures the electrical contact between the anode 12 and the cover 4. The deodorant 4 and the base plate 6 Tom electrical standpoint form the terminals of the electrochemical element. Ss be however pointed out that the spring 14 and the distributor plate 13 can be absent if the various layers or if the wall 2 has sufficient elasticity exhibit.
Bei einem solohen Element überträgt eich die elektrochemische Reaktion durch die Umformung von Kupfer-XI-sulf id CuS in Kupf er-I-sulf id Cu2S an der Kathode und durch die Bildung von Lithiumsulfid an der Anode.In the case of a single element, the electrochemical reaction is transferred through the transformation of copper-XI-sulfide CuS into copper-I-sulfide Cu 2 S at the cathode and the formation of lithium sulfide at the anode.
Zm folgenden soll nlher auf die Heretellungsweise und die Zusammensetsung der gerade beschriebenen SchichtenIn the following we shall look more closely at the method of manufacture and the composition of the layers just described
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eingegangen werden.To be received.
- man stellt dme Gemisch bei einer Temperatur her, dl· vorzugsweise »wischen 50 und 900O und insbesondere wischen 60 und 700O lieft, wobei die Anteile Gewiohtstelle sindt- to set DME mixture at a temperature forth dl · preferably "wipe 50 and 90 and in particular 0 O 0 O wipe 60 and 70 lieft, the proportions Gewiohtstelle Sindt
. Kupfer-II-sulfid-Pulver CuSs 70 bis 80 *
. Lösungsmittel 27 bis 18 #
. Bindemittel 3 bie 2 f . Copper (II) sulfide powder CuSs 70 to 80 *. Solvent 27 to 18 #
. Binder 3 to 2 f
Des lupfersulfid OuS liegt in for« eines feinen halbleitenden Pulrere ror. Znsbesonder· liegt sein elektrisch tr spezifischer Widerstand, der Ton *·* ÄLektronenart ist,,The copper sulfide OUS is in the form of a fine semiconducting one Pulrere ror. Its specialty is its electrical power tr specific resistance, the sound is * · * Älektronenart ,,
▼orsugsweis· wesentlich unterhalb eine» hundertetel Oheientiaeter. Sr kann beispielsweise sit Hilf· eines Kupfer- und Sohwefelge«iseheβ erhalten werden, das man derart reagieren IiUIt9 daB Iupfer-1-sulfid Ou 8 gebildet wird» Schwefel wird dea erhaltenen Pulver* ansohlieiend an diese Reaktion sugesetsts eine neue Reaktion wird hervorgerufen, derart, da£ lupfer-II-sulfid gebildet wird. Das Mit Hilfe dieser Bveiten Reaktion erhalten· Pulrer wird Hit Isopropylamln gewasohen, wodurch ein gegebenenfalle noch verbleibender Sohwefelttbersohui eliminiert wird. Man erhalt so ein lupfer-•ulfldpulrer, das die geforderten Bigensohaften aufweist. Dieses Pulver kann jedoch auf unterschiedliche Weise erhalten werden, beispielsweise nach eine« Verfahren auf. naflea Weg·, welches die folgenden Schritt· uafaftt▼ orsugsweis · substantially below a »hundredth of an oheientiaeter. Sr can, for example, sit Help · of a copper and Sohwefelge "are obtained iseheβ, which can react such IiUIt 9 DAB Iupfer-1-sulfide formed Ou 8» sulfur is dea obtained powder * ansohlieiend to this reaction sugesetsts a new reaction is caused, in such a way that lupfer II sulfide is formed. The powder obtained with the help of this Bveiten reaction is washed with isopropylamine, which eliminates any remaining sulfur dioxide. The result is a lupfer- • ulfldpulrer that has the required bigenso properties. However, this powder can be obtained in different ways, for example by a method on. naflea path which takes the following steps
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BIe «ur Sättigung löst man Natriuusulfidkrlstall· g in siedendem Wasser,Sodium sulphide crystals are dissolved for saturation in boiling water,
bis rar Sättigung setst man dann Schwefel au«sulfur is then added until saturation is scarce.
gesondert wird eint konientrlerte LBsung von lupferaulfat Ou SO4 in Wasser hergestellt«A special solution of copper sulphate is used separately Ou SO4 made in water «
man mischt dann die beiden Lösungen und erhält ein susammcngesetites Produkt aus CuS und etlichen Prozent Schwefel,one then mixes the two solutions and one obtains Susceptible product of CuS and several percent Sulfur,
das im ObersohuB Vorhand eat Sulfat Uu SO^ wird durch Waschen im Wasser eliminiert. Der Schwefelüberschufi wird sohlieBlioh durch Waschen is Schwefelkohlenstoff eliminiert· that in ObersohuB forehand eat sulfate Uu SO ^ is through Washing in water eliminated. The sulfur excess is sohlieBlioh by washing, carbon disulfide is eliminated
Beim LSsungsmittel UAndeit ec sich um Propylen-Karbonat CH, -CH-CH« -0-CO-O»The solvent UAndeit ec is propylene carbonate CH, -CH-CH «-0-CO-O»
Bas Bindemittel ist Polyrinylformal* Ss handelt «ich um ein durch Kondensation von Polyvinylalkohol mit loraaldehyd löilioati Bindemittel. Das Molekular ge Wl ο ht des PolyTinylalkohols liegt Tersugswelse awisohen 24 000 und 40 000. Die Kondeneatlonsreaktlon, bei der es eioh. um eineAietalisierung handelt, wird derart durohgeftthrt, das beispielsweise 82£ der Alkoholgruppen des Polyvinylalkohole aietallelert sind, Xs kann jedoch vorteilhafter sein, diesen Anteil su erhöhen·The binding agent is polyrinyl formal * Ss is about one by condensation of polyvinyl alcohol with loraaldehyde löilioati binders. The molecular weight of the PolyTinyl alcohol is located in Tersugswelse awisohen 24 000 and 40 000. The condensation reaction, in which it eioh. around an aietalization is carried out in such a way that that is, for example, £ 82 of the alcohol groups in polyvinyl alcohols aietallelert are, however, Xs can be more advantageous be to increase this proportion su
Das demisoh aus Kupfersulfii, dem Lösungsmittel und dem Torher erwähnten Bindemittel wird meoaanlüdh. durchrührt oder durchmischt, fierart, dal eine vi.>*-,uee eohwarieThe demisoh from Kupfersulfii, the solvent and the Torher mentioned binder is meoaanlüdh. stirred or mixed, fierart, dal a vi.> * -, uee eohwarie
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• 7 -• 7 -
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- 7 sehr homogene Aufschleamung gebildet wird.- 7 very homogeneous slurry is formed.
Gegebenenfalls läßt man diese Aufsohlemmung bei Umgebungstemperatur abkühlen, um ein mehr oder veniger plastisches uel su erhalten.If necessary, this soling is left at ambient temperature cool down to obtain a more or less plastic uel su.
Man vergießt die viskose Aufschlämmung oder man verstreicht das vorher erhaltene Gel dick auf ein metallisches Werkstück, das die Rolle des kathodischen Kollektors spielen soll. Diese metallische Werkstück kann im Falle der Figur die Bodenplatte 6 aus weichem Stahl sein. SieThe viscous slurry is poured or spread the previously obtained gel thickly on a metal workpiece, which is the role of the cathodic collector should play. In the case of the figure, this metallic workpiece can be the base plate 6 made of soft steel. she
kann jedoch genauso gut aus einem Kupfergitter gebildet sein, das auf einer dünnen Kupferfolie für den Fall angeordnet wird, daß mehrere elektrochemische Elemente in Reihe in ein und demselben Kasten oder Gehäuse geschaltet werden sollen.however, it can just as easily be formed from a copper grid be, which is placed on a thin copper foil in the event that several electrochemical elements in series are to be switched in one and the same box or housing.
Der Separator 10 wird hergestellt, Indem man ein Gemisch mit den folgenden Gewichtsteilen herstellt:The separator 10 is made by making a mixture with the following parts by weight:
. Lösungsmittel etwa 88 %
. Bindemittel : 4 bis 6 t
• Lithiumsais etwa von 6 bis 8 $> . Solvent about 88 %
. Binder: 4 to 6 tons
• Lithium sais around $ 6 to $ 8>
Das Lösungsmittel wird aus dem vorher erwähnten Propylen-Karbonat gebildet. Beim Bindemittel handelt es sich um das vorher erwähnte Polyvinylformal. Das Lithlumsals kann Insbesondere aus Lithiumjodid oder vorzugsweise Lithlumperchlorat LlClO* gebildet sein.The solvent is made from the aforementioned propylene carbonate educated. The binder is the aforementioned polyvinyl formal. The lithlumsals can In particular from lithium iodide or preferably lithium perchlorate LlClO * be formed.
Diese Komponenten des Separators werden in folgender Welse zusammengebracht ζThese components of the separator are in the following way brought together ζ
- man löst das Bindemittel im Lösungsmittel bei einer- One dissolves the binder in the solvent at a
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Temperatur vorzugsweise zwischen 50 und 900C, insbesondere zwisohen 60 und 700C;Temperature preferably between 50 and 90 0 C, in particular between 60 and 70 0 C;
- Man lb*et das Lithiums al β bei der gleichen Temperatur in der vorher erhaltenen Lösung;- One lb * et the lithium al β at the same temperature in the solution previously obtained;
- Mit der erhaltenen Flüssigkeit imprägniert man einen porösen Träger. Bei diesem porösen Träger kann es sieh beispielsweise um ein Asbestpapier in der Sicke beispielsweise »wischen 12 und 40 hunderte«. Millimeter handeln oder , wenn man eine geringere Sicke wünscht um ein Zellulosepapier vom Typ Filterpapier, dessen Sioke Bvisohen 5 und 12 hunderte*! Millimeter liegen kann.- One impregnates one with the obtained liquid porous support. This porous carrier can, for example, be an asbestos paper in the bead for example, "wipe 12 and 40 hundreds". millimeter act or if you want a smaller bead a cellulose paper of the filter paper type, whose Sioke Bvisohen 5 and 12 hundreds *! Millimeters can.
Selbstverständlich soll dieses Filterpapier von einem Typ gewählt sein, von dem keines seiner Elemente in Propylen-Karbonat löslich ist.It goes without saying that this filter paper should be of a type that does not include any of its elements in Propylene carbonate is soluble.
- Sen so imprägnierten Träger läßt man einige Tage bei Umgebungstemperatur unter einer trocknen Stickstoff-Strömung stehen, derart, daß eine erste partielle Desolvation der so erhaltenen Schioht hergestellt wird.The support so impregnated is left for a few days at ambient temperature under a stream of dry nitrogen stand in such a way that a first partial desolvation the thus obtained shoe is produced.
- Eine partielle stär&ce Sesolvatlon wird durch eine Trocknung bei einer Temperatur zwischen 80° und 1000C während eines Zeitraums vorzugsweise »wischen einer und sechs Minuten, vorzugsweise noch benachbart drei Minuten in einer trocknen Stiokstoffatmosphäre derart durchgeführt, daS jedes Einführen von Wasser vermieden wird.- A partial Staer & ce Sesolvatlon is preferably a drying at a temperature between 80 ° and 100 0 C for a period "wipe one and six minutes, preferably, nor adjacent three minutes a dry Stiokstoffatmosphäre performed such that each insertion is avoided by water.
Sas Zusammenbringen der so erhaltenen Schichten erfolgt vorzugsweise in einer getrockneten Sticketoffatmosphäre,The layers obtained in this way are preferably brought together in a dried fabric atmosphere,
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derart, daß das Einführen von Wasser vermieden wird. Zu allererst wird ein Stapel dieser Schichten hergestellt, eel es» dai nur ein kathodiecher Kollektor wie dl· Bodenplatte 6, ein Katholyt wie 8, ein Separator wie 10 and eine Lithiumanode wie 12 vorgesehen 1st, sei es» daJ eine Stapelung von mehreren AaIeinanderfolgen von vier Sohiehten dieses Typs vorgesehen wird, wobei In diesem Fall die kathodlsohen Zwlsohenkollektoren wie bereite angegeben« gebildet werden nicht durch eine Bodenplatte wie 6 sondern durch ein Kupfergitter, welches auf eine dünne Kupfer- ' folie gelegt wird. Yor der Einkapselung, d. h. dem Schließen des düsen die Wandung 2 und die Platten 6u. 4 gebildeten Gehäuses, sorgt man für eine Yorkompreeeion, wobei der Druck in der Größenordnung von 50 bis 200 g" pro cm liegt, derart, daß ein inniger Kontakt swischen den in Kontakt stehenden Schichten, hergestellt wird. Diese Yorkompresslnn kann entweder im kalten oder im warmen Zustand erfolgen, d. h. bei einer Temperatur Bwlsohen 50 und 900C, vorzugsweise ■wischen 60 und 700C.such that the introduction of water is avoided. First of all, a stack of these layers is produced if only a cathodic collector such as the bottom plate 6, a catholyte such as 8, a separator such as 10 and a lithium anode such as 12 is provided, be it that a stack of several AaI follows one another of four soles of this type is provided, in which case the cathode-solitary double-solenoid collectors are not formed by a base plate such as 6 but by a copper grid which is placed on a thin copper foil. Before the encapsulation, ie the closing of the nozzle, the wall 2 and the plates 6u. 4, a Yorkompressin is provided, the pressure being on the order of 50 to 200 g "per cm, such that an intimate contact is established between the layers in contact warm state take place, ie at a temperature Bwlsohen 50 and 90 0 C, preferably between 60 and 70 0 C.
Im letztgenannten Fall ist es nioht notwendig, eine Teder wie 14 und auoh keine Verteilerplatte wie 13 au verwenden, um einen innigen Kontakt awlβchen den überlagerten Schichten aufrechtzuerhalten.In the latter case it is not necessary to use a teder like 14 and auoh do not use a distributor plate like 13 au, for intimate contact with the superimposed layers maintain.
Beispielsweise kann ein elektrochemischer Generator nach der Erfindung, der in der Lage ist, einhundert Milliampere/ Stunde bei swei Volt su liefern und eine mittlere Leistung von der Größenordnung von 20 Mlkrowatt und Leistungsspltaen. von 300 Mikrowatt aufweist, eine Oberflächen- oder Deckschicht von 3 cm aufweisen, wobei die Dicke der Lithiumanode 12 bei 0,2 mm,die Dicke des Separators 10 «wischenFor example, an electrochemical generator according to the invention which is able to generate one hundred milliamps / Hour at two volts su supply and an average output of the order of magnitude of 20 milliwatts and power plates. of 300 microwatts, have a surface or top layer of 3 cm, the thickness of the lithium anode 12 at 0.2 mm, wipe the thickness of the separator 10 ″
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0,1 und 0,5 mm und die Dicke dee Katholyten bei 0,8 liegt.0.1 and 0.5 mm and the catholyte thickness at 0.8 lies.
Pur den fall, daß für die gleichen Leistungen und die glelohen verfügbaren Energien eine Spannung von 10 Volt gewünscht let und die Oberfläche noon bei 3 am liegt, können 5 Aufeinanderfolgen gleicher Schichten In Reihe in der Mitte ein und des gleichen Gehäuses gestapelt sein. In jeder dieser Aufeinanderfolgen von Schichten kann die I>ithiu&aneäe 12 eine Blöke von 0,1 mc, der Separator 10 eine Dicke zwlsohta 0,1 und 0,5 en und der Satftolyt 8 einen Blöke von 0,2 nm aufweisen. B:; scheint, da* dit verfügbare Yolaaeneaergie geringer im streitest Fall als Im ersten J3-11 1st» Insbesondere aufgrund der Sata&ea** £«£ die Blöke des Separators unabhängig von der EUktrisitätsmenge» die geliefert werden soll, 1st.In the event that a voltage of 10 volts is desired for the same power and the same available energies and the surface area is noon at 3 am , 5 successive layers of the same can be stacked in series in the middle of the same housing. In each of these successions of layers, the I> ithiu & aneäe 12 can have a block of 0.1 mc, the separator 10 a thickness of between 0.1 and 0.5 and the satftolyt 8 a block of 0.2 nm. B :; It seems that the available Yolaena energy is lower in the case at issue than in the first J3-11 1st »Especially due to the Sata & ea ** £« £ the blocks of the separator regardless of the amount of risk that is to be delivered.
Im Hinblick auf eint knappe Barstellung wurde die Erfindung nur anhand einer eiaslgsn Auaföhrungsform er· läutert« Xnderungen und Abänderungen liegen la Rahmen der Erfindung.The invention was made in view of a tight cash position only on the basis of one embodiment refines “Changes and amendments are within the framework the invention.
Ansprücheι • 11 -Claimsι • 11 -
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