DE2502500A1 - Kathode fuer eine elektrische zelle - Google Patents
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Description
PATENTANWÄLTE
DIPl .-IMG. ΜΛΡ.ΤίΝ IITH Γ 2 502 5 OQ
t";.\.-FrIVS -fa. H.-InKMANN
„ ,, München, den 22. Januar 1975
jE 33 ..-.-■■
YARDNEY INTERNATIONAL CORP. 10880 Wilshire Boulevard
Los Angeles, Kalifornien 90024 V.St.A.
Kathode für eine elektrische Zelle
Die Erfindung betrifft Zellen und insbesondere elektrolytische Zellen und Batterien und Kathoden für diese.
Elektrolytzellen mit einer Elektrode aus Lithium oder einem ähnlichen Metall und einem organischen Elektrolyten haben
gewöhnlich Kathoden aus Salzen von verhältnismäßig hohem Molekulargewicht, beispielsweisei Silberchromat (das ein Molekulargewicht
von 323*18 hat). Solche Zellen arbeiten zwar zufriedenstellend;
jedoch besteht eine Nachfrage nach einer Batterie oder elektrolytischen Zelle mit höherer Energiedichte je Gewichtseinheit der Zelle oder Batterie, um deren
Lebensdauer zu erhöhen und die Gesamtkosten zu senken. Eine solche Zelle oder Batterie ist auf den verschiedensten Gebieten,
wo hohe Energiedichten erforderlich sind, wie in
Unterseebooten, Raumschiffen und Plugzeugen, verwendbar.
Die Kathode gemäß der Erfindung enthält Chromtrioxid und einen
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elektrischen Leiter, wie Acetylenruß, Graphit oder dergl.
Sie kann auch ein Bindemittel für das Chromtrioxid und den Leiter, beispielsweise Polytetrafluoräthylen, enthalten.
Das Gemisch kann auf einen Stromsammler aus expandiertem Nickel oder dergl., der auch als Träger dient, aufgebracht
sein'. Bei einer Ausführungsform der Kathode gemäß der Erfindung befindet sich das Chromtrioxid innerhalb eines
flächigen Gefüges aus einem Graphitleiter. Die Erfindung umfaßt auch eine elektrolytische Zelle, die eine solche
Kathode und eine Anode aus einem Metall, das weniger edel als Zink ist, enthält. Pur die Zelle wird vorzugsweise ein
organischer Elektrolyt, beispielsweise ein Gemisch von Lithiumperchlorat und Propylencarbonat, verwendet. Wegen
der Verwendung eines Oxids von verhältnismäßig niedrigem Molekulargewicht hat die Kathode eine hohe Energiedichte.
Chromtrioxid sowie die anderen Komponenten der Zelle sind leicht erhältlich. Außerdem 1st die Herstellung der Kathode
gemäß der Erfindung einfach und kann rasch und mit verhältnismäßig geringen Kosten erfolgen. Die Kathode gemäß der Erfindung
kann zusammen mit vielen verschiedenen Anoden in Zellen der verschiedensten Konfigurationen mit organischen
Elektrolyten verwendet werden. Außerdem kann die Zusammensetzung der Kathode weitgehend variiert werden, so lange
etwas elektrisch leitendes Material zusammen mit dem Chromtrioxid darin anwesend ist.
Der Hauptbestandteil der Kathode gemäß der Erfindung ist
Chromtrioxid. Dieses Oxid ist leicht erhältlich. Es hat die Formel CrO-, ein verhältnismäßig niedriges Molekulargewicht
von 99,99, das geringer ist als das von Silberchromat
(331*73) und Bleichromat (323,18). Chromtrioxid wird auch
als Chromsäureanhydrid oder Chromsäure bezeichnet, obwohl die eigentliche Chromsäure HpCrO2, nur in Lösung existiert.
Chromtrioxid ist löslich in Wasser, Alkohol und Mineralsäuren.
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Es kann in der Kathode gemäß der Erfindung in irgendeinem -""-Mengenverhältnis
zusammen mit den übrigen Bestandteilen der Kathode verwendet werden.
Da Chromtrioxid ein verhältnismäßig schlechter Stromleiter
ist, muß in der Kathode ein Stromleiter innig "mit dem Chromtrioxid
vermischt anwesend sein. Ein solcher Stromleiter soll die vorteilhaften Eigenschaften des Chromtrioxids nicht beeinträchtigen.
Es stehen eine Anzahl geeigneter elektrischer Leiter zur Verfugung, beispielsweise Acetylenruß, Graphit und
Ruß. Das Chromtrioxid liegt vorzugsweise in der Form verhältnismäßig
feiner Teilchen mit einer Teilchengröße von etwa 10 bis etwa 250 μ vor, und der elektrische Leiter liegt vorzugsweise
ebenfalls in der Form feiner Teilchen in beispielsweise etwa dem gleichen Teilchengrößenbereich vor.
Der Leiter kann mit dem Chromtrioxid vermischt und beide Bestandteile
können durch die Verwendung eines geeigneten Bindemittels in gewünschter Form zusammengehalten werden. Ein
solches Bindemittel kann beispielsweise ein thermoplastisches oder wärmehärtendes Material, wie Polytetrafluoräthylen oder
ein anderes Fluorkohlenstoffharz von verhältnismäßig hohem Schmelz- oder Erweichungspunkt, ein hoch-schmelzendes Polyäthylen,
sowie Polybutylen, Polycarbonat oder ein anderer verformbarer Kunststoff sein. .
Das Verhältnis von Chromtrioxid zu den anderen Bestandteilen der Kathode kann variieren. Beispielsweise kann das Gewichtsverhältnis von Chromtrioxid zu elektrischem Leiter etwa 2 bis
10:1 betragen. Das Gewichtsverhältnis von Chromtrioxid zu Bindemittel kann beispielsweise etwa 5 bis 20:1 betragen. Ein
typisches Gewichtsverhältnis Chromtrioxid Acetylenruß:Polytetraf
luoräthylen ist etwa 7:2:1.
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Das beschriebene Gemisch kann auf einen Träger aus beispielsweise expandiertem Nickel, der auch als Stromsammler dient,
aufgebracht und dann fixiert werden, wonach die Kathode gebrauchsfertig
ist. Pur die Herstellung der Kathode kann beispielsweise das folgende Verfahren angewandt werden:
Die erforderlichen Mengen an CrCU, Graphit und pulverförmiger)!
Polytetrafluorathylen werden in einen Mischer eingebracht.
Der Mischer wird laufengelassen, bis alle Pulver agglomeriert sind. Dann wird das aggregierte Pulver auf einem Träger aus
expandiertem Nickel ausgebreitet und unter einem Druck von 35 bis 140 kg/cm (500-2000 psi) verpreßt. Alternativ wird
das leitende Pulver mit einer geringen Menge an Äthyl-, Methyl- oder einem anderen niedrig-siedenden Alkohol benetzt
und dann mit Wasser zu einer dicken Paste verarbeitet. Dann wird eine wäßrige Suspension von Polytetrafluoräthylen unter
raschem Rühren mit der Paste vermischt, bis ein Eindicken der Paste bemerkbar wird. Danach wird die Paste im Vakuum
bei 1250C getrocknet. Das getrocknete Pulver wird mit der erforderlichen
Menge an Chromtrioxid vermischt, indem man die Materialien, beispielsweise in einer Kugelmühle, miteinander
vermahlt. Danach wird das Material auf dem Stromsammler (vorzugsweise
auf beiden Seiten des Sammlers) ausgebreitet und bei einem Druck zwischen 35 und 140 kg/cm (500 and 2000 psi)
verpreßt.
Chromtrioxid kann zusammen mit dem elektrischen Leiter eingesetzt werden, indem man in der Kathode Chromtrioxid in der
Form einer Einlagerungsmasse, in der das Chromtrioxid in Plättchen aus einem graphitischen elektrischen Leiter eingelagert
ist, verwendet. Ein solches Produkt ist im Handel erhältlich. Es kann zerkleinert und mit einer geeigneten Menge
an Bindemittel ([md gewünschtenfalls weiterem elektrischen
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Leiter oder Chromtrioxid) vermischt und mit oder ohne Verfestigung durch einen Stromleiter zu einer selbsttragenden
Kathode verarbeitet werden. Auch andere Verfahren zur Herstellung
der Kathode gemäß der Erfindung unter Verwendung eines Gemisches von Chromtrioxid und elektrischem Leiter können
natürlich angewandt werden.
Die Zelle gemäß der Erfindung enthält eine Anode, die" aus
irgendeinem Metall, das weniger edel als Zink ist., besteht.
Die Wahl der Anode hängt von der Letztverwendung, der Art der Kathode, dem Elektrolyten und anderen Faktoren ab. Eine
geeignete Anode kann beispielsweise aus metallischem Lithium bestehen. Eine weitere geeignete Anode kann aus Magnesium,
Zink oder Aluminium bestehen.
In den meisten Fällen wird in der elektrolytischen Zelle gemäß
der Erfindung ein organischer Elektrolyt verwendet. Die Wahl des zu verwendenden organischen Elektrolyten hängt von der verwendeten
Kathode, der Anode und anderen Faktoren ab. Wenn beispielsweise in der Zelle gemäß der Erfindung eine Lithiumanode
verwendet wird, so kann ein Lithium enthaltender Elektrolyt, beispielsweise ein Gemisch von Lithiumperehlorat und Propylencarbonat,
verwendet werden. Ein solcher Elektrolyt hat die folgenden physikalischen und chemischen Eigenschaften: kinetische
oder thermodynamische Stabilität mit den Elektrodenmaterialien, Viskosität bei Raumtemperatur von 28 mP oder darunter, dielektrische
Konstante bei Raumtemperatur wenigstens 10. Ein weiterer
bei Verwendung einer Lithiumanode geeigneter organischer Elektrolyt ist Butyrolacton und Lithiumbromid oder ein Gemisch
von 30$ Dirnethoxyäthan mit 70$ Tetrahydrofuran und 1m (IM)
Lithiumhexafluorarsenat. Wenn die Anode beispielsweise aus
Aluminium oder Magnesium besteht, kann ein entsprechender organischer Elektrolyt verwendet werden.
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Ein bevorzugtes Beispiel einer elektrolytischen Zelle gemäß der Erfindung enthält eine Kathode gemäß der Erfindung aus
Chromtrioxid, Acetylenruß und Polytetrafluoräthylen im Gewichtsverhältnis
7:2:1. Die Kathode enthält einen als Stromsammler dienenden Träger aus expandiertem Nickel, auf dem
das Gemisch von Chromtrioxid, Acetylenruß und Polytetrafluoräthylen
aufgebracht ist. Die Anode der Zelle ist eine Folie aus metallischem Lithium. Zwischen den Elektroden befindet
sich ein Separator in der Form einer Folie aus mikroporösem Polypropylen (mittlerer Durchmesser unter 0,1 μ). Der
in der Zelle verwendete Elektrolyt ist 1m Lithiumperchlorat
in Propylencarbonat. Diese Zelle vermag eine Stromdichte von 15 mA/cm bei einer Spannung von etwa 2,5 V zu liefern. Beispielsweise
kann die Zelle 30 Minuten lang mit einer Strom-
P
dichte von 15 mA/cm und anschließend 120 Minuten mit 10 mA/cm entladen werden, bis die Abschaltspannung 1,8 V beträgt. Die
Zelle zeigt auch eine überlegene gleichbleibende Polarisation.
Ein weiteres Beispiel für eine elektrolytische Zelle gemäß der Erfindung wird wie folgt zusammengesetzt:
Eine Elektrode wurde wie folgt hergestellt: 77 Gew.-% ^
13 Gew. -$> Acetylenruß, 10 Gew.-^ Polytetraf luoräthylen. Diese
Komponenten wurden miteinander vermählen, bis eine gleichmäßige Masse erhalten war, und dann in einen Stromsammler aus
expandiertem Nickel gepreßt. Diese Elektrode, eine Elektrode aus metallischem Magnesium und ein Separator aus mikroporösem
Propylen sowie ein Elektrolyt aus 1m Lithiumperchlorat in 10 Gew.-^ Äthylencarbonat und 90 Gew.-^ Tetrahydrofuran als
Lösungsmittel wurden zu einer Zelle zusammengefügt. Die Spannung bei offenem Stromkreis betrug 2,1 V. Wenn die Zelle
mit einer Stromdichte von 3 mA/cm entladen wurde, hatte sie eine Spannung von 1,1V.
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Aus dem obigen ist ersichtlich, daß die Kathode gemäß der
Erfindung und eine elektrolytische Zelle mit einer solchen Kathode sehr hohe Stromdichten je Gewichtseinheit zu liefern
vermögen. Außerdem können in der Zelle viele verschiedene Anoden, Elektrolyte und andere Komponenten verwendet werden.
Die Zelle hat eine überlegene Gleichgewichtspolarisationscharakteristik, ist leicht zusammenzufügen, verhältnismäßig
billig in der Herstellung und Verwendung und hat eine hohe Effizienz. ' " . "
5 0 9 8 3 9 /062»
Claims (13)
- Patentansprüche-1. Kathode für elektrische Zellen, d a d u r c h " g e kennzeichnet, daß sie Chromtrioxid und einen elektrischen Leiter enthält.
- 2. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Chromtrioxid in dem laminaren Gefüge des Leiters eingelagert ist. .. .
- 3. Kathode nach Anspruch 2, dadurch gekennz e 1 chne t , daß der Leiter aus Graphit besteht.
- 4. Kathode nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß sie ein Bindemittel enthält.
- 5. Kathode nach Anspruch 4, dadurch geke η η zeichnet, daß das Bindemittel Polytetrafluoräthylen ist. '
- 6. Kathode nach Anspruch 5> d a d u r e h g e: k e η η zeichnet, daß sie Chromtrioxid, Acetylenruß und Polytetrafluoräthylen in einem Gewichtsverhältnis von etwa 7:2:1 enthält. . " ' ■ ' -
- 7. Kathode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Chromtrioxid, der Acetylenruß und das Polytetrafluoräthylen in der Form eines Gemisches auf einen auch als Stromsammler dienenden Träger aus expandiertem Nickel aufgebracht sind.509839/062S
- 8. Elektrolytische Zelle, dadurch g e k e 'η η -y:\"~ zeichnet, daß sie eine Chromtrioxid enthaltende T. Kathode und eine Anode aus einem Metall, das weniger edel als Zink ist, enthält.
- 9. Zelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode einen elektrischen Leiter enthält. .
- 10. Zelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter Acetylenruß ist.
- 11. Zelle nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß das Chromtrioxid in einem laminaren Gefüge aus einem graphitischen Leiter eingelagert ist.
- 12. Zelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen mit der Anode und dem Chromtrioxid verträglichen organischen Elektrolyten sowie zwischen der Anode und der Kathode einen Separator enthält.
- 13. Zelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode aus Lithium und der Elektrolyt aus Lithiumperehlorat, in Propylencarbonat gelöst, besteht und die Kathode ein Gemisch von Chromtrioxid, Acetylenschwarz und Polytetrafluoräthylen in einem Gewichtsverhältnis von etwa 7:2:1 auf einem auch als Stromsammler dienenden Träger aus expandiertem kickel enthält.5098 39/0629ORIGINAL INSPECTED
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| DE2803151A1 (de) * | 1978-01-25 | 1979-07-26 | Varta Batterie | Verfahren zur herstellung positiver ni(oh) tief 2 -presselektroden |
| US9509017B2 (en) * | 2014-07-22 | 2016-11-29 | John E. Stauffer | Lithium storage battery |
-
1974
- 1974-12-17 GB GB54417/74A patent/GB1489408A/en not_active Expired
- 1974-12-20 CA CA216,905A patent/CA1030602A/en not_active Expired
-
1975
- 1975-01-22 FR FR7501900A patent/FR2265182B1/fr not_active Expired
- 1975-01-22 DE DE19752502500 patent/DE2502500A1/de active Pending
- 1975-03-18 JP JP50031919A patent/JPS50128134A/ja active Pending
- 1975-03-20 SE SE7503185A patent/SE7503185L/xx unknown
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2726380A1 (de) * | 1977-06-10 | 1978-12-21 | Varta Batterie | Elektrochemische stromquelle hoher energiedichte |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2265182A1 (de) | 1975-10-17 |
| CA1030602A (en) | 1978-05-02 |
| JPS50128134A (de) | 1975-10-08 |
| SE7503185L (de) | 1975-09-22 |
| GB1489408A (en) | 1977-10-19 |
| FR2265182B1 (de) | 1977-07-01 |
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