DE2521769A1 - Galvanisches element mit einer negativen elektrode aus leichtmetall, einem nichtwaessrigen elektrolyten und einer positiven elektrode - Google Patents

Galvanisches element mit einer negativen elektrode aus leichtmetall, einem nichtwaessrigen elektrolyten und einer positiven elektrode

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DE2521769A1
DE2521769A1 DE19752521769 DE2521769A DE2521769A1 DE 2521769 A1 DE2521769 A1 DE 2521769A1 DE 19752521769 DE19752521769 DE 19752521769 DE 2521769 A DE2521769 A DE 2521769A DE 2521769 A1 DE2521769 A1 DE 2521769A1
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lithium
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/5825Oxygenated metallic salts or polyanionic structures, e.g. borates, phosphates, silicates, olivines
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00Primary cells; Manufacture thereof
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    • H01M6/16Cells with non-aqueous electrolyte with organic electrolyte

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Description

  • Galvanisches Element mit einer negativen Elektrode aus Leichtmetall, einem nichtwässrigen Elektrolyten und einer positiven Elektrode Die Erfindung betrifft ein galvanisches Element mit einer negativen Elektrode aus Leichtmetall, einem nichtwässrigen Elektrolyten und einer positiven Elektrode.
  • Wegen ihrer geringen Äquivalentgewichte und ihrer hohen Standardpotentiale besitzen Leichtmetalle als Elektrodenmaterialien für galvanische Zellen eine besonders hohe Energiedichte. Unter diesem Gesichtspunkt ist besonders Lithium als Elektrcdenmaterial geeignet.
  • Die chemische Reaktionsfreudigkeit der Leichtmetalle erfordert einerseits die Verwendung nichtwässriger Elektrolyte, andererseits stellt die Auswahl des Materials der positiven Elektrode besondere Aufgaben. Die meisten Materialien sind im Elektrolyten zu leicht löslich, wodurch die nutzbare Kapazität einer solchen Elektrode während der Lagerzeit stark abnimmt.
  • 3ei anderen Waterialien ist die stromliefernde elektrocheische Reaktion so stark gehemmt, daß eine Entladung mit grsßeren Stromdichten nicht möglich ist.
  • So betrifft die US-PS 3 736 134 galvanische Zellen init negativen Elektroden aus Leichtmetall, einem Elektrolyten aus in organischen Lösungsmitteln gelösten ionenbildenden Leichtmetallsalzen und positiven Elektrodenmaterialien aus Phosphasen und hrsenaten. Die Verwendung von Phosphaten und Arsenaten, insbesondere von Silberarsenaten, als elektrochemisch reduzierbares Material der aktiven Masse ist mit vielen Nachteilen verbunden, Zellen dieser Art besitzen eine unzureichende Lagerfähigkeit, da das Material der positiven Elektrodenmasse eine nicht zu vernachlässigende Löslichkeit im Elektrolyten besitzt.
  • Die elektrochemisch aktive Masse der positiven Elektrode wird nur bis zu 70 i' ausgenutzt, da die Zellenspannung stark abnimmt. Dadurch werden wertvolle Rohstoffe vergeudet. Infolge einer relativ niedrigen Spannungslage besitzen Zellen dieser Art eine nur geringe Energiedichte. Derartige Zellen können nicht für die Stromversorgung von hochempfindlichen elektronischen Geräten verwendet werden, die eine konstante Versorgungsspannung benötigen. Bei einer Belastung mit einer vorgegebenen konstanten Stromdichte nimmt die Zellenspannug mit der Zeit ungleichmäßig und in Stufen ab.
  • Es stellt sich daher die Aufgabe, ein galvanisches Element zu entwickeln, welches über eine hohe Energiedichte verfügt, dessen elektrochemisch aktive positive Masse im Elektrolyten unlöslich ist und weitestgehend für die stromliefernde Reaktion ausgenutzt werden kann. Um die Verwendung in empfindlfchen elektronischen Geräten zu erlauben, sollen derartige Zellen eine während der gesamten Entladedauer möglichst konstante Spannung aufweisen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der elektrochemisch reduzierbare Bestandteil der positiven Elektrodenmasse aus Schwermetall-Silikaten oder Schwermetall-Aluminaten besteht.
  • Für Zellen mit einer negativen Leichtmetallelektrode, insbesondere mit einer Lithiumelektrode, sind Schwermetall-Sillkate als Material der positiven Gegenelektrode aus mehreren Gründen besonders gut geeignet.
  • Die Metallionen der Schwermetall-Silikate werden durch die negative Leichtmetallelektrode, insbesondere eine Lithiumelektrode, besonders leicht elektrochemisch reduziert. Dadurch ist ein derartiges galvanisches Element auch mit besonders hohen Stromdichten belastbar, olive daß Polarisationserscheinungen auftreten.
  • Da die Schwermetall-Silikate im Vergleich zu den bekannten Materialien für die positive Elektrodenmasse, wie z.B. Silberchromat und Silberarsenat, im Elektrolyten praktisch unlöslich sind, besitzen galvanische Zellen dieser Art eine nahezu unbegrenzte Lagerfähigkeit.
  • Als elektrochemisch reduzierbare Bestandteile der positiven Elektrodenmasse kommen die Silikate der Schwermetalle Silber, Blei, Kupfer, Quecksilber, Nickel, Kobalt, Wismut, Eisen, Cadmium, Mangan und Zinn in Betracht. Die Silikate von Silber, Blei und Kupfer sind besonders gut geeignet.
  • Als Elektrolyte sind Lösungen von Lithiumsalzen, wie beispielsweise Li thiumperchlorat, Lithiumhexafluorarsenat, Lithiumhexafluorophosphat, Li thiumaluminiumchl ori d, Lithiumbromid und Lithiumborfluorid in organischen Lösungsmitteln, welche keine Protonen abspalten, geeignet. Als Lösungsmittel kommen beispielsweise Propylencarbonat, 1, 2-Dimethoxiäthan, Methylformiat, Tetrahydrofuran, Butyrolacton, 1, 3-Dioxolan, MethyLacetat, Acetonitril, Dimethylsulfit, Propylenglykolsulfit sowohl einzeln als auch in Mischungen in Betracht. Fur Zellen, die mit großen Stromdichten belastbar sind, ist eine 1,0 bis 1,4 molare, vorzugsweise 1,2 molare, Lösung von Lithiumperchlorat geeignet.
  • Zellen dieser Art lassen sich folgendermaßen konstruieren.
  • Zur Herstellung einer positiven Elektrode wird feinverteiltes Silikat mit 3 bis 5 Gew.-0/o, vorzugsweise 4 Gew.-%, Gra--phit als elektronisches Leitmittel und mit 0,4 bis 0,6 Gew.-'01a, vorzugsweise 0,5 Gew.-, eines Bindemittels, beispielsweise Polytetrafluoräthylen, gut vermischt und in die Form einer Elektrodentablette gepreßt. Diese Tablette ird mit einem engmaschigen Nickelnetz umgeben und in den Becher einer Knopfzelle gepreßt. Tabletten dieser Art haben eine Dicke von ca. 3 mm.
  • Auf die Tablette wird ein ca. 1,5 mm dicker Separator aus beispielsweise Polropylen- oder Glasvlies gelegt. Auf den Separator kann die Elektrolytlösung aufgetropft werden. Ein ca. 1,5 mm dickes Lithiumblech wird als negative Elektrode in ein Stück Nickel-Streckmetall, das an der Innenseite des Zellendeckels durch Punktschweißung befestigt ist, eingedrückt. Die Zellen können dann in üblicher Weise verschlossen werden.
  • Sflbersilikat ist wegen seiner hohen Energiedichte für positive Elektroaen dieser Art besonders geeignet. Dabei erweist sich als Elektrolyt eine ca. 1,2 molare Lösung von Lithiumperchlorat in einem Gemisch aus 30 bis 50 Vol.-%, vorzugsweise ca. 40 Vol.-'01o, Propylencarbonat und aus 50 bis 70 Vol.-°,b, vorzugsweise ca. Go Vol.-°h, 1,2-Dimethoiäthan als vorteilhaft. Zellen dieser Art besitzen eine Ruhespannung von 3,6 V und zeigen bei Belastung mit einer Stromdichte von 1 mA/cm² eine Entladespannung von 3 V. Mit einer Stromdichte von 1 mA/cm2 können Zellen dieser Art 50 Stunden lang entladen werden. Dabei ist die Zellenspannung nahezu konstant. Durch die Lage der Zellenspannung im Betrieb sind Zellen dieser Art mit zwei in Serie geschalteten Leclanché-Zellen austauschbar.
  • Neben Silbersilikat ist auch Bleisilikat als Elektrodenmaterial geeignet. Dabei kann derselbe Elektrolyt verwendet werden, wie er für eine Silbersilikat-Elektrode beschrieben wurde. Die Spannung beträgt dann 3,1 V und bei Belastung mit einer Stromdichte von 1 mA/cm² 1,6 V. Mit einer Stromdichte von 1 mA/cm² kann die Zelle bei nahezu konstanter Spannung für die Dauer von 100 Stunden entladen werden.
  • Für Zellen mit einer positiven Elektrode aus Kupfersilikat ist als Elektrolyt eine ca. 1,2 molare Lösung von ithiumperchlorat in einer Mischung aus 40 bis 60 Vol.-% vorzugsweise 50 Vol.-%, Propylencarbonat und aus 40 bis 60 Vol.-%, vorzugsweise 50 Vol.-%, Methylformiat geeignet.
  • Die negative Elektrode besteht vorteilhafterweise aus Lithium. Die Ruhespannung dieser Zellen beträgt 1,8 V, bei Belastung mit einer Stromdichte von 1 mA/cm2 können diese Zellen 70 Stunden lang entladen werden.
  • Neben Silikaten sind auch Aluminate als elektrochemisch aktive Substenz der positiven Elektrode geeignet. Insbesondere ist Kupferaluminat wegen seiner guten Lagerfähigkeit und günstigen Spannungslage gegenüber dem Lithium als positives Elektrodenmaterial geeignet.
  • Eine positive Elektrode mit Aluminaten als aktivem Bestandteil sollte zwischen 3 und 5 Gew.-%, vorzugsweise 4 Gew.-%', Graphit als elektronisches Leitmittel und 0,4 bis 0,6 Gew.-%, vorzugsweise 0,5 Gew.-%, eines Bindemittels, beispielsweise Polytetrafluoräthylen, enthalten. Als Elektrolyte sind die bel den Silikaten verwendeten Lösungen ebenfalls geeignet.
  • Eine Zelle mit Kupferaluminat als positiver Elektrodenmasse und einem 1 , 5 mm dicken Lithiumblech als Gegenelektrode zeigt eine Ruhespannung von 3,0 V und eine Entladespannung von 1,3 V bei eine@ Belastung mit einer Stromdichte von 1 mA/cm². Mit dieser Stromdichte kann die Zelle ca. 100 Stunden lang entladen werden.
  • In der Figur ist das Entladeverhalten erfindungsgemäßer galvenischer Elemente dargestellt. Die Kurve 1 zeigt die Abhängigkeit der Entladespannung U in Volt V von der Entladedauer t in Stunden h bei einer Entladestremdichte von 1 mA/cm² fr in Zelle mit einer positiven Elektrode aus Bleisilikat (PbSiO3). In Kurve 2 wird die für elne positive Elektrode aus Kupferaluminat (CuAl204) entsprechende Entladekurve dargestellt. Beide Entladekurven zeigen deutLich, daß die Entlade spannung erfindungsgemä-Eer Zellen während der gesamten Entladedauer nahezu konstant is+. Deshalb sind derartige Zellen insbesondere für empfindliche elektronische Geräte geeignet. Zellen dieser Art zeichnen sich durch eine nahezu unbegrenzte Lagerfähigkeit ohne Käpazitätsverluste aus. Sie besitzen eine hohe Energiedichte. Die Zellenspannung bleibt während der gesamten Entladedauer konstant. Die Spannungslage erlaubt einen Austausch mit konventionellen Systemen, beispielsweise vom Leclanché-Typ.
  • - Patentansprüche -

Claims (9)

  1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Galvanisches Element mit einer negativen Elektrode aus Leichtmetall, einem nic?twässrigen Elektrolyten und einer positiven Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrochemisch reduzierbare Bestandteil der positiven Elektrodenmasse aus Schwermetall-Silikaten oder Schwermetall-Aluninaten besteht.
  2. 2. Galvanisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrochemisch'reduzierbare Bestandteil der positiven Elektrodenmasse aus Silbersilikat besteht.
  3. 3. Galvanisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrochemisch reduzierbare Bestandteil der positiven Elektrodenmasse aus Bleisilikat besteht.
  4. Z Galvanisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrochemisch reduzierbare Bestandteil der positiven Elektrodenmasse aus Kupfersilikat besteht.
  5. 5. Galvanisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrochemisch reduzierbare Bestandteil der positiven Elektrodenmasse aus Kupferaluminat besteht.
  6. 6. Galvanisches Element nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Elektrode aus Lithium besteht.
  7. 7. Galvanisches Element nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt aus einer ca.
    1,2-molaren Lösung von Lithiumperchlorat in einem Gemisch von Propylencarbonat und 1,2-Dimethoxiäthan im Volumenverhältnis von ca. 40 : 60 besteht.
  8. 8. Galvanisches Element nach den Ansprüchen 1, 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt aus einer ca. 1,2-molaren Lösung von Lithiumperchlorat in einem Gemisch von Propylencarbonat und Methylformiat im Volumenverhä.ltnis von ca. 1 : 1 besteht.
  9. 9. Galvanisches Element nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der positiven Elektrodenmasse ca. 4 Gew.-% Graphit und ca. 0,5 Gew.-SS Polytetrafluorathylen in deine Verteilung zugemischt sind.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2449339A1 (fr) * 1979-02-14 1980-09-12 Saft Leclanche Matiere active positive pour generateur electrochimique
EP0015401A1 (de) * 1979-02-14 1980-09-17 Gipelec S.A. Elektrochemischer Generator mit nicht wässrigem Elektrolyt
FR2469013A1 (fr) * 1979-11-06 1981-05-08 South African Inventions Element electrochimique notamment cathode d'accumulateur et son procede de fabrication
EP0687025A1 (de) * 1994-05-12 1995-12-13 Fuji Photo Film Co., Ltd. Nichtwasserlische Sekundärbatterie

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