DE2600638A1 - PRE-SHAPED CATHODE, METHOD OF MANUFACTURING IT AND EQUIPPED WITH IT, ELECTRO-CHEMICAL ELEMENT - Google Patents
PRE-SHAPED CATHODE, METHOD OF MANUFACTURING IT AND EQUIPPED WITH IT, ELECTRO-CHEMICAL ELEMENTInfo
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Description
DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL-ING. KLAUS BERNHARDTDR. CLAUS REINLÄNDER DIPL-ING. KLAUS BERNHARDT
D-8 München 60 · Orthstraße 12 · Telefon 832024/5 Telex 5212744 · Telegramme InterpatentD-8 Munich 60 Orthstrasse 12 Telephone 832024/5 Telex 5212744 Telegram Interpatent
g, Jan. 1976g, Jan. 1976
G2 P15 DG2 P15 D
GTE LABORATORIES INCORPORATED Wilmington, Delaware, USAGTE LABORATORIES INCORPORATED Wilmington, Delaware, USA
Vorgeformte Kathode, Verfahren zu ihrer Herstellung und mit ihr ausgestattetes elektro-chemisches ElementPreformed cathode, process for its manufacture and electrochemical element equipped with it
Priorität: 9. Januar 1975 - USA - Ser. No. 539Priority: Jan 9, 1975 - USA - Ser. No. 539
Es wird eine vorgeformte Kathode zur Verwendung in einem elektro-chemischen Element beschrieben. Die vorgeformte Kathode nach der Erfindung ist ein halbsteifes Bauelement, deren Aufbau durch die räumlichen Begrenzungen des speziellen elektro-chemischen Elementes bestimmt ist, in dem die Kathode verwendet werden soll. Die Kathode wird aus etwa 40 bis 99 Gew.#A preformed cathode for use in an electrochemical element is described. The preformed Cathode according to the invention is a semi-rigid component, the structure of which is due to the spatial limitations of the special Electro-chemical element is determined in which the cathode is to be used. The cathode is made from about 40 to 99 wt.
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Ruß, wenigstens 1 % eines mechanischen Binders, der in dem elektro-chemischen Element inert ist, Rest Graphit gebildet. Die vorgeformte Kathode wird dadurch geformt, daß die einzelnen Bestandteile mit einer Menge einer geeigneten Flüssigkeit zusammengemischt werden, so daß eine gleichförmige Aufschlämmung entsteht. Die Aufschlämmung wird nach üblichen Verfahren wie Walzen, Formen oder Extrudieren in die gewünschte Form gebracht. Danach wird die vorgeformte Kathode für eine ausreichende Zeitspanne gehärtet, um praktisch alle Flüssigkeit zu entfernen und den mechanischen Binder zu stabilisieren".Carbon black, at least 1 % of a mechanical binder that is inert in the electrochemical element, the remainder graphite. The preformed cathode is formed by mixing the individual ingredients together with an amount of a suitable liquid to form a uniform slurry. The slurry is formed into the desired shape by conventional methods such as rolling, molding or extrusion. The preformed cathode is then cured for a period of time sufficient to remove virtually all liquid and stabilize the mechanical binder ".
Die Erfindung betrifft allgemein elektro-chemische Elemente und insbesondere eine neuartige vorgeformte Kathode zur Verwendung in diesen Zellen und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.The invention relates generally to electrochemical elements and, more particularly, to a novel preformed cathode for use in these cells and a process for their preparation.
Elektro-chemische Elemente werden in großem Umfang verwendet und sind in einem erheblichen Sortiment von Größen und Formen allgemein verfügbar. Weiter sind eine Anzahl elektro-chemischer Systeme bekannt, die in solche elektro-chemische Elemente eingebaut werden können. Ein großer Teil dieser Systeme arbeitet mit Kohlenstoff als Kathodenmaterial. Typischerweise wurde das Kohlenstoff-Kathodenmaterial als Paste geformt und als solche in dem Behälter des elektro-chemischen Elementes untergebracht. Wegen der flüssigen Form dieser Paste war es trotz ihrer Viskosität notwendig, einen schweren Separator zwischen das Kohlenstoff-Kathodenmaterial und das spezielle verwendete Anodenmaterial zu bringen. Dieser Separator war erforderlich, um einen direkten Kontakt zwischen der Anode und dem Kathodenmaterial zu verhindern. Notwendigerweise wurden diese Separatoren ziemlich dick, um eine Selbstentladung des Elementes durch interne Kurzschlüsse zwischen Kathoden- und Anodenmaterial zu verhindern. Ein solches dickes Separatormaterial erhöht naturgemäß den Innenwiderstand des Elementes, so daß die Ausgangsleistung, die daraus gewonnen werden kann, verringert wird.Electro-chemical elements are used extensively and come in a substantial assortment of sizes and shapes generally available. A number of electrochemical systems are also known which are built into such electrochemical elements can be. A large part of these systems work with carbon as the cathode material. Typically that was Carbon cathode material molded as a paste and accommodated as such in the container of the electrochemical element. Because of the liquid form of this paste, despite its viscosity, it was necessary to place a heavy separator between the carbon cathode material and bring the specific anode material used. This separator was required to make a direct To prevent contact between the anode and the cathode material. Necessarily, these separators became quite thick, to prevent self-discharge of the element through internal short circuits between the cathode and anode material. One such thick separator material naturally increases the internal resistance of the element, so that the output power gained from it can be reduced.
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Bekannte elektro-chemische Elemente arbeiten üblicherweise mit Graphitstäben als Kathodenstromkollektoren. Wegen der viskösflüssigen Natur der Kohlenstoffpaste ist der elektrische Kontakt zwischen dem Stromkollektor und der Kohlenstoffpaste ungleichförmig und unvorhersehbar. Darüber hinaus leidet die Graphitstabstromkollektor-Kohlenstoffpaste-Kathode unter erheblichen mechanischen Nachteilen, da die Verbindung zwischen dem Graphitstab und dem Elementanschluß nur dadurch erreicht wird, daß ein Ende des Graphitstabes in einer Metallkappe gefangen wird, die als Elementanschluß dient. Die Verbindung wird durch Druckkräfte erreicht, die während der Herstellung auf die Kappe ausgeübt werden. Diese Anordnung ist Schäden durch externe Stöße und Vibrationskräfte ausgesetzt.Known electro-chemical elements usually work with it Graphite rods as cathode current collectors. Because of the viscous liquid nature of the carbon paste, the electrical contact is between the current collector and the carbon paste non-uniform and unpredictable. In addition, the graphite rod current collector carbon paste cathode suffers with considerable mechanical disadvantages, since the connection between the graphite rod and the element connection is only achieved in that one end of the graphite rod is caught in a metal cap which serves as the element connection. The connection is made by compressive forces that are applied to the cap during manufacture. This arrangement is damage from external impact and exposed to vibration forces.
Durch die Erfindung soll eine neuartige und verbesserte Kathodenstruktur zur Verwendung in elektro-chemischen Elementen verfügbar gemacht werden, die wenigstens halbsteif oder halbfest ist.The invention aims to provide a novel and improved cathode structure be made available for use in electrochemical elements that is at least semi-rigid or semi-rigid.
Weiter soll durch die Erfindung ein Kathodenmaterial verfügbar gemacht werden, das einen besseren und gleichförmigeren elektrischen Kontakt mit einem Stromkollektor ergibt.Another object of the invention is to provide a cathode material that is better and more uniform results in electrical contact with a current collector.
Weiter soll durch die Erfindung eine neuartige und verbesserte Kathode verfügbar gemacht werden, die mehr aktives Kohlenstoffmaterial enthält und bei der die Möglichkeit von interren Kurzschlüssen des Elementes erheblich reduziert ist.Another aim of the invention is to provide a novel and improved cathode which is more active carbon material contains and with the possibility of internal short circuits of the element is significantly reduced.
Weiterhin soll durch die Erfindung eine neuartige und verbesserte Kathode verfügbar gemacht werden, die dazu verwendet werden kann, eine stärkere Elektrodenstruktur zu erhalten und die Probleme zu vereinfachen, die bei der Automatisierung der Herstellung von elektro-chemischen Elementen auftreten.Furthermore, a novel and improved cathode is to be made available by the invention, which can be used to to obtain a stronger electrode structure and to alleviate the problems involved in automating the manufacture of electro-chemical elements occur.
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Ferner soll durch die Erfindung eine neuartige und verbesserte Kathode verfügbar gemacht werden, die homogener ist, leichter geformt werden kann, besser reproduzierbar ist und bei Herstellungs-Bearbeitungsvorgängen" leichter gehandhabt werden kann.A further aim of the invention is to make available a novel and improved cathode which is more homogeneous, lighter can be shaped, is more reproducible and in manufacturing processing operations " can be handled more easily.
Gemäß dem breitesten Aspekt besteht die Erfindung aus einer neuartigen und verbesserten'vorgeformten Kathode für elektrochemische Elemente und einem Verfahren zu ihrer Herstellung. Die vorgeformte Kathode besteht aus einem halbsteifen oder halbfesten Bauelement von vorgegebener Form, das in das elektrochemische Element eingesetzt werden kann und die folgende Zusammensetzung hat: von etwa 40 bis 99 Gew.% Ruß, wenigstens 1 Gew.% eines mechanischen Bindemittels, das in dem elektrochemischen Element inert ist, Rest Graphit. Das Verfahren zur Herstellung der vorgeformten Kathode besteht aus der folgenden Schrittfolge. Eine Menge Ruß wird mit einer effektiven Menge einer geeigneten Flüssigkeit gemischt, so daß eine gleichförmige Aufschlämmung entsteht. Eine Menge eines mechanischen Bindemittels, das in dem elektro-chemischen Element inert ist, wird der Aufschlämmung hinzugefügt, wobei die Bindemittelmenge wenigstens 1 Gew. % der resultierenden vorgeformten Kathode ausmacht. Die Aufschlämmung wird erneut gemischt, um den Binder gleichförmig durch die Aufschlämmung zu verteilen. Die Aufschlämmung wird in die gewünschte Form für die vorgeformte Kathode gebracht. Schließlich wird die feuchte vorgeformte Kathode eine ausreichende Zeit lang gehärtet, um praktisch die gesamte Flüssigkeit zu entfernen und den mechanischen Binder zu stabilisieren, so daß ein halbsteifes oder halbfestes Bauelement mit einer überlegenen Dichte hergestellt wird, das in das elektro-chemische Element eingesetzt werden kann.According to the broadest aspect, the invention consists of a novel and improved preformed cathode for electrochemical elements and a method for their production. The preformed cathode consists of a semi-rigid or semi-rigid component of a predetermined shape which can be inserted into the electrochemical element and has the following composition: from about 40 to 99% by weight of carbon black, at least 1% by weight of a mechanical binder that is contained in the The electrochemical element is inert, the remainder being graphite. The process for making the preformed cathode consists of the following sequence of steps. A quantity of carbon black is mixed with an effective amount of a suitable liquid to form a uniform slurry. A quantity of a mechanical binder which is inert in the electro-chemical element is added to the slurry, wherein the amount of binder amounts to at least 1 wt.% Of the resulting preformed cathode. The slurry is remixed to distribute the binder evenly through the slurry. The slurry is formed into the desired shape for the preformed cathode. Finally, the wet preformed cathode is cured for a time sufficient to remove virtually all of the liquid and stabilize the mechanical binder to produce a semi-rigid or semi-rigid component of superior density which can be inserted into the electrochemical element .
Weitere Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen:Further objects, advantages and features of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments in connection with the drawing; show it:
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Flg. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines elektro-chemischen Elementes nach der Erfindung undFlg. 1 is a partially sectioned side view of a electro-chemical element according to the invention and
Fig. 2 eine Seitenansicht einer vorgeformten Kathode nachFigure 2 is a side view of a preformed cathode according to FIG
der Erfindung mit eingebautem Kathodenstromkollektor zur Verwendung in dem elektro-chemischen Element nach Fig. 1.of the invention with a built-in cathode current collector for use in the electrochemical element according to Fig. 1.
Das in Fig. 1 dargestellte elektro-chemische Element nach der Erfindung ist allgemein mit 10 bezeichnet. Das elektro-chemische Element 10 besteht aus einem zylindrischen Außengehäuse 12, das an einem Ende geschlossen ist und dazu dient, das gewünschte elektro-chemische System aufzunehmen. In vielen Ausführungsformen wird das Außengehäuse 12 aus einem leitenden Material hergestellt und wirkt als erster Anschluß des elektro-chemischen ElementesThe electrochemical element according to the invention shown in FIG. 1 is designated generally by 10. The electro-chemical Element 10 consists of a cylindrical outer housing 12, which is closed at one end and serves the desired electro-chemical system to include. In many embodiments, the outer housing 12 is made from a conductive material and acts as the first connection of the electro-chemical element
In der dargestellten Ausführungsform ist eine Lage Anodenmaterial 14 in mechanischem und elektrischem Kontakt mit einem leitenden Außengehäuse 12 über den größten Teil der Innenlänge und des Umfangs des Gehäuses 12 angeordnet. In gewissen AusfUhrungsformen steht die Anode auch in Kontakt mit dem Boden des Gehäuses 12. Ein dünner Separator 16 ist innerhalb des Ringes aus Anodenmaterial 14 angeordnet und erstreckt sich über dessen ganze Länge, um eine elektrische Isolierung zwischen dem Kathoden- und Anodenmaterial zu gewährleisten. In der Mitte des elektrochemischen Elementes 10 befindet sich eine vorgeformte Kohlenstoff kathode 18 nach der Erfindung. Im Raum zwischen der vorgeformten Kathode 18 und dem Separator 16 befindet sich ein Entpolarisierer 19, der auch/die poröse Kathode 18 und den Separator 16 diffundiert. Ein Kathodenstromkollektor 20 ist in die vorgeformte Kathode 18 über den größten Teil von dessen Länge eingepresst. Ein Oberteil 24 des Kathodenstromkollektors 20 ist speziell vorgesehen, um den Kathodenstromkollektor 20 an einer metallnen Kathodenanschlußkappe 22 zu befestigen. DieIn the illustrated embodiment, a layer of anode material 14 is in mechanical and electrical contact with a conductive one Outer housing 12 is arranged over the greater part of the inner length and the circumference of the housing 12. In certain embodiments the anode is also in contact with the bottom of the housing 12. A thin separator 16 is within the ring of anode material 14 and extends over its entire length to provide electrical insulation between the cathode and anode material. In the middle of the electrochemical element 10 is a preformed carbon cathode 18 according to the invention. A depolarizer is located in the space between the preformed cathode 18 and the separator 16 19, which also / the porous cathode 18 and the separator 16 diffuses. A cathode current collector 20 is in the preformed cathode 18 pressed in over most of its length. An upper part 24 of the cathode current collector 20 is specifically provided to attach the cathode current collector 20 to a metal cathode terminal cap 22. the
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Kathodenanschlußkappe 22 ist in das offene Ende des Außengehäuses 12 eingepaßt und mittels eines Isolierrings 30
elektrisch dagegen isoliert. Der Isolierring 30 reitet gegen eine Innenschulter 32 im Außengehäuse 12 oberhalb der elektrochemischen
Materialien des Elementes. Der Ring 30 stützt die Kathodenanschlußkappe 22 dadurch ab, daß er einen sich radial
erstreckenden unteren Flansch 26 einer Kappe 22 in einer
Innennut 28 aufnimmt. Eine oberseitige Lippe 34 des Außengehäuses
12 ist über die Oberseite des Rings 30 gerollt oder gebördelt, um die verschiedenen aneinanderpassenden Oberflächen
in dichtende Berührung zu bringen.Cathode connection cap 22 is fitted into the open end of the outer housing 12 and by means of an insulating ring 30
electrically isolated against it. The insulating ring 30 rides against an inner shoulder 32 in the outer housing 12 above the electrochemical materials of the element. The ring 30 supports the cathode terminal cap 22 by having a radially extending lower flange 26 of a cap 22 in a
Inner groove 28 receives. A top lip 34 of the outer housing 12 is rolled or crimped over the top of the ring 30 to bring the various mating surfaces into sealing contact.
Eine vorgeformte Kathode nach der Erfindung hat die folgende allgemeine Zusammensetzung: von etwa 40 bis 99 Gew.% Ruß,
wenigstens 1 Gew.% mechanisches Bindemittel, das im elektrochemischen
Element inert ist, Rest Graphit. Die folgende Tabelle gibt eine Anzahl Beispiele für spezielle vorgeformte Kohlenstoff
kathoden-Zusammensetzungen nach der Erfindung:A preformed cathode according to the invention has the following general composition: from about 40 to 99% by weight carbon black,
at least 1% by weight of mechanical binder which is inert in the electrochemical element, the remainder being graphite. The following table gives a number of examples of specific preformed carbon cathode compositions according to the invention:
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Nr.example
No.
Gew.%graphite
Weight%
Gew.%soot
Weight%
Polymer-Binder
Gew.%Fluorocarbon
Polymer binder
Weight%
Das bei der Herstellung der vorgeformten Kathoden benutzte Graphit und der dabei benutzte Ruß haben vorzugeweise handelsüblichen Reinheitsgrad oder einen höheren Reinheitsgrad. Die Partikelgröße des Graphits wird vorzugsweise unter etwa 20 A Sieböffnung (650 mesh) gehalten, und der verwendete Ruß wird vorzugsweise etwa 50 % komprimiert. Diese bevorzugten Daten für Graphit und Ruß werden gewählt, um ein homogenes Produkt zu gewährleisten, das nicht zu einer Verschlechterung der Entlfldungsparameter des Elementes dadurch beiträgt, daß reaktionsfähige Verunreinigungen in die Zelle eingebracht werden.The graphite and carbon black used in the manufacture of the preformed cathodes are preferably of a commercial grade or a higher grade of purity. The particle size of the graphite is preferably kept below about 20 Å (650 mesh) and the carbon black used is preferably about 50 % compressed. These preferred data for graphite and carbon black are selected in order to ensure a homogeneous product which does not contribute to a deterioration in the discharge parameters of the element by introducing reactive impurities into the cell.
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Der bevorzugte mechanische Binder oder das Bindemittel zur Verwendung in den vorgeformten Kathoden nach der Erfindung ist ein Fluorocarbon-Polymer, das in dem elektro-chemischen Element nach der Erfindung inert ist. Zwei Beispiele für bevorzugte Fluorocarbon-Polymere, die im Zusammenhang mit der Erfindung besonders brauchbar sind, werden mit den Handelsbezeichnungen Teflon und KeI-F bezeichnet. Teflon ist ein eingetragenes Warenzeichen der Firma E.I. duPont de Nemours and Company für Tetrafluoroäthylen-Fluorocarbon-Polymere und fluorierte Äthylen-Propylen-Harze. KeI-F ist ein eingetragenes Warenzeichen der Firma 3M Company für eine Reihe von Fluorocarbon-Produkten, einschließlich Polymeren von Chlorotrifluoroäthylen und gewisse Copolymere* In den Beispielen der vorangegangenen Tabelle können irgendwelche dieser im Handel verfügbaren Fluorocarbon-Polymere mit im wesentlichen gleichwertigen Ergebnissen verwendet werden. Die Funktion des Fluorocarbon-Polymers nach der Erfindung ist es, die mechanische Festigkeit der Kathode dadurch zu stabilisieren, daß kettenartige Verbindungen zwischen den verschiedenen Graphit- und Ruß-Partikeln gebildet werden, so daß ein mechanisches Verbindungsnetzwerk gebildet wird, so daß eine halbfeste oder halbsteife Form für die vorgeformte Kathode erreicht werden kann.The preferred mechanical binder or binder to use in the preformed cathodes according to the invention is a fluorocarbon polymer, which in the electro-chemical element according to of the invention is inert. Two examples of preferred fluorocarbon polymers that are particularly useful in connection with the invention are referred to with the trade names Teflon and KeI-F. Teflon is a registered trademark of the company EGG. duPont de Nemours and Company for tetrafluoroethylene fluorocarbon polymers and fluorinated ethylene-propylene resins. KeI-F is a registered trademark of the 3M Company for a range of fluorocarbon products including polymers of chlorotrifluoroethylene and certain copolymers * in the examples Any of these commercially available fluorocarbon polymers with essentially equivalent results are used. The function of the fluorocarbon polymer according to the invention is to provide mechanical Stabilize the strength of the cathode by creating chain-like connections between the various graphite and soot particles be formed so that a mechanical interconnection network is formed, so that a semi-rigid or semi-rigid form for the preformed cathode can be reached.
Die speziellen Zusammensetzungen für die vorgeformte Kathode, die derzeit bevorzugt werden, sind, in Gewichtsprozent:The specific compositions for the preformed cathode that are currently preferred are, in percent by weight:
Die speziell gewählte Zusammensetzung ergibt eine Kathode mit unterschiedlichen Porositätseigenschaften. Diese Variationsmöglichkeit der Porosität ist günstig, weil sie eine entsprechende Variationsmöglichkeit der Entladungsraten ermöglicht, die von den erhaltenen elektro-chemischen Elementen verfügbar ist.The specially selected composition results in a cathode with different porosity properties. This possibility of varying the porosity is favorable because it provides a corresponding Possibility to vary the discharge rates that is available from the electrochemical elements obtained.
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OWGSNAL INSPECTEDOWGSNAL INSPECTED
Die vorgeformte Kathode nach der Erfindung wird nach einem Verfahren hergestellt, das ebenfalls Teil der Erfindung ist. Als spezielles Beispiel für dieses Verfahren wird das folgende Vorgehen geschildert.The preformed cathode according to the invention is manufactured by a method which is also part of the invention. The following procedure is described as a specific example of this method.
Etwa 350 g Ruß werden trocken etwa 15 Stunden lang mit etwa 35 g Graphit gemischt. Etwa 6 1 einer 50 %±gen Isopropanol-Lösung in Wasser werden der trockenen Mischung aus Ruß und Graphit hinzugefügt. Dieses wird etwa 2 Stunden gemischt. Etwa 5 Gew.% der trockenen Mischung von Teflon in Suspension wird der Aufschlämmung aus Kohlenstoff und Graphit als mechanischer Binder hinzugefügt, und das Mischen fortgeführt, um das Teflon gleichförmig durch die Aufschlämmung zu dispergieren. Überschüssige Isopropanol-Lösung kann ausgepresst werden. Der Rest hat jetzt Form eines Teiges, der zu der gewünschten Form, beispielsweise einem Zylinder, geformt wird. Die geformten feuchten Kathoden werden anfänglich etwa 15 Stunden lang bei Zimmertemperatur getrocknet und dann bei etwa 300° C etwa 2-3 Stunden lang gehärtet.About 350 grams of carbon black is dry mixed with about 35 grams of graphite for about 15 hours. About 6 liters of a 50 % isopropanol solution in water are added to the dry mixture of carbon black and graphite. This is mixed for about 2 hours. About 5% by weight of the dry mixture of Teflon in suspension is added to the slurry of carbon and graphite as a mechanical binder and mixing continued to uniformly disperse the Teflon throughout the slurry. Excess isopropanol solution can be pressed out. The rest is now in the form of a dough, which is shaped into the desired shape, for example a cylinder. The formed wet cathodes are initially dried for about 15 hours at room temperature and then cured at about 300 ° C for about 2-3 hours.
Die relativen Konzentrationen von Ruß, Graphit und mechanischem Bindemittel können entsprechend den oben angegebenen Bereichen variiert werden.The relative concentrations of carbon black, graphite and mechanical binder can be according to the ranges given above can be varied.
Die trockene Mischung von Ruß und Graphit erfolgt, um eine gleichförmige Verteilung der Ruß- und Graphitpartikel zu erreichen. Die für diesen Vorgang erforderliche Zeit hängt hauptsächlich von der benutzten Einrichtung ab. Tatsächlich kann in den Fällen, in denen keine Graphitpartikel verwendet werden, oder in denen ausreichende Zeit für die Naßmischung verwendet wird, das Trockenmischen weggelassen werden, beim derzeit bevorzugten Verfahren wird jedoch trockengemischt.The dry mixture of carbon black and graphite is made to be a uniform To achieve distribution of the soot and graphite particles. The time required for this process mainly depends on the facility used. Indeed, in those cases where graphite particles are not used, or where if sufficient time is used for wet mixing, dry mixing can be omitted, which is currently preferred However, process is dry blended.
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Die Flüssigkeit kann beliebig gewählt werden, solange sie Ruß- und Graphitpartikel erfolgreich benetzt. Die zu verwendende Flüssigkeitsmenge variiert entsprechend der Wahl der Flüssigkeit und den Eigenschaften des Teiges, die für den speziellen Formvorgang benötigt werden. Die Festlegung von solchen wirksamen Mengen stellt für den Durchschnittsfachmann eine Routineüberlegung dar.Any liquid can be chosen as long as it successfully wets soot and graphite particles. The one to use The amount of liquid will vary according to the choice of liquid and the properties of the dough used for the particular molding process are needed. Establishing such effective amounts is a routine consideration for those of ordinary skill in the art represent.
Vorzugsweise wird als Flüssigkeit eine solche gewählt, die vollständig verflüchtigt, so daß kein verunreinigender Rest in der Kathode zurückbleibt. Wenn dieser Rest Jedoch gegen die Chemikalien in dem elektro-chemischen Element inert ist, kann auch eine nicht vollständig verflüchtigbare Flüssigkeit verwendet werden, solange der Rest die Kathodenzusammensetzung nicht merklich beeinflußt.The liquid selected is preferably one which is completely volatilized, leaving no contaminating residue in the Cathode remains. However, if this residue is inert to the chemicals in the electro-chemical element, so can a liquid that is not completely volatilizable can be used as long as the remainder does not contain the cathode composition noticeably affected.
Die folgenden Chemikalien sind als Flüssigkeiten bei der Durchführung der Erfindung verwendgar: Glykole, beispielsweise Äthylenglykol, Butylenglykol und 2,3-Hexandiol, Alkohole, insbesondere Alkohole mit niedrigem Molekulargewicht, wie Methanol, Äthanol und Isopropanolf Ketone, wie Azeton, Methyl-Äthyl-Keton und Diäthyl-Keton, Kohlenwasserstoffe, wie 2-Ethoxy-Äthanol, 2-Benzyloxy-Äthanol, 2-Butoxy-Äthanol und 2-Methoxy-Äthanol; Amide, wie Formamid; Amine, wie Isobutylamin und Tert-Butylamin; Wasser, und Mischungen derselben, insbesondere Mischungen von Wasser mit den übrigen Flüssigkeiten. Wasser, Glykole, Alkohole und deren Mischungen werden jedoch derzeit als Flüssigkeiten bevorzugt.The following chemicals are considered liquids when performing of the invention use: glycols, for example ethylene glycol, butylene glycol and 2,3-hexanediol, alcohols, in particular Low molecular weight alcohols such as methanol, ethanol and isopropanol ketones such as acetone, methyl ethyl ketone and diethyl ketone, hydrocarbons such as 2-ethoxy-ethanol, 2-benzyloxy-ethanol, 2-butoxy-ethanol and 2-methoxy-ethanol; Amides such as formamide; Amines such as isobutylamine and tert-butylamine; Water, and mixtures thereof, in particular mixtures of water with the other liquids. Water, glycols, alcohols however, their mixtures are presently preferred as liquids.
Die Zeit für die Naßmischung ist die Zeitspanne, die erforderlich ist, eine gleichförmige Aufschlämmung der verschiedenen Bestandteile zu erhalten. Diese Zeitspanne wird durch die spezielle verwendete Einrichtung, die gewählten Flüssigkeiten und die Mischung der Bestandteile in der Aufschlämmung beeinflußt.Wet mix time is the amount of time required for the various ingredients to become uniformly slurry to obtain. This length of time is determined by the particular equipment used, the fluids selected, and the Mixing of the ingredients in the slurry affects.
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Wie oben erwähnt, kann irgendein Formprozeß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden, bei dem ein hochvisköses Medium verwendet wird. Extrudieren, Walzen und Formen werden derzeit als Formprozesse bevorzugt. Die spezielle gewählte Arbeitsweise wird meist durch die spezielle Form entschieden, in die der Teig zu formen ist. Diese Tatsache bildet eines der wichtigsten Merkmale der Erfindung, da die Kathode irgendeine Form haben kann, die vom Elementkonstrukteur als wünschenswert angesehen wird.As mentioned above, any molding process can be used in the invention Processes are used in which a highly viscous Medium is used. Extrusion, rolling and molding are currently preferred as molding processes. The special chosen The way of working is usually decided by the special shape in which the dough is to be shaped. This fact constitutes one of the most important features of the invention since the cathode can be of any shape that is desirable by the element designer is seen.
Das Härten bei dem Verfahren erfüllt zwei getrennte Funktionen. Erstens wird die Flüssigkeit aus der geformten Kathode entfernt. Zweitens wird der mechanische Binder gehärtet, so daß die Binderpartikel verkettet werden, wobei die Kohlenstoffpartikel in einer resultierenden hochporösen Matrix gefangen werden. Diese beiden Funktionen können getrennt oder gleichzeitig durchgeführt werden, und die erforderliche Zeit und Temperatur hängen davon ab, welche Flüssigkeit und welcher mechanische Binder verwendet wird, sowie von der kommerziellen Praktikabilität, da allgemein eine Erhöhung der Temperatur die Prozeßzeit verkürzt.The hardening in the process serves two separate functions. First, the liquid is removed from the shaped cathode. Second, the mechanical binder is hardened so that the binder particles become chained with the carbon particles in a resulting highly porous matrix. These two functions can be performed separately or simultaneously and the time and temperature required will depend on the liquid and mechanical binder used as well as commercial practicability, since generally increasing the temperature shortens the process time.
Die'vorgeformten Kohlenstoffkathoden nach der Erfindung sind zur Verwendung in elektro-chemischen Elementen, die lösliche Entpolarisatoren haben, die elektro-chemisch auf einer Kohlenstoff kathode mit großer Oberfläche reduziert werden können, insbesondere Elementen mit einer Alkalimetallanode und einer nicht wässrigen Elektrolytlösung bestimmt. In die erstere Gruppe gehören die bekannten Zinkkohlenelemente. Zur letzteren Gruppe gehört eine vor relativ kurzer Zeit entwickelte Klasse von Elementen, bei denen der lösliche Entpolarisator im wesentlichen aus einem anorganischen Oxyhalogenid von Schwefel oder Phosphor besteht. Das vielversprechendste Element dieser Art hat eine Lithiumanode und als löslichen Entpolarisator Phosphoroxychlorid, Thionylchlorid oder Sulfurylchlorid.Die'vorformten carbon cathodes according to the invention are for use in electro-chemical elements that have soluble depolarizers that are electro-chemically on a carbon Cathode with a large surface area can be reduced, especially elements with an alkali metal anode and a not determined in aqueous electrolyte solution. The well-known zinc carbon elements belong to the first group. To the latter group belongs to a relatively recently developed class of elements in which the soluble depolarizer is essentially consists of an inorganic oxyhalide of sulfur or phosphorus. The most promising element of this species has one Lithium anode and, as a soluble depolarizer, phosphorus oxychloride, thionyl chloride or sulfuryl chloride.
.../12... / 12
609829/0783609829/0783
26G063826G0638
Elektro-chemische Elemente mit Lithiumanoden und Depolarisatoren, die zu dieser Gruppe gehören, haben sich als besonders brauchbar zur Verwendung mit den vorgeformten Kohlenkathoden erwiesen, insbesondere in Kombination mit einem metallischen Stromkollektor. Solche Zellen ergeben einen besseren und gleichförmigeren Kontakt zwischen der Kathode und dem Stromkollektor, da die Kathoden sich während der Entladung ausdehnen, so daß der Kontakt zwischen der Kathode und dem Kollektor verbessert wird und der Raum zwischen der Anode und der Kathode gefüllt wird.Electro-chemical elements with lithium anodes and depolarizers belonging to this group have been found to be particularly useful Proven for use with the preformed carbon cathodes, particularly in combination with a metallic current collector. Such cells give better and more uniform contact between the cathode and the current collector than the cathodes expand during the discharge, so that the contact between the cathode and the collector is improved and the space is filled between the anode and the cathode.
Die Wahrscheinlichkeit eines intrazellularen Kurzschlusses wird erheblich reduziert, da das Kathodenmaterial eine definierte Form hat und nicht durch einen Separator diffundieren kann, um mit der Anode in Kontakt zu kommen. Deshalb können in Elementen mit vorgeformten Kathoden verwendete Separatoren sehr dünn sein oder in einigen Fällen tatsächlich weggelassen werden, so daß der interne Elementwiderstand erheblich reduziert wird.The likelihood of an intracellular short circuit is significantly reduced because the cathode material is a defined Has shape and cannot diffuse through a separator to come into contact with the anode. Therefore, in elements Separators used with preformed cathodes can be very thin or in some cases actually omitted so that the internal element resistance is significantly reduced.
Schließlich ergibt sich ersichtlich ein kräftigeres, leichter herzustellendes elektro-chemisches Element durch den Einbau einer vorgeformten Kohlenstoffkathode. Dadurch, daß die Kathoden an die metallischen Stromkollektoren angepaßt werden, wird eine Unterbaueinheit gebildet, die erheblich robuster ist als bekannte Strukturen und die während des Elementherstellungsverfahrens vormontiert werden kann.Finally, a stronger, easier-to-manufacture electrochemical element results from the installation of a preformed carbon cathode. By having the cathodes on The metallic current collectors are adapted, a substructure is formed, which is considerably more robust than known Structures and which can be pre-assembled during the element manufacturing process.
609829/0783609829/0783
ORlGmAL INSPECTED ORlGmAL INSPECTED
Claims (16)
Ruß 65 - 993. Cathode according to claim 2, characterized in that it has the following composition in percent by weight: graphite 0-30
Soot 65 - 99
polymerFluorocarbon- ι - ίο
polymer
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| US4818647A (en) * | 1987-03-20 | 1989-04-04 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Method of making a cathode for use in a rechargeable lithium battery, cathode so made, and rechargeable lithium battery including the cathode |
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