DE2817776A1 - POSITIVE ELECTRODE FOR SOLID LITHIUM ELEMENTS - Google Patents

POSITIVE ELECTRODE FOR SOLID LITHIUM ELEMENTS

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DE2817776A1
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Ashok Venimadhav Joshi
Charles Chi Liang
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Description

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DIPL-ΙΝΘ. R. LEMCKE
DR.-IN6. H. J. BROMMER
DIPL-ΙΝΘ. R. LEMCKE
DR.-IN6. HJ BROMMER

PATENTANWÄLTE KARLSRUHE 1PATENT LAWYERS KARLSRUHE 1

P. R. MALLORY & GO. INC., 3029 East Washington Street, Indianapolis, Indiana 46206, USA PR MALLORY & GO. INC., 3029 East Washington Street, Indianapolis, Indiana 46206, USA

Positive Elektrode für Festkörper-Lithiumelemente Positive electrode for solid-state lithium elements

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Die Erfindung bezieht sich auf elektrochemische Zellen mit hoher Energiedichte, wobei Feststoff-Elektrolyse, feste negative Elektroden aus einem Aktivmetall und neuartige positive Feststoff-Elektroden verwendet werden. Sie bezieht sich insbesondere auf solche Zellen,t in denen die positiven Elektroden ein Aktivmaterial enthalten, das sowohl Ionen als auch Elektronen leitet.The invention relates to electrochemical cells with high energy density using solid electrolysis, solid negative electrodes made of an active metal and novel solid positive electrodes. It relates in particular to such cells in which t the positive electrodes contain an active material that conducts both ions and electrons.

In der jüngeren Vergangenheit hat die Elektronik insbesondere im Hinblick auf integrierte Schaltkreise für Quarzuhren, Taschenrechner, Kameras, Herzschrittmacher u. dgl. eine stürmische Entwicklung durchgemacht. Die Miniaturisierung dieser Bausteine, der geringe Energieabfluß und die hohe Lebensdauer verlangen nach Stromquellen, die sich durch robuste Konstruktion, lange Lagerzeit, hohe Zuverlässigkeit und Energiedichte sowie durch Einsatzbereitschaft über einem, weiten Temperaturbereich auszeichnen. Hinzu kommt, daß die Alimessungen dieser Stromquelle ebenfalls kleinstmöglich ausfallen sollen. Diese Anforderungen sind bei den konventionellen Zellen, deren Elektrolyten in gelöster oder in pastöser Form vorliegen, nur schwer zu erfüllen, insbesondere hinsichtlich der Lagerzeit. Die Elektrodenwerkstoffe reagieren nämlich mit der Zeit mit der Elektrolytlösung und neigen zum Selbstentladen, wobei die Selbstentladezeit relativ gering ist, verglichen mit der potentiellen Lebensdauer von Feststoffbatterien. Ferner kann es zur Gasentwicklung kommen, wodurch der Elektrolyt aus der Batteriedichtung herausgedrückt wird und andere I^achba-rteile beschädigt werden, was vor allem bei hochwertigen Geräten sehr kostspielig wird. Die Erhöhung der Zuverlässigkeit der Zellenverschlüsse erhöht sowohl deren Größe als auch deren Kosten und beseitigt doch nicht das Problem der Selbstentladung. Hinzu kommt, daß Zellen, die mit LösungenIn the recent past, electronics in particular has with regard to integrated circuits for quartz watches, calculators, cameras, pacemakers and the like went through a stormy development. The miniaturization of these components, the low energy drain and the long service life require power sources that are durable thanks to their robust construction Storage time, high reliability and energy density as well as readiness for use over a wide temperature range distinguish. In addition, the alimeasurements of this power source are also as small as possible should fail. These requirements are in the conventional cells, whose electrolytes in dissolved or in pasty form, difficult to meet, especially with regard to the storage time. The electrode materials react with time the electrolyte solution and tend to self-discharge, the self-discharge time being relatively short compared to the potential life of solid-state batteries. Gas can also develop, which forces the electrolyte out of the battery seal and other I ^ achbar parts are damaged, which is very expensive, especially with high-quality devices. Increasing the reliability of the cell closures increases both their size and cost and yet does not eliminate the problem of self-discharge. On top of that, cells that come with solutions

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-X--X-

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arbeiten, einen durch die Temperatur begrenzten Betriebsbereich aufweisen, je nachdem, wo der Gefrier- und der Siedepunkt der in der Zelle enthaltenen Lösung liegt.operate within a temperature-limited operating range, depending on where the freezer and the boiling point of the solution contained in the cell is.

Die zuvor geschilderten Probleme wurden durch Zellen mit festen Elektrolyten und Elektroden gelöst, die nicht die Nachteile der mit gelöstem Elektrolyten arbeitenden Zellen aufweisen. Es kommt auch nicht zur Gasentwicklung noch zur Selbstentladung bei langer Lagerzeit und auch nicht zu Problemen mit der Abdichtung des Elektrolyten. Allerdings haben diese Feststoffzellan wiederum spezielle Nachteile oder Einschränkungen, die bei den Zellen mit gelöstem Elektrolyten nicht vorliegen. The problems outlined above were caused by cells Solved with solid electrolytes and electrodes that do not have the disadvantages of working with dissolved electrolytes Have cells. There is also no evolution of gas or self-discharge during long storage periods and nor to problems with the sealing of the electrolyte. However, these have solid cells in turn special disadvantages or limitations that do not exist in cells with dissolved electrolytes.

Ideal ware eine Zelle mit hoher Spannung, hoher Energiedichte und hohem Leistungsvermögen. Die bekannten Peststoffzellen sind jedoch in zumindest einem dieser Punkte mangelhaft.A cell with high voltage and high energy density would be ideal and high performance. The known plague cells, however, are in at least one of these Poor points.

Ein Hauptgesichtspunkt, der für den Betrieb einer Peststoff zelle wesentlich ist, ist die Wahl des festen Elektrolyten. Um ein hohes Leistungsvermögen sicherzustellen, sollte der feste Elektrolyt eine hohe Ionen-Leitfähigkeit aufweisen, die den Ionentransport durch Defektstellen in der kristallinen Elektrolytstruktur des Elektroden-Elektrolyten-Systems ermöglicht. Ein zusätzlicher und sehr wesentlicher Gesichtspunkt für den festen Elektrolyten besteht darin, daß er nahezu ausschließlich ein Ionenleiter sein muß. Die Leitfähigkeit aufgrund der Beweglichkeit von Elektronen muß vernachlässigbar klein sein, denn sonst würde es zu einem teilweisen inneren Kurzschluß kommen und die Elektrodenwerkstoffe würden trotz offenen Kreislaufes an den Polklemmen aufgebrauchtA major consideration for the operation of a pesticide cell is the choice of solid electrolyte. To ensure high performance, the solid electrolyte should have a high ion conductivity, which allows the ion transport through Defects in the crystalline electrolyte structure of the electrode-electrolyte system made possible. An additional and a very important aspect for the solid electrolyte is that it is almost exclusively must be an ion conductor. The conductivity due to the mobility of electrons must be negligibly small otherwise there would be a partial internal short circuit and the electrode materials would used up despite the open circuit at the pole terminals

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' Ό''Ό'

werden. Deshalb enthalten gewöhnlich Zellen mit gelöstem Elektrolyten einen Separator zwischen den Elektroden, der keine Elektronen leitet und damit einen Kurzschluß verhindert, während bei den Feststoffzellen der feste Elektrolyt sowohl als Elektronensperre als auch als Ionen-.leiter Tung i ert.will. Therefore, cells usually contain solute Electrolyte a separator between the electrodes that does not conduct any electrons and thus prevents a short circuit, while in solid cells the solid electrolyte acts both as an electron barrier and as an ion conductor Tung i ert.

Die Erzielung noher Ströme wurde "bei Feststoffzellen durch den Gebrauch von "to ff er. erreicht, die ausschließlich Ionenleiter sind, wie beispielsweise RbAg."Tr (0,27 Ohm" cm~ Leitfähigkeit bei Raumtemperatur), Diese Leiter sind jedoch nur dann als Elektrolyse zu gebrauchen, wenn es sich um Zellen irit geringer Spannung und geringer Energiedichte handelt. So ist beispielsweise die Feststoffzelle Ag/fibAg^lp./Rbl-, bei 40 ir.A/'cm unter .Raumtemperatur zu entladen, bringt aber nur etwa 0,012 vvh/cnr (0,2 Wh/in ) und eine offene Klemmenspannung von Q66 V. Werkstoffe für die negative Elektrode mit hoher Energiedichte und hoher Spannung, wie etwa Lithium, beginnen, mit solchen Leitern chemisch zu reagieren, weshalb diese Kombination nicht möglich ist. Elektrolyten, die chemisch verträglich sind mit Stoffen hoher Energiedichte und hoher Spannung für die negative Elektrode, wie beispielsweise Lit, bringen bei Raumtemperatur nur eine Leitfähigkeit von 5.10 0hm cm selbst dann, wenn sie zwecks höherer Leitfähigkeit dotiert sind. Das heißt, daß Zellen mit hoher Energiedichte, die bei 0,3 bis 0,6 Wh/cm5 (5 bis 10 Wh/in5) liegt und mit einer Spannung von etwa 1,9 V, wie sie bei dem laufend produzierten Typ Lil/PbX, PbS, Pb vorliegt, keine höhere Leistung erbringen können als etwa 50 iiA/cm bei Raumtemperatur. Ein weiterer Nachteil neben der geringen Stromstärke bei Zellen hoher Energiedichte ist die geringe Leitfähigkeit (sowohl hinsichtlich der Elektronen als auch der Ionen) der Aktivstoffe für die positive Elektrode. Die Erhöhung der Leitfähigkeit durch beispielsweise Graphit für die Elektronenleitung oder durch denThe achievement of higher currents was "in solid cells through the use of" to ff er. that are exclusively ionic conductors, such as RbAg. "T r (0.27 Ohm" cm ~ conductivity at room temperature). These conductors can only be used for electrolysis, however, if the cells are low voltage and low energy density cells . For example, the solid cell Ag / fibAg ^ lp. / Rbl- can be discharged at 40 ir.A / 'cm below room temperature, but only brings about 0.012 vvh / cm (0.2 Wh / in) and an open terminal voltage of Q66 V. Materials for the negative electrode with high energy density and high voltage, such as lithium, begin to react chemically with such conductors, which is why this combination is not possible. Electrolytes that are chemically compatible with substances of high energy density and high voltage for the negative electrode, such as Lit, only have a conductivity of 5.10 0hm cm at room temperature, even if they are doped for the purpose of higher conductivity. That is, cells with high energy density, which is 0.3 to 0.6 Wh / cm 5 (5 to 10 Wh / in 5 ) and with a voltage of about 1.9 V, as in the type currently being produced Lil / PbX, PbS, Pb is present, cannot achieve a performance higher than about 50 iiA / cm at room temperature. Another disadvantage in addition to the low current strength in cells with high energy density is the low conductivity (both in terms of electrons and ions) of the active substances for the positive electrode. The increase in conductivity through, for example, graphite for electron conduction or through the

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■ ι-■ ι-

Elektrolyten für die lonenleitung, wobei die Stromstärke auf den von der leitfähigkeit des Elektrolyten erlaubten Maximalwert angehoben werden kann, führt dazu, daß die Energiedichte der Zelle abnimmt wegen der hinzu kommenden Volumina.Electrolytes for the ionic conduction, the current strength depending on the conductivity of the electrolyte Maximum value can be increased, leads to the fact that the energy density of the cell decreases because of the added coming volumes.

Ein anderer wesentlicher Gesichtspunkt bei der Herstellung Ton Peststoffzellen ist die Eignung des Elektrolytmaterials. So schließen die physikalischen Eigenschaften von Elektrolyten wie BaMg1-S1- und Bai-igpSe,-, die zwar mit einer negativen Elektrode aus Magnesium, aber nicht aus Lithium verträglich sind, und von Natrium-Beta-Tonerde wie NapO.11 AIpO-, das mit einer negativen Natriumelektrode verträglich ist, die Herstellung von Zellen mit hoher Energiedichte aus, selbst dann, wenn kostspielige Produktionsmaßnahmen ergriffen werden. Denn diese Elektrolyten, weisen keramische Eigenschaften auf, die ihre Bearbeitung sehr erschweren, insbesondere dann, wenn im Laufe der Herstellung der Stoff gemahlen und pelletiert werden soll, wobei im allgemeinen ein Brennen notwendig ist, um dem Stoff die gewünschte Struktur su geben. Außerdem verhindert das derart hergestellte, glasierte Material einen guten Oberflächenkontakt mit den Elektroden, woraus eine schlechte Leitfähigkeit und somit eine geringe Zellenleistung resultiert. Diese Elektrolyten werden deshalb vor allem in Zellen mit geschmolzenen Elektroden verwendet.Another important consideration in making clay plague cells is the suitability of the electrolyte material. The physical properties of electrolytes such as BaMg 1 -S 1 - and Bai-igpSe, -, which are compatible with a negative electrode made of magnesium but not lithium, and of sodium beta-alumina such as NapO.11 AIpO- , which is compatible with a sodium negative electrode, makes it possible to produce cells with high energy density even if expensive production measures are taken. This is because these electrolytes have ceramic properties that make them very difficult to work with, especially if the material is to be ground and pelletized in the course of production, and firing is generally necessary to give the material the desired structure. In addition, the glazed material produced in this way prevents good surface contact with the electrodes, which results in poor conductivity and thus low cell performance. These electrolytes are therefore mainly used in cells with molten electrodes.

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■ s-■ s-

Hiervon ausgehend, liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Leitfähigkeit der positiven Elektrode in Peststoffelementen zu erhöhen, wobei für die negative Elektrode Stoffe hoher Energiedichte und die hiermit verträglichen Elektrolyse verwendet werden sollen, so daß man eine Erhöhung der Energiedichte erhält, ohne daß das Leistungsvermögen abnimmt. Die chemische Stabilität zwischen den Bestandteilen des Elementes soll unbedingt gewährleistet sein.Proceeding from this, the object of the present invention is to determine the conductivity of the positive electrode to increase in pesticide elements, with substances of high energy density and the negative electrode electrolysis compatible with this should be used, so that an increase in the energy density is obtained, without the performance decreasing. The chemical stability between the components of the element should be guaranteed.

Erfindungsgemäß ist ein elektrochemisches Peststoffelement vorgesehen, das eine feste, negative Lithiumelektrode aufweist, ferner einen Pestkörperelektrolyten mit einem oder mehreren Lithiumsalzen und einer Ionen-Leitfähigkeit oberhalb 10 ^ Ohm cm bei Raumtemperatur sowie eine positive Pestkörperelektrode mit einem ionen- und elektronenleitenden Metallchalcogenid,According to the invention is an electrochemical pesticide element provided which has a solid, negative lithium electrode, furthermore a body electrolyte with one or more lithium salts and an ion conductivity above 10 ^ ohm cm at room temperature as well as a positive plague electrode with an ion and electron conducting metal chalcogenide,

dessen Ionen- und Elektronen-Leitfähigkeit zwischenits ion and electron conductivity between

—10 +2 —1 —1
10 und 10 Ohm cm bei Raumtemperatur liegt und das kathodisch aktiv mit der genannten negativen Lithiumelektrode reagiert, wobei die positive Elektrode weiterhin als zweites aktives positives Elektrodenmaterial Schwefel, Selen, Tellur, Brom und/oder Jod enthält.
-10 +2 -1 -1
10 and 10 ohm cm is at room temperature and the cathodically reacts actively with the said negative lithium electrode, the positive electrode still containing sulfur, selenium, tellurium, bromine and / or iodine as the second active positive electrode material.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Verwendung eines Materials für die positive Elektrode eines Peststoff elementes, das dadurch ausgezeichnet ist, daß es sowohl ionen- als auch elektronenleitend ist und das gleichermaßen als Aktivwerkstoff für die positive Elektrode geeignet ist. Kormalerweise verlangen die positiven Elektroden die Zugabe einer nicht unerheblichen Menge (beispielsweise über 20 Gewichtsprozent) eines Ionenleiters, wie er etwa als Elektrolyt verwendet wird,The present invention is based on the use of a material for the positive electrode of a pesticide element, which is characterized by the fact that it conducts both ions and electrons and that is equally suitable as an active material for the positive electrode. Usually the positives require Electrodes the addition of a not inconsiderable amount (for example over 20 percent by weight) of one Ion conductor, such as is used as an electrolyte,

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um den Ionenfluß in der positiven Elektrode während der Reaktion des Elementes zu begünstigen. Dies gilt besonders, wenn das Material der positiven Elektrode ein Elektronenleiter ist, da anderenfalls ein Reduktionsprodukt an der Berührungsfläche der positiven Elektrode mit dem Elektrolyten entstehen würde, das möglicherweise den Ionenfluß während der Entladung erheblich erschweren würde. In den vorbekannten Elementen waren jedoch die zugefügten Ionenleiter im allgemeinen keine Aktivstoffe der positiven Elektrode - mit dem Ergebnis eines erheblichen Kapazitätsverlustes. Hinzu kommt, daß für die positive Elektrode geeignete Stoffe mit schlechter Elektronen-Leitfähigkeit die Zugabe von guten Elektronenleitern erfordern, wodurch sich die Kapazität der Elemente weiter vermindert. Durch die erfindungsgemäße Kombination der Elektronen- und der Ionenleitung mit der Aktivität der positiven Elektrode wird eine höhere Energiedichte und zugleich auch eine höhere Stromstärke erreicht, ohne daß Raum für zusätzliche leiterstoffe benötigt wird.to promote the flow of ions in the positive electrode during the reaction of the element. this applies especially if the material of the positive electrode is an electron conductor, otherwise a reduction product at the contact surface of the positive electrode with the electrolyte, the would possibly make the flow of ions considerably more difficult during the discharge. In the previously known elements However, the added ion conductors were generally not active substances of the positive electrode - with the Result of a significant loss of capacity. In addition, substances suitable for the positive electrode with poor electron conductivity require the addition of good electronic conductors, which results in the Capacity of the elements further reduced. The inventive combination of the electron and the Ion conduction with the activity of the positive electrode becomes a higher energy density and at the same time also a higher amperage can be achieved without the need for space for additional conductor materials.

Beispiele für Werkstoffe, die über die gewünschte Ionen- und Elektronen-Leitfähigkeit verfugen und die als Aktivmaterial für die positive Elektrode dienen und außerdem mit den in Elementen hoher Energiedichte verwendeten Elektrolyten verträglich sind, weisen dieExamples of materials that have the desired ion and electron conductivity and which serve as active material for the positive electrode and also with those in elements of high energy density Electrolytes used are compatible, show the

folgenden Verbindungen auffollowing connections 2, MoS 2 , MoS 2'2 ' MoSe2,MoSe 2 , : CoTe: CoTe , NbS, NbS 2S 2 pp 3, HfS 3 , HfS 2, HfSe2, 2 , HfSe 2 , HfTe2, IrTeHfTe 2 , IrTe 2, PtS 2 , PtS 2'2 ' PtSe2,PtSe 2 , MoTe2 MoTe 2 , SnS, SnS 2'2 ' NbSe2 NbSe 2 , NbSe2,, NbSe 2 , NbTe2, NiTeNbTe 2 , NiTe , TaTe, TaTe 2 » TiS2,TiS 2 , PtTe2 PtTe 2 TiTeTiTe 2'2 ' SnSSeSnSSe , SnSe2,, SnSe 2 , TaS2, TaSe2 TaS 2 , TaSe 2 WTe2,WTe 2 , ZrSZrS TiSe2,TiSe 2 , ZrTeZrTe 2'2 ' vs2,vs 2 , VSe2, VTe2,VSe 2 , VTe 2 , WS2, WSe2,WS 2 , WSe 2 , 2, ZrSe2 und 2 , ZrSe 2 and 2'2 ' wobeiwhereby das Chal-the Chal-

cogenid ein Sulfid, Selenid, Tellurid oder eine Kombination daraus ist.cogenide is a sulfide, selenide, telluride, or a combination thereof.

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.AO-.AO-

Auch geeignet sind nicht-stöchiometrische Metallchalcogenide wie Li TiS9, wobei^x 1, das in einem gewissen Ausmaß die komplexe Form eines der positiven Elektrodenwerkstoffe mit dem Kation der negativen Elektrode enthält und von denen man annimmt, daß sie Zwischenreaktionsprodukte während der Elementenentladung sind.Also suitable are non-stoichiometric metal chalcogenides such as Li TiS 9 , where ^ x 1, which to some extent contains the complex form of one of the positive electrode materials with the negative electrode cation and which are believed to be intermediate reaction products during the element discharge.

Hinsichtlich des ionen- und elektronenleitenden Aktivmaterials für die positive Elektrode sollte dieses verwendbar sein in Elementen mit hoher Ausgangsspannung, also etwa in Elementen mit negativen Elektroden aus Lithium, und es sollte mit dem Lithium eine offene Klemmenspannung von 1,3 V mindestens und vorzugsweise über 2 V ergeben.With regard to the ion and electron conductive active material for the positive electrode, it should be be usable in elements with a high output voltage, for example in elements with negative electrodes made of lithium, and there should be an open terminal voltage of at least 1.3 V with the lithium and preferably over 2 V.

Die Arbeitsspannung des ionen- und elektronenleitenden positiven, aktiven Elektrodenmaterials sollte vorzugsweise im großen und ganzen der Spannung des nicht leitenden, aktiven positiven Elektrodenmaterials höherer Energiedichte entsprechen, das damit vermischt ist, um abträgliche Spannungsverluste zu vermeiden.The working voltage of the ion and electron conductive positive electrode active material should preferably be by and large the voltage of the non-conductive, active positive electrode material is higher Energy density that is mixed with it to avoid detrimental voltage losses.

Ein weiteres Kriterium für das Material der positiven Elektrode liegt darin, daß sowohl die Ionen- als auchAnother criterion for the material of the positive electrode is that both the ion and

die Elektronen-Leitfähigkeit des Aktivmaterials zwi-the electron conductivity of the active material between

—10 +2 —1 —1
sehen 10 und 20 Ohm cm liegen sollte, wobei
-10 +2 -1 -1
see 10 and 20 ohm cm should be where

die Ionen-Leitfähigkeit vorzugsweise oberhalb 10~ und die Elektronen-Leitfähigkeit vorzugsweise oberhalb 10 bei Raumtemperatur betragen sollte.the ion conductivity preferably above 10 ~ and the electron conductivity preferably above 10 should be at room temperature.

Weiterhin ist es bedeutsam, daß das Aktivmaterial der positiven Elektrode, das sowohl ionen- als auch elektronenleitend ist, auch mit dem Peststoffelektrolyt verträglich ist, der üblicherweise in Elementen hoherFurthermore, it is important that the active material of the positive electrode, which is both ion and electron conductive is, is also compatible with the pesticide electrolyte, which is usually found in elements of higher

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Energiedichte eingesetzt wird.Energy density is used.

Die Feststoffelektrolyte für Lithiumelemente hoher Energiedichte sind meist Lithiumsalze, die eine Ionen-The solid electrolytes for lithium elements of high energy density are mostly lithium salts, which are an ionic

—Q —I —I—Q —I —I

Leitfähigkeit oberhalb 10 Ohm cm "bei Raumtemperatur aufweisen. Diese Salze können entweder in reiner Form vorliegen oder mit leitfähigkeitserhöhenden Zusätzen "versehen sein, um die Leistungsfähigkeit der Zelle zu verbessern. Beispiele von Lithiumsalzen mit der geforderten Leitfähigkeit sind Lithiumiodid (LiJ) und Lithium;)odid, das mit Lithiumhydroxid (LiOH) und Aluminiumoxid (AIpO,) vermischt ist, wobei die letztgenannte Mischung als LLA bezeichnet wird und in dem US-Patent 3,713,897 beschrieben ist.Conductivity above 10 ohm cm "at room temperature exhibit. These salts can either be in pure form or with additives that increase conductivity "to improve cell performance. Examples of lithium salts with the required conductivity are lithium iodide (LiJ) and lithium;) odid, that with lithium hydroxide (LiOH) and Alumina (AlpO,) is mixed, the latter being the latter The mixture is referred to as LLA and is described in U.S. Patent 3,713,897.

Es wird davon ausgegangen, daß das zuvor erwähnte Aktivmaterial der positiven Elektrode, das sowohl ionenals auch elektronenleitend ist, mit den Ionen der negativen Elektrode (beispielsweise Lithium-Kationen) reagieren wird, um während der Elementenentladung einen nicht-stö'chiometrischen Komplex zu bilden. Diese Komplexbildung der Kationen gestattet ihnen, ihren Sitz zu verlagern und dadurch die erwünschte Ionenleitung herbeizuführen. Daneben liefern die oben erwähnten Verbindungen freie Elektronen, die zur Elektronenleitung notwendig sind.It is believed that the aforementioned positive electrode active material which is both ionic and also conducts electrons, with the ions of the negative electrode (e.g. lithium cations) will react to form a non-stoichiometric complex during the element discharge. These Complex formation of the cations allows them to shift their seat and thereby the desired ionic conductivity bring about. In addition, the above-mentioned compounds provide free electrons that are used to conduct electrons are necessary.

Die vorgenannten Bestandteile werden mit anderen Bestandteilen oder Elementen gemischt, insbesondere Schwefel, Selen, Tellur, Jod und Brom, die für eine größere Energiedichte sorgen, die jedoch nicht allein benutzt werden können, weil sie nicht in der Lage sind, als Ionen- und/oder Elektronenleiter zu dienen. Dabei vergrößert der Einschluß von ionen- und elektronen-The aforementioned ingredients are mixed with other ingredients or elements, in particular Sulfur, selenium, tellurium, iodine and bromine, which ensure a higher energy density, but not alone can be used because they are not able to serve as ion and / or electron conductors. Included increases the inclusion of ions and electrons

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leitendem, positivem, aktivem Elektrodenmaterial die Kapazität des Elementes durch Vermeidung der Notwendigkeit nicht entladbaren Leitermaterials. Außerdem ist bei Mischung des leitenden Aktivmaterials in homogener Form mit dem Material höherer Energiedichte die realisierbare Brauchbarkeit eines so ausgebildeten Elementes angenähert gleich dem theoretischen Wert. Ein einschränkender Faktor bei Festkörperelementen ist die Leitfähigkeit des Reaktionsproduktes des Elementes. Ein gering leitfähiges Produkt ergibt sich bei großem inneren Widerstandsverlust, der nachhaltig die Brauchbarkeit des Elementes begrenzt. Bei Elementen, die das vorgenannte ionen- und elektronenleitende, aktive, positive Elektrodenmaterial aufweisen, erhalten die komplexen Reaktionsprodukte die Leitfähigkeit, wodurch sie die volle Ausnutzbarkeit des anderen aktiven psitiven Elektrodenmaterials gewährleisten, das sich in ihrer Nachbarschaft befindet.conductive, positive, active electrode material reduces the capacitance of the element by avoiding the need non-discharging conductor material. In addition, when the conductive active material is mixed, it is more homogeneous Form with the material of higher energy density the realizable usability of an element designed in this way approximately equal to the theoretical value. A limiting factor in solid state elements is that Conductivity of the reaction product of the element. A product with low conductivity results from a large one internal loss of resistance, which permanently limits the usefulness of the element. For elements that have the have the aforementioned ion- and electron-conductive, active, positive electrode material obtained Complex reaction products increase the conductivity, thereby allowing them to fully utilize the other active psitiven Ensure electrode material that is in their vicinity.

Demzufolge können positive Elektrodenmaterialien hoher Energiedichte wie Schwefel und Jod ebenso wie andere feste Chalcogenide, Se und Te, und Halogene wie Brom wirksam zur Potentialvergrößerung gebraucht werden. Feststoffelemente mit Schwefel in Verbindung mit negativen Lithiumelektroden und einem Elektrolyt aus Lithiumsalz machten bezüglich der erreichbaren Spannung und der insgesamten Energiedichte große Versprechungen. Einer der Nachteile war die Bildung niedrig ionenleitenden Lithiumsulfids (Li2S) als Reaktionsprodukt des Elementes, insbesondere an der Berührungsstelle zwischen positiver Elektrode und Elektrolyt. Diese Erscheinung blockierte nachhaltig die weitere Brauchferkeit derartiger Elemente. Der Einschluß ionen- und elektronenleitenden, aktiven, positiven Elektroden-Accordingly, high energy density positive electrode materials such as sulfur and iodine, as well as other solid chalcogenides, Se and Te, and halogens such as bromine, can be effectively used for increasing potential. Solid elements with sulfur in connection with negative lithium electrodes and an electrolyte made of lithium salt made great promises with regard to the achievable voltage and the overall energy density. One of the disadvantages was the formation of low ion conductivity lithium sulfide (Li 2 S) as a reaction product of the element, especially at the point of contact between the positive electrode and the electrolyte. This phenomenon permanently blocked the further use of such elements. The inclusion of ion and electron conductive, active, positive electrode

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materials sorgt jedoch für eine gleichmäßigere Verteilung der Reaktionsprodukte über die gesamte Struktur der positiven Elektrode infolge deren ionenleitender Eigenschaft. Da die Reaktionsprodukte des ionenleitenden Materials die Leitfähigkeit aufrecht erhalten, ist die weitere Nutzbarkeit des Elementes ebenso mit dem nicht leitenden aktiven Material in leitender Nähe zu dem leitenden Aktivmaterial möglich.However, materials ensures a more even distribution of the reaction products over the entire structure the positive electrode due to its ion-conducting property. Since the reaction products of the ion-conducting Maintaining the conductivity of the material, the further usability of the element is as well with the Non-conductive active material possible in conductive proximity to the conductive active material.

Außerdem kann ein geringer Anteil Elektrolyt in der positiven Elektrodenstruktur eingeschlossen sein, um den Grenzbereich zwischen positiver Elektrode und Elektrolyt zu überbrücken, indem ein innigerer elektrischer Kontakt zwischen positiver Elektrode und Elektrolyt dadurch hergestelltwird. Dies macht es dem Element möglich, bei höheren Stromleistungen längere Zeit zu arbeiten. Dazu kann der Elektrolyteinschluß die Ionen-Leitfähigkeit der positiven Elektrode erhöhen für den Fall, daß die Ionen-Leitfähigkeit des aktiven, posigiven Elektrodenmaterials eine niedrigere Leitfähigkeit als der Elektrolyt hat. Dieser Einschluß sollte jedoch, wenn er gemacht wird, nicht 10 Gewichtsprozent überschreiten, da größere Anteile lediglich die Energiedichte es Elementes herabsetzen würden bei gleichzeitig nur geringer - wenn überhaupt - weiterer Steigerung der Stromabgabefähigkeit.In addition, a small amount of electrolyte may be included in the positive electrode structure to bridge the boundary area between positive electrode and electrolyte by creating a more intimate electrical Contact between positive electrode and electrolyte is thereby established. This makes it possible for the element to work for longer periods of time at higher power outputs. In addition, the electrolyte inclusion can increase the ion conductivity increase the positive electrode in the event that the ion conductivity of the active, positive Electrode material has a lower conductivity than the electrolyte. This inclusion should however, when made, do not exceed 10 percent by weight as larger proportions only increase energy density it would reduce the element while at the same time only increasing it slightly, if at all the current delivery capability.

Die nachfolgenden Beispiele illustrieren die hohe Energiedichte und Brauchbarkeit einer Schwefel enthaltenden positiven Elektrode in einem Feststoffelement, die mit dem genannten ionen- und elektronenleitenden, aktiven, positiven Elektroden-Metallchalcogenid kombiniert ist. Schwefel kann nicht allein als positive Elektrode in einem Festkörperelement verwendet werden, wenn es nichtThe following examples illustrate the high energy density and usefulness of a sulfur containing one positive electrode in a solid element connected with the said ion- and electron-conducting, active, positive electrode metal chalcogenide is combined. Sulfur cannot be used alone as a positive electrode in a solid state element if it is not

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einen wesentlichen Anteil von ionen- und elektronenleitendem Material enthält, das 60 $> oder mehr des gesamten positiven Elektrodengewichtes ausmacht. Daher befähigt der Einschluß eines ionen- und elektronenleitenden Metallchalcogenids, wie Titandisulfid, in einer positiven Schwefelelektrode die Anwendbarkeit von Schwefel, ohne die bisher gleichzeitigen starken Verluste an Eneriekapazität. Titandisulfid ist ein guter Ionen-Contains a substantial proportion of ion and electron conductive material making up $ 60 or more of the total positive electrode weight. Therefore, the inclusion of an ion and electron conductive metal chalcogenide, such as titanium disulfide, in a positive sulfur electrode enables the use of sulfur without the hitherto simultaneous great loss of energy capacity. Titanium disulfide is a good ionic

und Elektronenleiter (10 0hm~ cm" Ionen-Leitfä-and electron conductors (1 0 0hm ~ cm "ion conductivity

-2 —1 -1 higkeit bei Raumtemperatur und mehr als 10 Ohm cm Elektronen-Leitfähigkeit bei Raumtemperatur) und es wirkt außerdem als Reagenz bei der Reaktion des Elementes mit dem Lithium-Kationen zur Bildung des nichtstöchiometrischen L. TiS«, das ebenso ionen- und elektronenleitend ist, wobei auf diese Weise das andere Problem nicht leitender Reaktionsprodukte verbessert wird, die eine weitere Reaktion des Elementes blockieren. Außerdem entlädt TiSp grundsätzlich bei einer Spannung ähnlich wie Schwefel, d. h. 2,3 V, und auf diese Weise ist die Spannung des Elementes stabil ohne Spannungsverluste.-2 -1 -1 hours at room temperature and more than 10 ohm cm Electron conductivity at room temperature) and it also acts as a reagent in the reaction of the element with the lithium cations to form the non-stoichiometric L. TiS «, which is also ion and electron conductive, and in this way the other Problem of non-conductive reaction products is improved, which block a further reaction of the element. In addition, TiSp basically discharges at a voltage similar to that of sulfur; H. 2.3 V, and on in this way the tension of the element is stable without any loss of tension.

Bei den folgenden Beispielen sind wie auch in der ganzen. Beschreibung und in den Ansprüchen alle Anteile und Pro- ' zente auf das Gewicht bezogen, wenn nicht Anderes gesagt ist. Die Beispiele sind lediglich zu Illustrationszwecken gegeben, so daß also Einzelheiten nicht als Einschränkung der Erfindung anzusehen sind.The following examples are as well as in the whole. Description and in the claims all proportions and percentages based on weight, unless otherwise stated. The examples are given for illustration purposes only, so that details are not to be regarded as a limitation of the invention.

Beispiel I:Example I:

Ein Pestkörperelement wurde mit einer Lithiummetall-A plague body element was attached to a lithium metal

2 scheibe hergestellt, die eine Oberfläche von etwa 1,47 cm2 slices made with a surface of about 1.47 cm

und eine Dicke von 0,01 cm hatte. Dazu eine positiveand had a thickness of 0.01 cm. Plus a positive one

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ρ Elektrodenscheibe von etwa 1,82 cm Oberfläche und etwa 0,02 cm Dicke, die aus 80 $> TiS2 und 20 <fo S bei einem Gewicht von 100 mg bestand. Ferner ein Festkörperelektrolyt dazwischen mit den gleichen Abmessungen wie die positive Elektrode und bestehend aus IiJ, LiOH undρ Electrode disk about 1.82 cm in surface and about 0.02 cm thick, which consisted of 80 $> TiS 2 and 20 <fo S with a weight of 100 mg. Furthermore, a solid electrolyte therebetween with the same dimensions as the positive electrode and consisting of IiJ, LiOH and

Al0O, in einem Verhältnis 4:1:2. Der Elektrolyt wurdeAl 0 O, in a ratio of 4: 1: 2. The electrolyte was

8/28/2

zuerst bei einem Druck von 6,8 χ 10 N/m mit der positiven Elektrode verpreßt und dann wurde die negative Elektrode mit einem Druck von 3,4 x 10 E/m daraufgepreßt. Das so erhaltene Element wurde bei Raumtemperatur mit einer Belastung von 100 Kiloohm entladen. Das Element lieferte 26 mAH bei 2 V, etwa 41 mAH bei 1,5 V und mehr als 46 mAH bei 1 Y. Das Element hatte eine realisierbare Kapazität von mehr als 0,73 Whrs/c.c. (12 Wattstunden/in').first pressed at a pressure of 6.8 × 10 N / m with the positive electrode and then the negative electrode was pressed on with a pressure of 3.4 × 10 E / m. The element thus obtained was discharged at room temperature with a load of 100 kilohms. The element delivered 26 mAH at 2 V, about 41 mAH at 1.5 V, and greater than 46 mAH at 1 Y. The element had a realizable capacity of greater than 0.73 Whrs / cc (12 watt hours / in ').

Die folgende Tabelle veranschaulicht die Ergebnisse, die mit Elementen erzielt wurden, die grundsätzlich dem Beispiel I entsprechen, jedoch unterschiedliche Gewichte der positiven Elektrode, der Berührungsfläche zwischen positiver Elektrode und Elektrolyt oder der relativen Prozente von TiSp zu S hatten, bei verschiedenen Belastungen oder Temperaturen getestet wurden, woraus sich Kapazitätsgrenzen von 2, 1,5 und 1 V ergaben.The following table illustrates the results that were achieved with elements that basically correspond to Example I, but had different weights of the positive electrode, the contact area between positive electrode and electrolyte or the relative percentage of TiSp to S, tested at different loads or temperatures which resulted in capacity limits of 2, 1.5 and 1 V.

80984 3/10 2280984 3/10 22

Beispiel Nr.Example no.

% TiS2:S% TiS 2 : S.

Oberfläche (cm2) Surface (cm 2 )

Gewicht ■- (mg) Weight ■ - (mg)

Entlade last Discharge load

- Temperatur mAH:bai 2 V/olt- Temperature mAH: around 2 V / olt

80:20
80:20
80:20
80:20
80:20
80:20
60:40
60:40
80:20
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80:20
80:20
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80:20
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60:40
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80:20
80:20
80:20

1.821.82

1.821.82

1.821.82

1.711.71

1.711.71

1.711.71

1.821.82

1.821.82

1.821.82

1.821.82

1.821.82

1.821.82

1.821.82

1.821.82

1.821.82

1.821.82

1.821.82

1.821.82

1.821.82

1.821.82

1.821.82

1.821.82

100 100 100 100 100 100 100 100 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 200 200 200 100 100 100 100 100 100 100 100 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 200 200 200

100 50 20 ' 50 20 10 100 50 20 '50 20 10

18/ΛΙ 10 200 100 77.5 50 30 20 200 100 77.5 50 30 270 100 5218 / ΛΙ 10 200 100 77.5 50 30 20 200 100 77.5 50 30 270 100 52

RoomRoom 2626th RoomRoom 1616 RoomRoom 66th 72°C72 ° C 3232 72OC72 O C 2727 72°C72 ° C 1818th )Room) Room 1111th 72°C72 ° C 99 37°C37 ° C 110 +110 + 37°C37 ° C 5555 37°C37 ° C 4040 37°C37 ° C 2525th 37°C37 ° C 88th 3 7°C3 7 ° C 55 RoomRoom 7272 RoomRoom 3838 RoomRoom ' 28'28 RoomRoom 1212th RoomRoom 55 37°C37 ° C 50·;50 ·; 37°C37 ° C 3535 37°C37 ° C 2525th

1.5 Volt1.5 volts 1 volt1 volt 4141 4646 3434 4040 2424 3030th 3939 4242 3737 4040 3535 4141 2828 3131 1919th 2121

UO + 90 55 26 21UO + 90 55 26 21

110+ 80. 55 39 15110+ 80. 55 39 15

5252

4545

10+ V10+ V

,3 31, 3 31

102 65 50102 65 50

1818th

(54 55(54 55

Aus der Tabelle läßt sich ersehen, daß bei 37°C entlaene Elemente sogar eine größere Kapazität aufweisen als identische Elemente, die bei gleicher Belastung bei Raumtemperatur entladen wurden. Daher können Elemente nach der vorliegenden Erfindung, da 37°C die menschliche Körpertemperatur ist, bei Herzschrittmachern mit einer Brauchbarkeit, die sich über zehn Jahre hält, verwendet werden, wodurch die Notwendigkeit des chirurgischen Einsetzens neuer Batterien weitestgehend reduziert ist.From the table it can be seen that discharged at 37 ° C Elements even have a greater capacity than identical elements with the same load were discharged at room temperature. Therefore, elements according to the present invention, since 37 ° C the human body temperature is, in pacemakers, with a usefulness that lasts over ten years lasts, eliminating the need for new batteries to be surgically installed is reduced.

Außerdem sorgt das Gewichtsverhältnis von 80:20 von TiSp zu S, das im wesentlichen dem Mol-Verhältnis entspricht, für eine größere brauchbare Kapazität als das Verhältnis 60:40 trotz des erhöhten Anteils des Schwefels mit höherer Energiedichte. Mit dem Mol-Verhältnis können drei Lithiumanteile bei der Elementenreaktion stöchiometrisch reagieren, d, h, 2 Li + S-^ Li„S und Li + TiSp "^ LiTiSp. Diese Reaktionen führen zu einem Dreielektronenwechsel bei sowohl hoher Spannung als auch hoher Kapazität. Das Mol-Verhältnis von TiSp zu S führt zu vollständiger stöchiometrischer Ausnutzung und ist daher ausgesprochen zu bevorzugen.In addition, the 80:20 weight ratio of TiSp to S, which essentially corresponds to the molar ratio, for greater usable capacity than the 60:40 ratio despite the increased proportion of sulfur with higher energy density. With the molar ratio, three lithium components can be used in the element reaction react stoichiometrically, d, h, 2 Li + S- ^ Li "S and Li + TiSp "^ LiTiSp. These reactions lead to a Three-electron exchange at both high voltage and high capacity. The molar ratio of TiSp to S leads to complete stoichiometric utilization and is therefore extremely preferable.

Beispiel XXIII:Example XXIII:

Ein Element mit den Materialien gemäß Anspruch 1 mit einem Außendurchmesser von 3,195 cm und einer Dicke von 0,216 cm und einer positiven Elektrode mit einem Gewicht von 1,5 g wurde als Rückdeckel einer tritiumbeleuchteten Vorführuhr mit Flüssigkeitskristall hergestellt. Ein Grenzwiderstand von 330 Kiloohm begrenzte die Spannung, mit der die Uhr versorgt wurde. Der Arbeitsstrom für diese Uhr bewegte sich zwischen 1 undAn element comprising the materials of claim 1 having an outside diameter of 3.195 cm and a thickness of 0.216 cm and a positive electrode weighing 1.5 g was used as the back cover of a tritium-illuminated Demonstration watch made with liquid crystal. A limit resistance of 330 kilo ohms limited the voltage with which the watch was supplied. The working current for this watch ranged between 1 and

8098^3/10228098 ^ 3/1022

-X--X-

3/uA. Mit einer stöchiometrischen Kapazität von 750 mAH und unter der Voraussetzung einer Ausnutzbarkeit von 2/3 der Kapazität ist dieses Element theoretisch in der Lage, die Uhr bei einem dauernden Entladevorgang von 2 Alk und einer Spannung von etwa 2,2 V über 98,5 Jahre zu versorgen. Die Lebensdauer solcher Elemente liegt somit oberhalb der Lebensdauer üblicherweise hergestellter Uhren selbst. Infolge der Stabilität von Feststoffelementen allgemein und der Leistungsfähigkeit des geschilderten Elementes insbesondere können folglich Batterien als eingebauter Bestandteil elektrischer Geräte, wie Uhren, verwendet werden anstatt als ein solcher Bestandteil, der dauernd oder von Zeit zu Zeit ersetzt werden muß.3 / uA. With a stoichiometric capacity of 750 mAH and provided that 2/3 of the capacity can be used, this element is theoretically capable of operating the watch with a continuous discharge of 2 Alk and a voltage of around 2.2 V for 98.5 years to supply. The lifespan of such elements is thus longer than the lifespan of clocks usually manufactured. As a result of the stability of solid elements in general and the performance of the element described in particular, batteries can be used as a built-in component of electrical devices, such as clocks, instead of as such a component that is permanent or needs to be replaced from time to time.

Beispiel XXIV:Example XXIV:

Ein Element gemäß Beispiel I wurde hergestellt, jedoch mit Tantaldisulfid (TaS2) anstelle von Titandisulfid (TiSp) und einem Gewichtsverhältnis zu Schwefel von 87,5:12,5. Bei einer Entladung des Elementes bei 72°C mit einer Belastung von 10 Kiloohm lieferte das Element 6 mAH bei 2 V, 18 mAH bei 1,5 V und 24- mAH bei 1 V.An element according to Example I was produced, but with tantalum disulfide (TaS 2 ) instead of titanium disulfide (TiSp) and a weight ratio to sulfur of 87.5: 12.5. When the element was discharged at 72 ° C with a load of 10 kiloohms, the element delivered 6 mAH at 2 V, 18 mAH at 1.5 V and 24 mAH at 1 V.

Beispiel XXV:Example XXV:

Ein Element wurde gemäß Beispiel XXIV hergestellt und bei 720C mit einer Belastung von 20 Kiloohm entladen. Das Element lieferte Η mAH bei 2 V, 25 mAH bei 1,5 V und ungefähr 28 mAH bei 1 V.An element was produced according to Example XXIV and discharged at 72 ° C. with a load of 20 kiloohms. The element provided Η mAH at 2 V, 25 mAH at 1.5 V, and approximately 28 mAH at 1 V.

609843/1022609843/1022

Claims (7)

Pat entansprächePat ent calls ' 1/. Peststoff element mit einer festen negativen Lithiumelektrode, einem Festkörperelektrolyten, enthaltend ein oder mehrere Lithiumsalze und mit einer Ionen-Leit-' 1/. Pesticide element with a fixed lithium negative electrode, a solid electrolyte containing one or more lithium salts and with an ion-conducting —9 —1 —1—9 —1 —1 fähigkeit von mehr als 1x10 Ohm cm bei Raumtemperatur sowie einer festen positiven Elektrode, dadurch gekennzeichnet,ability of more than 1x10 ohm cm at room temperature as well as a fixed positive electrode, characterized in that daß die positive Elektrode ein ionen- und elektronenleitendes Metallchalcogenid enthält, dessen Ionen- undthat the positive electrode contains an ion and electron conductive metal chalcogenide, its ion and —10 2 —1 —1 Elektronen-Leitfähigkeit zwischen 10 und 10 Ohm cm bei Raumtemperatur liegt und das mit der genannten negativen Lithiumelektrode kathodenaktiv ist, und daß die positive Elektrode ferner als zweites kathodenaktives Material Schwefel, Selen, Tellur, Brom und/oder Jod enthält.-10 2 -1 -1 electron conductivity between 10 and 10 ohm cm is at room temperature and that is cathode-active with said negative lithium electrode, and that the positive electrode furthermore as a second cathode-active material is sulfur, selenium, tellurium, bromine and / or Contains iodine. 2. Feststoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lithiumsalz Lithiumiodid ist.2. Solid element according to claim 1, characterized in that that the lithium salt is lithium iodide. 3. Feststoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt Lithiumhydroxid und Aluminiumoxid enthält.3. Solid element according to claim 2, characterized in that that the electrolyte contains lithium hydroxide and aluminum oxide. 4. Feststoffelement nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Metallchalcogenid bei Raumtemperatur eine Ionen-Leitfähigkeit von mehr als4. Solid element according to claim 1, 2 or 3 »thereby characterized in that the metal chalcogenide has an ionic conductivity of more than at room temperature f> —1 —1- f> -1 -1 10" Ohm" cm" sowie bei Raumtemperatur eine Elektronen-Leitfähigkeit von mehr als 10"^ Ohm" cm" aufweist10 "ohms" cm "and an electron conductivity at room temperature greater than 10 "^ ohms" cm " 809843/102809843/102 und daß es eine Klemmspannung in Verbindung mit der negativen Lithiumelektrode von mehr als 1,5 V hat.and that it has a clamping voltage associated with the lithium negative electrode of more than 1.5V. 5. Peststoffelement nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, äadurch gekennzeichnet, daß das Metallchalcogenid Titan disulf id ist.5. pesticide element according to claim 1, 2, 3 or 4, ä thereby characterized in that the metal chalcogenide is titanium disulfide. 6. Feststoffelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte zweite aktive positive Elektrodenmaterial Schwefel ist.6. Solid element according to claim 5, characterized in that that said second positive electrode active material is sulfur. 7. Feststoffelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Titandisulfid mit dem Schwefel in einem gleichen Mol-Verhältnis "befindet.7. solid element according to claim 6, characterized in that that the titanium disulphide is in an equal molar ratio with the sulfur ". 809843/1022809843/1022
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