DE3231243A1 - Elektrochemische batterie - Google Patents

Elektrochemische batterie

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DE3231243A1
DE3231243A1 DE19823231243 DE3231243A DE3231243A1 DE 3231243 A1 DE3231243 A1 DE 3231243A1 DE 19823231243 DE19823231243 DE 19823231243 DE 3231243 A DE3231243 A DE 3231243A DE 3231243 A1 DE3231243 A1 DE 3231243A1
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Masayoshi Minoo Oosaka Nawa
Takashi Toyonaka Oosaka Nogami
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Kao Corp
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Description

1A-3 935
KAO SOAP COMPANY, LTD. Tokyo, Japan
Elektrochemische Batterie
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Batterie, bei der ein organisches Lösungsmittel eingesetzt wird. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Batterie, in welcher Kohleprodukte mit einer spezifischen Oberfläche von 100 bis 2500 m2/g (im folgenden als "Aktivkohleprodukt" bezeichnet) als Elektroden verwendet werden.
Im Zuge der jüngst aufgetretenen Energieprobleme hat sich ein starker Bedarf nach einer Batterie eines neuen Typs
ergeben, welche eine hohe Energiedichte aufweist und ein geringes Gewicht hat.
Es wurde über eine Untersuchung berichtet, aie der vorliegenden Erfindung ähnlich ist, wobei die Batterie unter Verwendung von Polyacetylen für die Elektroden gebildet ist. Bei einer derartigen Batterie besteht jedoch der Nachteil, daß das Polyacetylen instabil ist, sich selbst im Labormaßstab nur schwierig herstellen läßt und folglich nicht industriell verfügbar ist.
Von den Erfindern wurden umfangreiche Untersuchungen durchgeführt, um eine Hochleistungsbatterie mit geringem Gewicht zu entwickeln, bei der Elektroden verwendet werden, welche stabil sind und industriell leicht verfügbar sind. Im Rahmen dieser Untersuchungen wurde festgestellt, daß die genannten Ziele erreicht werden können unter Verwendung von Kohleprodukten einer speziellen Struktur als Elektrode. Die vorliegende Erfindung beruht auf diesen Beobachtungen.
Erfindungsgemäß bestehen die Elektroden aus einem Kohlematerial spezieller Struktur, insbesondere aus einem Aktivkohle-Formprodukt. Die Elektroden werden in eine Elektrolytlösung eingetaucht und eine Spannung wird von außen an die Elektroden in der Weise angelegt, daß das Kohlematerial beider Elektroden dotiert (beladen) wird, um das P-Typ Material bzw. das N-Typ Material zu bilden. Anschließend wird die Entladung bewirkt und die elektromotorische Kraft, die im Verlauf der Entladung auftritt, wird als Ausgangsstrom der Batterie genutzt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird außerdem die elektromotorische Kraft als Ausgangsstrom der Batterie genutzt, die auftritt, wenn das dotierte Aktivkohleprodukt einer einfachen, metallischen Substanz als Gegenelektrode gegenübersteht.
Die vorliegende Erfindung besteht demgemäß in einer elektrochemischen Batterie mit Elektroden, die in eine organische Losungsmittellösung eintauchen, in der einer oder mehrere Elektrolyten aufgelöst sein können, so daß durch Dotieren und/oder Entdotieren der Elektroden eine elektro motorisch Kraft erzeugt wird. Die elektrochemische Batterie nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß beide Elektroden Kohleformprodukte mit einer spezifischen Oberfläche von 100 bis 2500 m2/g sind.
Bei den Elektrolyten, die bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, handelt es sich xim bekannte Elektrolyten, wie z.B. Tetraalkylammoniumsalze (wobei als Gegenionen Perchloration, Hexafluorphosphorion, HexafluorthalliuK.ion, Hexafluorarsenion, Hexafluorantimonion, Ha-' logenior, Nitration, Sulfation, Tetraoxyrheniumion, etc. in Frage kommen) sowie Alkalimetallsalze und Erdalkalimetallsalze (wobei die Gegenionen die oben erwähnten sein können).
Das bei dieser Erfindung verwendete Lösungsmittel umfaßt Dimethylsulfoxid, Acetonitril, Propyiencarbonat, 4-Butyro- _,.= ..,ΐ >n , ci7üi:Kud, Dimethylformanu ;.. Ke "i/.yl formamid, Texrahydroiuran, 1,2-Diraethoxyäthan, etc. und aniere organische Lösungsmittel, die im allgemeinen für Batterien verwendet werden. Organische Lösungsmittel werden verwendet, da sie eine höhere elektrolytische Spannung als Wasser ermöglichen und sie anders als Wasser die Vorrichtung nicht schädigen, falls ein Leck auftritt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung bestehen beide Elektroden aus Aktivkohleprodukten einer derartigen Struktur, daß die spezifische. Oberfläche 100 bis. 2500 m /g beträgt. Die Aktivkohleprodukte können nach bekannten Verfahren hergestellt werden. Es kommen Verfahren in Betracht,, nach
denen granulatförmige oder pulverf örniige Aktivkohle in Stäbe, Stränge oder Platten geformt werden kann, und zwar in einer derartigen Weise, daß eine spezifische Oberfläche von 100 bis 2500 m /g geschaffen wird. Bei den Aktivkohleprodukten kann es sich auch um Kohlefasern mit einer spezifischen Oberfläche von 100 bis 2500 m /g handeln. Ein bevorzugte: Aktivkohleprodukt liegt in der Form einet Stranges oder einer Platte vor, die aus Kohlefasern mit einem Durchmesser von 10 bis 20/um hergestellt wurde. Die Platte kann in der Form eines Filzes, eines Papiers oder einer Bienenwabenstruktur vorliegen. Ein bemerkenswerter Effekt wird erzielt mit einer Platte aus Kohlenfasern, welche eine Vielzahl feiner Poren mit einem Durchmesser von etwa 10 2. und einer spezifischen Oberfläehe von 300 bis 2000 m /g aufweist (im folgenden als "Aktivkohlefaser" bezeichnet). Diese Kohlefaser weist die Fibrillenstruktur auf und hat eine extrem große Oberfläche. Sie kann folglich auf elektrochemischem Wege mit einer großen Menge an Verunreinigungen dotiert werden.
Batterien, bei denen die Technik des Dotierens verwendet wird, werden in zwei grobe Kategorien eingeteilt. Die eir ο Kategorie umfaßt die Batterie der vorliegenden Erfindung, die eine derartige Struktur aufweist, daß zwei Elektroden aus Aktivkohleprodukt in die Elektrolytlösung eingetaucht sind. Die Batterie wird dadurch beladen, daß eine äußere Spannung während eines bestimmten Zeitraums angelegt wird. Anschließend wird die elektromotorische Kraft in dem Maße entwickelt, als sich die in der Elektrode dotierten Verunreinigungen während des Entladungszyklus in der Lösung auflösen. Die andere Kategorie umfaßt die Batterie einer solchen Struktur, bei der eine-einfache, metallische Substanz als Gegenelektrode bezüglich der Elektrode aus Aktivkohle-Formprodukt verwendet wird. Die elektromotorische Kraft der Batterie wird erzeugt, wenn
sich das Metall in der Lösung auflöst und das Aktivkohle-Formprodukt mit dem Metallion dotiert wird. Die erstere Kategorie wird weiter aufgeteilt in zwei Gruppen. In der einen Gruppe werden als die beiden Elektroden der Batterie die P-Typ Elektrode und die N-Typ Elektrode verwendet, die sich durch den Ladungsvorgang gebildet haben. In der anderen Gruppe werden P-Typ Elektroden mit verschiedenen Dotierungsmengen oder N-Typ Elektroden mit unterschied lichen Doχierungsmengen als gepaarte Elektroden in der Weise verwendet, daß eine Konzentrationszelle gebildet wird.
Die Elektroden aus Aktivkohleprodukten gemäß der vorliegenden Erfindung weisen die folgenden Vorteile auf:
(1) sie sind leicht verfügbar;
(2) sie sind chemisch stabil;
(3) sie sind in verschiedenen Formen - als Filz, Papier und mit Bienenwabenstruktur - verfügbar, welche den Anforderungen hinsichtlich des Batterieaufbaus genügen;
(4) sie sind fähig, eine große Dotierungsmenge aufzunehmen;
(5) sie sind fähig, sowohl mit Verunreinigungen vom P-Typ als auch vom N-Typ dotiert zu werden;
(6) sie weisen eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf, wie sie für ein Elektrodenmaterial gefordert wird;
(7) sie sind von geringem Gewicht und leicht handhabbar.
Der vierte Vorteil ist bei der vorliegenden Erfindung der wichtigste. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Elektroden ε as einfachen, metallischen Substanzen nicht verwendet, la bei derartigen Elektroden die Neigung besteht, daf: Gicl: darauf dendritische Objekte bilden und es gege-
benenfalls nach Wiederholung des Ladungs- und Entladungszyklus zu Abfallerscheinungen kommt. Die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Aktivkohleprodukte weisen, wie oben erwähnt, eine spezifische Oberfläche von 100 bis 2500 m /g auf. Die Produkte nehmen daher elektrochemisch eine große Menge an Dotierung au! und stellen eine Arbeitsleistung hoher Energie zur Verfügung. Da die Aktivkohleprodukte entweder zur Bildung von P-Typ oder N-Typ Elektroden dotiert werden können, sind sie geeignet fur eine Sekundärbatterie, welche durch Aufladung wiederhol: verwendet wird. Aufgrund von Punkt (7) der obigen Vorteilsliste ist es möglich, eine Batterie von geringem Gewicht mit hoher Energiedichte zu.entwickeln.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Zwei Blätter KF-Papier, P-175 (1 cm χ 1 cm, Gewicht etwa 7 mg), hergestellt aus Aktivkohlefaser (Toyobo Co., Ltd.)» werden in eine Propylencarbonatlösvmg von 0,3 M Lithiumperchlorat bei Zimmertemperatur eingetaucht. Jedes Blatt wird mittels einer Krokodilklemme an die externe Kraftquelle angeschlossen und ein konstanter Strom von 1 mA wird 1 h angelegt. Die Spannung bei offenem Stromkreis (Voc) beträgt 1,4 V und der Kurzschlußstrom (Isc) beträgt 2 mA, gemessen mit einem Elektrometer (hergestellt von Takede Riken, Modell TR8651).
3 e i s T3 i el 2
Beispiel 1 wird wiederholt, wobei jedoch das Lösungsmittel durch Tetrahydrofuran ersetzt wird. Voc beträgt 1,4V und Isc beträgt 0,9 mA.
- ϊ-
Beispiel 3
Beispiel 1 wird wiederholt, wobei jedoch das Lösungsmittel durch Tetrahydrofuran ersetzt wird und der Elektrolyt durch 0,3 M Tetrabutylammonium-perchlorat ersetzt wird. Voc beträgt 2,.15 V und Isc beträgt 1,2 mA.
Beispiel 4
Beispiel 1 wird wiederholt, wobei jedoch der Elektrolyt durch 0,5 M Tetrabutylammonium-perchlorat ersetzt wird; Voc = 1,92 V und Isc =3,1 mA.
Beispiel 5
Beispiel 1 wird wiederholt, wobei jedoch der Elektrolyt durch 0,5 M Tetrabutylammonium-perchlorat ersetzt wird; Voc = -1,92 V und Isc = 3,5 mA.
B e i s D i e 1 6
Beispiel 1 wird wiederholt, wobei jedoch der Elektrolyt durch 0,17 M Tetramethylammonium-hexafluorphosphat ersetzt wird; Voc = 2,45 V und Isc =3,0 mA.
Beispiel 7
Beispiel! 1 wird wiederholt, wobei jedoch der Elektrolyt durch 0,15 M Kaliumjodid ersetzt wird; Voc = 1,53 V und Isc = 1,2 mA.
Beispiel 8
Die Versuche wurden unter Verwendung des gleichen Aufbaus wie in reispiel 5 durchgeführt. Bei einem Versuch wird der Auf]adungsvorgang 1' h durchgeführt und in dem anderen Versuch 5 min. Man erhalt folglich zwei Blatter aus Aktivkohlefaser' von der Anode, die sich hinsichtlich der dotiert·" η Menge des Perchlorations-unterscheiden, sowie
- ßf - Λ,
zwei Blätter aus Aktivkohlefaser von der Kathode, die sich hinsichtlich der dotierten Menge des Te-.raraethylammoniumions unterscheiden. Die ersten zwei Elektroden werden in eine Propylencarbonatlösung von C,1.- M Tetrabutylamnionium-perchlorat eingetaucht; Voc = 0,38 V und Isc = 2,0/uA.
Beispiel 9
Die Elektroden aus Aktivkohlefaser, die von der Kathode in Beispiel 8 erhalten wurden, werden in eine Propylencarbonatlösung von 0,5 M Tetrabutylammonium-perchlorat eingetaucht; Voc = 0,04 V und Isc = 60/uA.
Beispiel 10 . ·
Zwei Blätter KF-FiIz, F-1600 (1,5 cm χ 1,5 cm, Gewicht etwa 40 mg), hergestellt aus Aktivkohlefaser (Toyobo Co., Ltd.)» werden in eine Propylencarbonatlösung von 0,5 M Lithiumperchlorat bei Zimmertemperatur eingetaucht. Die Ladung wird mit einer konstanten Spannung von 3 V während 30 min durchgeführt; Voc = 2,9 V und Isc = 28 mA.

Claims (1)

  1. Patentanspruch
    Elektrochemische Batterie mit Elektroden, die in eine organische Lösungsmit.tellösung eintauchen, in der ein oder mehr Elektrolyten aufgelöst sein können, wobei die elektromotorische Kraft erzeugt wird durch das Dotieren und/oder das Entdotieren der Elektroden,'dadurch gekennzeichnet , daß beide Elektroden Kohleprodukte mit einer spezifischen Oberfläche von 100 bis 2500 m2/g sind.
DE19823231243 1981-08-27 1982-08-23 Elektrochemische batterie Ceased DE3231243A1 (de)

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