DE3238533A1 - Sodium solid-state galvanic cell - Google Patents

Sodium solid-state galvanic cell

Info

Publication number
DE3238533A1
DE3238533A1 DE19823238533 DE3238533A DE3238533A1 DE 3238533 A1 DE3238533 A1 DE 3238533A1 DE 19823238533 DE19823238533 DE 19823238533 DE 3238533 A DE3238533 A DE 3238533A DE 3238533 A1 DE3238533 A1 DE 3238533A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
solid
cathode
electrolyte
state
galvanic cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE19823238533
Other languages
German (de)
Inventor
Rainer Dipl.-Phys. 6238 Hofheim Bittihn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
VARTA Batterie AG
Original Assignee
VARTA Batterie AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by VARTA Batterie AG filed Critical VARTA Batterie AG
Priority to DE19823238533 priority Critical patent/DE3238533A1/en
Publication of DE3238533A1 publication Critical patent/DE3238533A1/en
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/14Cells with non-aqueous electrolyte
    • H01M6/18Cells with non-aqueous electrolyte with solid electrolyte
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/582Halogenides

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

The compounds BiCl3, BiBr3 and BiI3 are suitable as readily dischargeable cathode substances for a solid-state galvanic cell having a negative Na electrode and a solid-state electrolyte with specific Na<+> ion conductivity, for example a mixed crystal of the quaternary system Na2O-ZrO2-P2O5-SiO2. The solid-state electrolyte can be produced by sintering techniques as a compound body having a compact section and a highly porous section whose pores can be impregnated with the readily melting halides to produce a particularly intimate contact between the cathode and electrolyte.

Description

TEXT MISSING leitfähigkeit an die Seite gestellt werden.TEXT MISSING conductivity can be put aside.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Festkörperzellen mit negativer Na-Elektrode und Na -ionenleitendem Festelektrolyten neue Kathodensubstanzen mit guter Entladbarkeit und hoher Coulomb-Ausbeute nutzbar zu machen.The invention is based on the object for solid-state cells with negative Na-electrode and Na-ion-conducting solid electrolyte new cathode substances to make usable with good discharge and high Coulomb yield.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das aktive Material der positiven Elektrode aus den Verbindungen BiCl3, 8i Br3, 8iJ3 ausgewählt ist.The object is achieved according to the invention in that the active material of the positive electrode is selected from the compounds BiCl3, 8i Br3, 8iJ3.

Mit besonderem Vorteil werden diese Substanzen in einer Zelle eingesetzt, die in der älteren deutschen Patentanmeldung P 31 29 679.3 bereits beschrieben wurde und deren wesentliches Merkmal darin besteht, daß sie aus einem Stück durch Sintern von Festkprperelektrolytmaterial gebildet ist und dabei neben einem dichten, d. h. porenfreien Abschnitt mindestens einen hochporösen Abschnitt aufweist, der für die Einbringung von schmelzbarem aktiven Elektrodenmaterial vorgesehen ist. Ein solcher Compoundkörper läßt sich herstellen, indem man Pulverschüttungen des Festkörperelektrolytmaterials, von denen eine oder zwei mit einem Filler vermischt, jedoch eine Schüttung fillerfrei ist, sorgfältig übereinander schichtet und bei 0 Temperaturen oberhalb 1200 C versintert. Auf diese Weise wird nach der thermischen Zersetzung des Fillers eine komplette Zellenstruktur einschließlich der zugehörigen Kathoden-und Anodencompartments in Form selbsttragender, hochporöser Sintergerüste gebildet, die ohne Phasengrenzen in den dazwischen liegenden massiven Festelektrolytebschnitt übergehen.These substances are used with particular advantage in a cell, which has already been described in the earlier German patent application P 31 29 679.3 and their essential feature is that they are made in one piece by sintering is formed by solid electrolyte material and in addition to a dense, d. H. pore-free section has at least one highly porous section for the introduction of fusible electrode active material is provided. A Such compound bodies can be produced by adding bulk powder of the solid electrolyte material, one or two of which are mixed with a filler, but one filler-free is, carefully layered on top of each other and sintered at 0 temperatures above 1200 C. In this way, after the thermal decomposition of the filler, a complete Cell structure including the associated cathode and anode compartments in Form of self-supporting, highly porous sintered structures without phase boundaries merge into the massive solid electrolyte section in between.

Die Einbringung der erfindungsgemäßen Substanzen in das Kathodencompartment und ggfls. des Natriums in das Anodencompartment geschieht durch Eintränken im Vakuum. Dabei ist wichtig, daß die Poren des Gerüstkörpers von der aktiven Substanz gut benetzt werden und daß ferner der Dampfdruck der aktiven Kathodensubstanz nicht Werte erreicht, bei denen die Gefahr eines Angriffs auf die Natriumanode und somit einer Entladung der Zelle über die Gasphase entsteht.The introduction of the substances according to the invention into the cathode compartment and if necessary. The sodium in the anode compartment is done by soaking in a vacuum. It is important that the pores of the framework are well protected from the active substance are wetted and that, furthermore, the vapor pressure of the active cathode substance is not Reached values at which the danger an attack on the sodium anode and thus a discharge of the cell via the gas phase occurs.

Von den erfindungsgemäß einzusetzenden Wismuthologeniden schmilzt 8ich3 bei 2320C, Bi 9r3 bei 2180C und 8iJ3 bei 408°C.Of the bismuthologides to be used according to the invention, melts 8ich3 at 2320C, Bi 9r3 at 2180C and 8iJ3 at 408 ° C.

Mit der Eintränkung dieser Verbindungen in die Gerüststruktur wird eine besonders innige Verquickung zwischen aktiver Masse und Elektrolyt erzielt, die eine Voraussetzung für die gute Entladbarkeit der Kathode ist. Diese vorzugsweise Maßnahme der Erfindung stellt in der Festkörperzelle nahezu die idealen Verhältnisse her, wie sie bei herkömmlichen Flüssigkeitszellen vorliegen, wo der Flüssigelektrolyt alle Hohlräume der Feststoffelektroden, von geschlossenen Poren abgesehen, auszufüllen vermag und dadurch eine maximale Elektrodenoberfläche für die Stromlieferung erschließt. Ein ähnlicher Grad gegenseitiger, flächiger Kontaktierung wäre durch bloßes Mischen der Feststoffe nicht realisierbar, weil in diesem Fall der elektrochemische Umsatz zwangsläufig auf die diskreten geometrischen Berührungsflächen der affinen Teilchen beschränkt bliebe.With the impregnation of these compounds in the framework structure achieves a particularly intimate amalgamation between active mass and electrolyte, which is a prerequisite for the cathode to be able to be discharged well. These preferably The measure of the invention provides almost the ideal conditions in the solid-state cell as they are in conventional liquid cells, where the liquid electrolyte all cavities of the solid electrodes, apart from closed pores, to be filled and thereby opens up a maximum electrode surface for the supply of electricity. A similar degree of mutual, two-dimensional contact would be through mere mixing the solids cannot be realized because in this case the electrochemical conversion inevitably on the discrete geometric contact surfaces of the affine particles would remain limited.

Wie sich im übrigen gezeigt hat, wird aus den erfindungsgemäßen Kathodensubstanzen ohne die Na+-ionenleitende Festkörperelektrolytmatrix im Kathodenraum nur eine geringe Coulomb-Ausbeute erzielt.As has also been shown, the cathode substances according to the invention become without the solid-state electrolyte matrix which conducts Na + ions in the cathode compartment, only a small amount Coulomb yield achieved.

Erfindungsgemäß kann dem schmelzflüssigen Kathodenmaterial vor der Befüllung des porösen Ionenleitgerüstes eine sehr feinkörnige elektronenleitende Substanz (Grafit oder Ruß) beigegeben werden, um auf diese Weise in den Kathodenraum der Zelle eine zusätzliche elektronenleitende Matrix einzubauen. Diese Maßnahme ist zwar nicht prinzipiell erforderlich, erniedrigt jedoch den Innenwiderstand der Zelle erheblich.According to the invention, the molten cathode material before The porous ion guide structure is filled with a very fine-grained electron-conducting structure Substance (graphite or soot) are added to this way in the cathode compartment to incorporate an additional electron-conducting matrix into the cell. This measure is not necessary in principle, but lowers the internal resistance of the Cell considerably.

Wird kein elektronenleitendes Material zugesetzt, so wird mit zunehmender Entladetiefe der elektronenleitende Part im Kathodenraum von dem bei der Umsetzung der Kathodenmate- rialien anfallenden Metall (Bi) übernommen. Die Zusatzmenge des elektronenleitenden Materials kann 0 bis 50 Vol. %, vorzugsweise 0 bis 5 Uol. % betragen.If no electron-conducting material is added, then with increasing Discharge depth of the electron-conducting part in the cathode compartment from the one in the implementation the cathode material metal (Bi) is taken over. the The addition amount of the electron conductive material can be 0 to 50% by volume, preferably 0 to 5 uol. %.

Bei Compoundkörpern mit nur einem porösen Gerüstabschnitt kann das Na-Metall direkt auf die Gegenseite des dicht gesinterten Abschnitts aufgeschmolzen werden, während der poröse Abschnitt dem Kathodenmaterial vorbehalten bleibt.In the case of compound bodies with only one porous framework section, this can Na metal melted directly onto the opposite side of the densely sintered section while the porous section is reserved for the cathode material.

In der Figur ist eine Entladekurve für ein erfindungsgemäßes Na/Si Br3-Element mit einer porösen Festkörperelektrolytmatrix im Kathodenraum wiedergegeben. Die Entladung erfolgte mit konstanter Strombelastung von 15 uA/cm2. Bemerkenswert ist der günstige, flache Spannungsverlauf in Abhängigkeit von der entnommenen Kapazität. Die erzielte Masseausbeute von ca. 10 mAh entsprach 33 % der Theorie, bezogen auf die eingesetzte Bi Br3-Menge.The figure shows a discharge curve for a Na / Si according to the invention Br3 element shown with a porous solid electrolyte matrix in the cathode compartment. The discharge took place with a constant current load of 15 uA / cm2. Remarkable is the favorable, flat voltage curve depending on the withdrawn capacity. The achieved mass yield of approx. 10 mAh corresponded to 33% of theory, based on the amount of Bi Br3 used.

eines Angriffs auf die Natriumanode und somit einer Entladung der Zelle über die Gasphase entsteht.an attack on the sodium anode and thus a discharge of the Cell arises through the gas phase.

Von den erfindungsgemäß einzusetzenden Wismuthologeniden schmilzt BiC13 bei 2320 #, Bi Br3 bei 21ßOC und Bi#3 bei 4080C.Of the bismuthologides to be used according to the invention, melts BiC13 at 2320 #, Bi Br3 at 213 OC and Bi # 3 at 4080C.

Mit der Eintränkung dieser Verbindungen in die Gerüststruktur wird eine besonders innige Verquickung zwischen aktiver Masse und Elektrolyt erzielt, die eine Voraussetzung für die gute Entladbarkeit der Kathode ist. Diese vorzugsweise Maßnahme der Erfindung stellt in der Festkörperzelle nahezu die idealen Verhältnisse her, wie sie bei herkömmlichen Flüssigkeitszellen vorliegen, wo der Flüssigelektrolyt alle Hohlräume der Feststoffelektroden, von geschlossenen Poren abgesehen, auszufüllen vermag und dadurch eine maximale Elektrodenoberfläche für die Stromlieferung erschließt. Ein ähnlicher Grad gegenseitiger, flächiger Kontaktierung wäre durch bloßes Mischen der Feststoffe nicht realisierbar, weil in diesem Fall der elektrochemische Umsatz zwangsläufig auf die diskreten geometrischen Berührungsflächen der affinen Teilchen beschränkt bliebe.With the impregnation of these compounds in the framework structure achieves a particularly intimate amalgamation between active mass and electrolyte, which is a prerequisite for the cathode to be able to be discharged well. These preferably The measure of the invention provides almost the ideal conditions in the solid-state cell as they are in conventional liquid cells, where the liquid electrolyte all cavities of the solid electrodes, apart from closed pores, to be filled and thereby opens up a maximum electrode surface for the supply of electricity. A similar degree of mutual, two-dimensional contact would be through mere mixing the solids cannot be realized because in this case the electrochemical conversion inevitably on the discrete geometric contact surfaces of the affine particles would remain limited.

Wie sich im übrigen gezeigt hat, wird aus den erfindungsgemäßen Kathodensubstanzen ohne die Na+-ionenleitende Festkörperelektrolvtmatrix im Kathodenraum nur eine geringe Coulomb-Ausbeute erzielt.As has also been shown, the cathode substances according to the invention become without the solid-state electrolyte matrix which conducts Na + ions in the cathode compartment, only a small amount Coulomb yield achieved.

Erfindungsgemäß kann dem schmelzflüssigen Kathodenmaterial vor der Befüllung des porösen Ionenleitgerüstes eine sehr feinkörnige elektronenleitende Substanz (Grafit oder Ruß) beigegeben werden, um auf diese Weise in den Kathodenraum der Zelle eine zusätzliche elektronenleitende Matrix einzubauen. Diese Maßnahme ist zwar nicht prinzipiell erforderlich, erniedrigt jedoch den Innenwiderstand der Zelle erheblich.According to the invention, the molten cathode material before The porous ion guide structure is filled with a very fine-grained electron-conducting structure Substance (graphite or soot) are added to this way in the cathode compartment to incorporate an additional electron-conducting matrix into the cell. This measure is not necessary in principle, but lowers the internal resistance of the Cell considerably.

Wird kein elektronenleitendes Material zugesetzt, so-wird mit zunehmender Entladetiefe der elektronenleitende Part im Kathodenraum von dem bei der Umsetzung der Kathodenmate-If no electron-conducting material is added, then with increasing Discharge depth of the electron-conducting part in the cathode compartment from the one in the implementation the cathode material

Claims (4)

Patentansprüche 1., Galvanisches Element mit einem Natriumionen-leitenden Festkörperelektrolyten, einer festen negativen Natrium-Elektrode und einer positiven Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Material der positiven Elektrode aus den Verhindungen BiCl3, Bi Br3, BiJ3 ausgewählt ist. Claims 1. Galvanic element with a sodium ion-conductive Solid state electrolytes, a solid sodium negative electrode and a positive one Electrode, characterized in that the active material is the positive electrode is selected from the connections BiCl3, Bi Br3, BiJ3. 2. Galvanisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Material der positiven Elektrode in einem aus dem Festkörperelektrolytmsterisl gebildeten porösen Sintergerüst angeordnet ist.2. Galvanic element according to claim 1, characterized in that the active material of the positive electrode in one of the solid electrolyte sterisl formed porous sintered structure is arranged. 3. Galvanisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem aktiven Material der positiven Elektrode elektronenleitendes Material zugesetzt ist.3. Galvanic element according to claim 1 or 2, characterized in that that the active material of the positive electrode added electron-conducting material is. 4. Galvanisches Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzmenge des elektronenleitenden Materials 0 bis TEXT FEHLT4. Galvanic element according to claim 3, characterized in that the additional amount of electron-conducting material 0 to TEXT MISSING
DE19823238533 1982-10-18 1982-10-18 Sodium solid-state galvanic cell Ceased DE3238533A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19823238533 DE3238533A1 (en) 1982-10-18 1982-10-18 Sodium solid-state galvanic cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19823238533 DE3238533A1 (en) 1982-10-18 1982-10-18 Sodium solid-state galvanic cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE3238533A1 true DE3238533A1 (en) 1984-04-19

Family

ID=6175979

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19823238533 Ceased DE3238533A1 (en) 1982-10-18 1982-10-18 Sodium solid-state galvanic cell

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE3238533A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1039067C (en) * 1991-03-31 1998-07-08 广州电池厂 Mercury-free zinc-manganese cell with paperboard partition

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3725132A (en) * 1970-09-14 1973-04-03 Catalyst Research Corp Solid state thermally active battery
DE3007631A1 (en) * 1980-02-29 1981-09-10 Varta Batterie Ag, 3000 Hannover GALVANIC SOLID CELL
DE3026141A1 (en) * 1980-07-10 1982-02-18 Varta Batterie Ag, 3000 Hannover GALVANIC FIXED ELECTROLYTE CELL

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3725132A (en) * 1970-09-14 1973-04-03 Catalyst Research Corp Solid state thermally active battery
DE3007631A1 (en) * 1980-02-29 1981-09-10 Varta Batterie Ag, 3000 Hannover GALVANIC SOLID CELL
DE3026141A1 (en) * 1980-07-10 1982-02-18 Varta Batterie Ag, 3000 Hannover GALVANIC FIXED ELECTROLYTE CELL

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1039067C (en) * 1991-03-31 1998-07-08 广州电池厂 Mercury-free zinc-manganese cell with paperboard partition

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE3611291C2 (en)
DE3533483C2 (en) Cathode for an electrochemical cell and its use
DE2542406C2 (en) Process for making a secondary electrochemical cell
DE1596077B2 (en) GALVANIC ELEMENT CONSISTS OF AN ANODIC REACTION ZONE A CATHODIC REACTION ZONE AND A FIXED ELECTROLYTE ATTACHED IN BETWEEN
DE2812608A1 (en) HIGH TEMPERATURE SECONDARY CELL
DE3632130A1 (en) ELECTROCHEMICAL CELL
EP0070958B1 (en) Electrochemical cell with cathode material integrated in sintered solid electrolyte
DE2513649A1 (en) SOLID ELECTROLYTE BATTERY, IN PARTICULAR FOR THE STORAGE OF ELECTRIC ENERGY
DE2810795A1 (en) ELECTRODE FOR ELECTRICAL STORAGE DEVICES
DE3842773C2 (en) High-temperature electricity storage cell and method for its production
DE2701708A1 (en) ELECTRODE FOR A DEVICE FOR STORING ELECTRICAL ENERGY
DE2716370A1 (en) ELECTRODE COMPOSITION
DE2205099B2 (en) Galvanic element of high energy density with a lithium metal negative electrode
DE2152740B2 (en) Sodium / sulfur accumulator
DE2622333C3 (en) Upgraded secondary battery or cell
DE3615240A1 (en) ELECTROCHEMICAL STORAGE CELL
DE2462622C2 (en) Heat activated battery
DE2510090A1 (en) LITHIUM ELECTRODE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME
DE3939844A1 (en) ELECTROCHEMICAL CELL AND ANODE DAFUER
DE2710697A1 (en) METHOD OF MANUFACTURING AN ELECTROCHEMICAL CELL
DE2334512A1 (en) ELECTRIC ACCUMULATOR WITH HIGH ENERGY DENSITY
DE102011005599B4 (en) Electric energy storage and method for operating an electrical energy storage
EP0079582B1 (en) Electrochemical storage cell
DE3238533A1 (en) Sodium solid-state galvanic cell
DE4028403A1 (en) Thermoelectric electricity generator with solid electrolyte - has two spaces either side of latter with simple interchange of position relative to heat source

Legal Events

Date Code Title Description
8110 Request for examination paragraph 44
8131 Rejection