DE3424101A1 - Zelle mit einer nicl(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts)-kathode - Google Patents

Zelle mit einer nicl(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts)-kathode

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DE3424101A1 DE19843424101 DE3424101A DE3424101A1 DE 3424101 A1 DE3424101 A1 DE 3424101A1 DE 19843424101 DE19843424101 DE 19843424101 DE 3424101 A DE3424101 A DE 3424101A DE 3424101 A1 DE3424101 A1 DE 3424101A1
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Han Cheng Burlington Mass. Kuo
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Description

Tarrytown, New York/U.S.A.
16 DU03 54 3/öc
ZELLE MIT EINER NiCl 2 -KATHODE
Die Erfindung betrifft nichtwässrige, Schwefeldioxid enthaltende elektrochemische Zellen, insbesondere derartige Zellen, die anorganische Schwefeldioxid-Elektrolyten enthalten. Es wurde nunmehr festgestellt, dass ein Faktor, der bei der Herstellung wirksamer, wieder aufladbarer Zellen beteiligt ist, darin besteht, dass man normalerweise benötigte organische Co-Lösungmittel aus Zellen entfernt, die Schwefeldioxid (SO2) enthalten. Die organischen Co-Lösungsmittel sowie die meisten anderen organischen Substanzen neigen dazu, an den im allgemeinen irrevesiblen Reaktionen teilzunehmen, was im Gegensatz dazu steht, dass völlig wiederaufladbare Zellen eine im wesentlichen völlige Reversibilität der Komponenten benötigen.
Die Entfernung von organischen Co-Lösungsmitteln hat jedoch zur Folge, dass Elektrolytsalze eingesetzt werden müssen, die sowohl in SO2 allein (ein im allgemeinen schlechtes Lösungsmittel) löslich sind als auch eine wirksam leitende Elektrolytlösung zur Verfügung stellen.
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Als zusätzlicher Paktor sind die sehr hohen Kosten von einigen dieser Salze zu nennen, die in dieser Hinsicht eingesetzt werden können.
Es wurde festgestellt, dass Salze, wie Tetrachloralumi-5
nate, Tetrachlorgallate, Tetrachlorindate sowie Closoborate von Alkali- oder Erdalkalimetallen in SO2 allein einsetzbar sind, wobei anzumerken ist, dass Closoborate jedoch sehr teuer sind.
In derartigen Zellen ist es möglich, das SO2 als einziges Lösungsmittel in der Zelle unter Einsatz eines festen, aktiven Kathodenmaterials einzusetzen. Jedoch nicht sämtliche festen, aktiven Kathodenmaterialien erzeugen eine Zellkapazität, die sich mit der Kapazität einer Zelle vergleichen lässt, die SO2 als kathodenaktives Material aufweist. Tatsächlich ist es jedoch nahezu unmöglich, mit einer bestimmten Sicherheit vorauszusagen, welche Kathodenmaterialien für anorganische S02-Zellumgebungen
brauchbar sind.
20
So konnte beispielsweise an unterschiedlichen Halogeniden des gleichen Metalls, die in ihrer Funktion normalerweise als gleichwertig anzusehen sind, gezeigt worden, dass sie
merklich unterschiedliche Eigenschaften, insbesondere in 25
der anorganischen SO2-ZeIlumgebung besitzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein aktives Kathodenmaterial für die Verwendung in einer nichtwässriges SOn enthaltenden Zelle, insbesondere in einer
2
anorganischen, SO2 enthaltendenden Zelle zur Verfügung zu stellen, die eine hohe Zellkapazität besitzt.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung
sind aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich. 35
Im allgemeinen betrifft die Erfindung eine elektrochemische Zelle mit einer Alkali- oder Erdalkalimetallanode, vorzugsweise Lithium einschliesslich ihrer Mischungen und Legierungen, mit einem Elektrolyten, der SO2 aufweist, mit einem Elektrolytsalz, der in SO2 löslich ist, und mit einer Kathode, die NiCl2 aufweist.
Der Elektrolyt ist vorzugsweise anorganischer Natur, um bei wiederaufladbaren Zellen eingesetzt werden zu können.
Es wurde festgestellt, dass NiCl2 als Kathodenmaterial einsetzbar ist, obwohl NiF2 ein analoges Halogenid) nur eine relativ geringe Entladungskapazität aufweist.
NiCl2 als aktives Kathodenmaterial wird vorzugsweise mit einem leitfähigen Material, beispielsweise Graphit oder Russ, in Mengen von 10 - 30 Gew% und mit einem Bindemittel, beispielsweise Polytetrafluörathylen (PTFE), in einer Menge von etwa 5-15 Gew% vermischt.
Zu den erfindungsgemäss einsetzbaren Elektrolytsalzen gehören Alkali- und Erdalkalimetallhalogenidsalze von Aluminium, Tantal, Niob, Antimon, Gallium, Indium und Closo-
„_ borate, die in SO0 unlöslich sind, insbesondere die-
Δ
jenigen, die folgende Anionen aufweisen:
AlCl4", TaCl6", SbCl6",
}
-2
SbCl6"3, GaCl4", InCl4",
-1IO^lO
Die Salze werden nach dem Lösen in SO2 in niedrigen Konzentrationen, d.h. etwa 1 molar verwendet oder sie können in hohen Konzentrationen mit SO2 in einem
molaren Äquivalentverhältnis von höchstens 1:7 vorlie-35
gen. Vorzugsweise ist der S02-Elektrolyt anorganischer Natur.
Die Beispiele erläutern die Erfindung, wobei Vergleichsversuche mit nichteinsetzbaren Materialien vorgelegt werden. Soweit nicht anders gekennzeichnet, beziehen sich Teile auf das Gewicht.
Beispiel 1_
Eine Zelle wird aus etwa 20 g LiAlCl^xS SOo (Molverhältnis) als Elektrolyt, zwei Litiumelektroden, wobei jede ein Substrat aus einer Kupferfolie aufweist und eine Abmessung von 2,5 χ 4,1 χ 0,05 cm besitzt, und einer 1,4 g Kathode zwischen den Lithiumelektroden hergestellt, wobei die Kathode aus 80 % NiCl2, 12 % Russ (Ketjenblack von Noury Chemical Corp.) und 8 % PTFE auf einem Nickelnetz aufweist. Die Kathode hat eine Abmessung von 2,5 χ 4,1 χ 0,13cm und ist von den Lithiumelektroden durch Glasvlies-Separatoren getrennt. Die Zelle wird bei 20 mA entladen und weist eine Kapazität von 700 mAh bei lV-Abschluss und eine Leerlaufspannung von 3,15 V auf. Die erhaltene Kapazität beträgt etwa 303 % der theoretischen Kapazität von NiCl2.
Beispiel 2^
Eine Zelle wird gemäss Beispiel 1 hergestellt, jedoch nur mit einem Elektrolyten von Im LiAlCl4 in SO2· Die erhaltene Leerlaufspannung beträgt 3,1 V. Mit 20 mA-Entladung wird eine Kapazität von 340 mAh bei einem 1 V-Abschluss erhalten. Die erhaltene Kapazität entspricht etwa 147 % der theoretischen Kapazität von NiCl2.
Beispiel
Eine Zelle wird gemäss Beispiel 1, jedoch mit Im LiGaCl4 in SO2 als Elektrolyt hergestellt. Die erhaltene Leerlaufspannung beträgt 2,9 V. Mit einem Entladestrom von 20 mA wird eine Kapazität von 546 mÄh bei lV-Abschluss erhalten. Die erhaltene Kapazität beträgt etwa 237 % der theoretischen Kapazität von NiCl2.
Beispiel 4 (Vergleich)
Eine Zelle wird gemäss Beispiel 1 hergestellt, jedoch mit einer 1,7g Kathode, die NiF2 enthält und eine Dicke von 0,12 cm aufweist. Die Zelle besitzt eine Leerlaufspannung von 3,2 V und weist bei einem Entladestrom von
20 mA eine Kapazität von 320 mAh bei einem 1 V-Abschluss (cut-off) auf. Die erhaltene Zellkapazität beträgt etwa 84,5 % der theoretischen Kapazität von NiF2.
Beispiel j> (Vergleich)
20
Eine Zelle wird gemäss Beispiel 4 hergestellt, jedoch mit Im LiGaCl4 in SO2 als Elektrolyt. Die Zelle besitzt eine Leerlaufspannung von 2,96 V und weist eine Kapazität
von 284 ITiAh bei einem Entladestrom von 20 mA auf. Die er-25
haltene Kapazität beträgt etwa 75 % der theoretischen Kapazität von NiF2.
Aus den obigen Beispielen ist ersichtlich, dass NiCl2 • eine wenigstens vierfach grössere Kapazität als eine analoge NiF2-Kathode unter identischen Bedingungen und mit zahlreichen anorganischen SO2 enthaltenden Elektrolyten aufweist.
Sämtliche Beispiele dienen nur zur Erläuterung und beschränken nicht die Erfindung. Änderungen in der Zellkonstruktion, den Komponenten und den Verhältnissen können vorgenommen werden, ohne dass dies auf den Umfang der Erfindung Auswirkungen hätte.

Claims (9)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    j 1.] Nichtwässrige elektrochemische Zelle mit einer Anode ν—' aus einem Alkali- oder Erdalkalimetall, einem anorganischen Elektrolyten, aufweisend SC^, und mit einem darin gelösten Elektrolytsalz, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle eine Kathode aus aufweist.
  2. 2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytsalze Alkali- oder Erdalkalimetall-Closoborate oder Alkali- oder Erdalkalimetall-Halogenidsalze mit Gallium, Indium, Aluminium, Tantal, Niob
    oder Antimon sind.
  3. 3. Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytsalze Lithiumsalze sind.
  4. 4. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode Lithium ist.
  5. 5. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolytsalz LiAlCl4
    oder LiGaCl4 ist.
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  6. 6. Zelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Salz LiAlCl4 ist.
  7. 7. Zelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass j. das molare Äquivalentverhältnis von LiAlCl4 zu SOo höchstens 1:7 beträgt.
  8. 8. Nichtwässrige elektrochemische Zelle mit einer Anode aus einem Alkali- oder Erdalkalimetall, einem SOo enthaltenden Elektrolyten und einem darin gelösten Elektrolytsalz, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle eine Kathode enthält, die NiCl2 aufweist.
  9. 9. Zelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytsalze Lithiumsalze sind.
DE19843424101 1983-06-30 1984-06-29 Zelle mit einer nicl(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts)-kathode Ceased DE3424101A1 (de)

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