DE3428843A1 - Elektrochemische zelle oder batterie - Google Patents

Elektrochemische zelle oder batterie

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DE3428843A1
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Helmut Dr. 6706 Wachenheim Muenstedt
Herbert Dr. 6719 Wattenheim Naarmann
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BASF SE
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
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    • HELECTRICITY
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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Description

  • Elektrochemische Zelle oder Batterie
  • Die Erfindung betrifft elektrochemische Zellen, insbesondere elektrochemische Speicherelemente, oder Batterien mit mindestens 2 Elektroden und einem Elektrolyten aus mindestens einer in einem organischen Elektrolytlösungsmittel gelösten oder suspendierten ionischen oder ionisierbaren Verbindung als Leitsalz, in denen mindestens eine der Elektroden als aktives Elektrodenmaterial ein elektrochemisch, vorzugsweise reversibel, oxidierbares und/oder reduzierbares Polymeres mit einer elektrischen Leitfähigkeit größer als 10-2 cm-1 enthält bzw. hieraus besteht.
  • In der EP-A-36 118, EP-A-49 970, EP-A-50 441 sowie der EP-A-58 469 werden leichte Batterien hoher Energie- und Leistungsdichte beschrieben, die als elektrodenaktives Material der Kathode und/oder Anode ein elektrisch hochleitfähiges, p- oder n-dotiertes konjugiertes Polymer, insbesondere Polyacetylen, enthalten. Die konjugierten Polymeren lassen sich mit den im Elektrolyt enthaltenen ionischen oder ionisierbaren Verbindungen reversibel elektrochemisch dotieren und entdotieren und so in Abhängigkeit von dem Dotierungsgrad in verschiedene Oxidationsstufen überführen. In einer typischen und vorteilhaften Ausführungsform enthalten diese Batterien z.B. eine Lithium-Anode und eine Kathode aus p-dotiertem Polyacetylen.
  • Die Elektrolytsalze, wie z.B. Lithiumperchlorat, Lithiumhexafluoroarsenat, Lithiumhexafluoroantimonat oder Lithiumhexafluorophosphat, sind vorzugsweise in organischen Elektrolytlösungsmitteln gelöst. Als Elektrolytlösungsmittel sind in diesen Druckschriften insbesondere lineare und cyclische Ether, wie Ethylenglykoldimethylether, Diethylenglykoldimethylether, festes Polyethylenoxid, Tetrahydrofuran oder Dioxan, aber auch Propylencarbonat, Lactone wie z.B. L/-Butyrolacton, Sulfone, wie z.B.
  • Sulfolan oder substituierte Sulfolane, oder organischen Sulfite wie Dimethylsulfit genannt.
  • Es ist bislang noch nicht gelungen, Batterien auf Basis elektrisch leitfähiger, dotierter konjugierter Polymere herzustellen, die den von der Praxis an die Batterien gestellten Anforderungen genügen. So zeigen diese Batterien vielfach eine unerwünschte Selbstentladung, die ihre Lagerstabilität stark beeinträchtigt. Ebenso ist die Cyclenfestigkeit, d.h. die Zahl der möglichen Auflade- und Entlade-Vorgänge bei Sekundärelementen, häufig noch nicht zufriedenstellend. Bei hohen Cyclenzahlen lassen Energie- und Leistungsdichte dieser Batterien teilweise stark und irreversibel nach. Viele der Mangelerscheinungen dieser Batterien stehen im Zusammenhang mit dem verwendeten Elektrolytsystem. Bei der vielfach bevorzugten Ausführungsform der Batterien mit einer Lithiumanode und einer Kathode aus den elektrisch leitfähigen konjugierten Polymeren sind häufig Reaktionen des Elektrolyten mit dem Lithium festzustellen, die z.B. zur Dendrit-Bildung auf der Anode führen.
  • In der EP-A-13 199 werden elektrochemische Elemente beschrieben, die als Elektrolyt eine feste Lösung eines Alkalimetallsalzes in einem nicht vernetzten Romo- oder Copolymeren aus Heteroatome enthaltenden Monomeren enthalten. Das Anodenmaterial dient als "Quelle" für die Alkalimetallkationen in dem Elektrolyt; als Kathode dient ein Material, das fähig ist, das entladene Alkalimetall einzulagern, wie z.B. TiS oder ähnliche.
  • Als feste, Heteroatome enthaltende Polymere, die ein Molekulargewicht von etwa 50.000 bis über 3.000.000 haben können, werden dabei Polyalkylenoxide, Polyalkylenamine und Polyvinylether genannt. Als Vorteil ist unter anderem die Volumenverringerung der Batterien aufgrund der möglichen dichteren Packung der Elektroden herausgestellt. In der EP-A-37 776 wird ein fester Elektrolyt für Batterien oder potentiometrische Zellen beschrieben, der ionisierbare Salze in vernetzten Oligomeren oder Polymeren von Heteroatome enthaltenden Monomeren eingelagert enthält. Als Oligomere oder Polymere, die diesen festen, gelförmigen makromolekularen Elektrolyten zugrunde liegen sollen, sind insbesondere Polyalkylenoxide und Polyamin-polyalkylenoxide genannt. Der Elektrolyt soll eine hohe ionische Leitfähigkeit und gute mechanische Eigenschaften besitzen. Für welche Art von Batterien diese Elektrolyten geeignet sind, ist dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.
  • Schließlich werden in Journal of Appl. Elektrochem. 5 (1975) S. 63 bis 69 ebenfalls verschiedene, ionisch-leitende, makromolekulare Gele und Membrane für Lithium-Festkörperzellen beschrieben. Gemäß dieser Veröffentlichung lassen sich mit solchen festen, gelförmigen, makromolekularen Elektrolyten wohl Batterien hoher Energiedichte herstellen, die Rate für die Stromentnahme (mA/cm2) ist jedoch äußerst gering. Wie dieser Veröffentlichung sowie auch der US-PS 3 907 597 weiter zu entnehmen ist, kann über die Wirkung eines nicht wäßrigen Elektrolyten in Batterien mit bestimmten, ausgewählten Kathoden und Anoden praktisch keine Vorhersage, insbesondere hinsichtlich der Selbstentladung der Elemente, getroffen werden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung war, elektrochemische Zellen oder Batterien mit mindestens einer Elektrode auf Basis von elektrisch leitfähigen, elektrochemisch oxidierbaren und/oder reduzierbaren Polymeren aufzuzeigen, die neben einer hohen Packungs- und Energiedichte eine verminderte Selbstentladung und damit eine verbesserte Lagerstabilität aufweisen, eine möglichst hohe Stromentnahme erlauben und hohe Cyclenzahlen bei hoher Cyclenstabilität besitzen, d.h. auch nach wiederholter Ent- und Wiederaufladung sollen zu entnehmender Strom und Spannung sich nicht wesentlich geändert haben.
  • Es wurde nun gefunden, daß diese Aufgabe gelöst wird, wenn bei den elektrochemischen Zellen oder Batterien der eingangs genannten Art das Elektrolytlösungsmittel zumindest zum Teil aus einem unvernetzten Dimeren und/oder Oligomeren einer heterocyclischen Verbindung besteht.
  • Gegenstand der Erfindung ist demzufolge eine elektrochemische Zelle oder Batterie, enthaltend mindestens zwei Elektroden sowie als Elektrolyt eine Lösung oder Suspension einer ionischen oder ionisierbaren Verbindung als Leitsalz in einem organischen, gegenüber den Elektroden indifferenten Elektrolytlösungsmittel, wobei mindestens eine der Elektroden als aktives Elektrodenmaterial ein elektrochemisch oxidierbares und/oder reduzierbares Polymere enthält bzw. hieraus besteht, welches im oxidierten und/ oder reduzierten Zustand eine elektrische Leitfähigkeit größer 10 2 t 1 cm 1 besitzt, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß als Elektrolytlösungsmittel mindestens ein unvernetzes Dimeres und/oder Oligomeres einer heterocyclischen Verbindung enthalten ist. Insbesondere besteht das Elektrolytlösungsmittel zu 5 bis 100 Gew.% aus den di- und/oder oligomeren heterocyclischen Verbindungen und zu 95 bis 0 Gew.% aus anderen üblichen, organischen Elektrolytlösungsmitteln.
  • Gegenstand der Erfindung sind des weiteren spezielle Ausgestaltungsformen dieser elektrochemischen Zelle oder Batterie entsprechend der nachfolgenden detaillierten Beschreibung.
  • Bei den erfindungsgemäß als Elektrolytlösungsmittel in den elektrochemischen Zellen oder Batterien enthaltenen di- und/oder oligomeren heterocyclischen Verbindungen handelt es sich im allgemeinen um wachsartige bis feste Substanzen. Es hat sich gezeigt, daß hierin dennoch eine gute Ionenbeweglichkeit der Leitsalz-Ionen gegeben ist. Die erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen und Batterien zeigen somit im Vergleich zu entsprechenden bekannten Batterien nicht nur eine verbesserte Energie-und Leistungsdichte, sondern es ist auch eine hohe Stromentnahme möglich.
  • Trotz möglicher dichterer Packung der Elektroden zeigen die erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen und Batterien geringere Strom- und Spannungsverluste. Darüber hinaus ist die Selbstentladung, insbesondere im Vergleich mit entsprechenden bekannten Batterien dieser Art, die als Elektrolyt-Lösungsmittel die vergleichbaren monomeren heterocyclischen Verbindungen enthalten, deutlich vermindert, selbst wenn das in den erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen oder Batterien enthaltene Elektrolytlösungsmittel nur zu 5 Gew.% aus den di- und/oder oligomeren heterocyclischen Verbindungen besteht, so daß die erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen oder Batterien eine verbesserte Lagerstabilität besitzen. Ferner lassen sich die erfindungsgemäßen elektrochemischen Elemente und Batterien wiederaufladen, erlauben hohe Zyklenzahlen und besitzen eine große Zyklenstabilität.
  • Bei den erfindungsgemäß in den elektrochemischen Zellen oder Batterien als Elektrolytlösungsmittel enthaltenen unvernetzten Di- und/oder Oligomeren von heterocyclischen Verbindungen handelt es sich um solche Polymerisations- und insbesondere Polykondensationsprodukte, in denen das heterocyclische Ringsystem erhalten ist. Als heterocyclische Verbindungen kommen dabei insbesondere die 5- und 6-Ring-Heterocyclen mit einem oder mehreren Heteroatomen, vorzugsweise mit einem oder zwei Heteroatomen, in Betracht. Die heterocyclischen Verbindungen enthalten als Heteroatome vorzugsweise Sauerstoff und/oder Stickstoff, sie können aber auch andere Heteroatome, wie z.B. Schwefel, enthalten. Bei den heterocyclischen Verbindungen handelt es sich insbesondere um gesättigte Heterocyclen, es können jedoch auch heteroaromatische Verbindungen sein. Beispiele für monomere heterocyclische Verbindungen, die den erfindungsgemäß als Elektrolytlösungsmittel zu verwendenden Di- und/oder Oligomeren zugrunde liegen können, sind Tetrahydrofuran, Dioxolan, Dioxan, Pyrrolidin, Pyrrolidon, Tetrahydropyran, Morpholin, Piperidin, Piperazin, Indol, Imidazol, Thiophen oder Derivate dieser Verbindungen. Das Molekulargewicht der di- und/oder oligomeren heterocyclischen Verbindungen liegt im allgemeinen im Bereich von 140 bis ca. 5.000, vorzugsweise im Bereich von 140 bis 1500.
  • Als Elektrolytlösungsmittel kommt erfindungsgemäß beispielsweise Polyvinylpyrrolidon in Betracht, wie es durch radikalische Polymerisation von N-Vinylpyrrolidon erhalten wird. Bevorzugt als Elektrolytlösungsmittel sind solche Di- und/oder Oligomeren von Heterocyclen, die durch oxidative, dehydrierende Kupplung der genannten monomeren heterocyclischen Verbindungen erhalten werden. Hierzu werden die monomeren heterocyclischen Verbindungen beispielsweise mit organischen Peroxiden bei Temperaturen von 120 bis 2004C in Schutzgasatmosphäre umgesetzt. Verfahren zur Herstellung solcher di- und/oder oligomerer heterocyclischer Verbindungen sind beispielsweise in der EP-A-24 650, der DE-A-29 29 950 sowie in Polymer Bull. 2, Seiten 363 und 417 (1980) beschrieben.
  • Sehr geeignet für den erfindungsgemäßen Einsatz als Elektrolytlösungsmittel sind die durch oxidative, dehydrierende Kupplung erhaltenen Di-und/oder Oligomeren von heterocyclischen Verbindungen ohne C-C-Unsättigungen. Als Beispiele hierfür seien genannt: In den Verbindungen der Formeln (I) - (VIII) steht n für eine ganze Zahl von 0 bis 50, insbesondere für eine ganze Zahl von 0 bis 10. Der Rest R in den Formeln (IV) - (VII) kann ein H-Atom> ein Alkyl-, Cycloalkyl- oder Aryl-Rest sein, vorzugsweise jedoch ein Wasserstoffatom oder ein Alkylrest, insbesondere mit 1 bis 4 C-Atomen. In den Di- und/oder Oligomeren der Formeln (II), (III), (VI) und (VII) kann die Verknüpfung der heterocyclischen Ringe über verschiedene, in Nachbarschaft zu den Heteroatomen stehende C-Atome erfolgen. Bevorzugt werden als Elektrolytlösungsmittel dabei die Di- und/oder Oligomeren des Tetrahydrofurans (I), des Dioxans (11) sowie des gegebenenfalls am N-Atom substituierten Pyrrolidins (IV) eingesetzt.
  • Weiterhin können erfindungsgemäß Di- und/oder Oligomere von heteroaromatischen Verbindungen, vorzugsweise mit 5 oder 6 Ringatomen im heteroaromatischen Ring, Verwendung finden. Hierzu gehören insbesondere die Di-und/oder Oligomeren von Indol und Imidazol, aber auch beispielsweise von Thiophen.
  • Die erfindungsgemäß in den elektrochemischen Zellen oder Batterien als Elektrolytlösungsmittel enthaltenen Di- und/oder Oligomeren der heterocyclischen Verbindungen können alleine, in Mischung miteinander oder auch in Mischung mit anderen, üblichen organischen Elektrolytlösungsmitteln eingesetzt werden, wie sie unter anderem in der EP-A-36 118, der EP-A-49 970 oder der EP-A-58 469 beschrieben sind. Als Beispiele für solche anderen, üblichen organischen Elektrolytlösungsmittel seien genannt: Dimethoxiethan, Diethylenglykoldimethylether, Tetrhydrofuran und dessen Derivate, Propylencarbonat, & -Butyrolacton und dessen Derivate, N-Methylpyrrolidinon> Acetonitril, Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid, Sulfolan und dessen Derivate, Ethylensulfit und Dimethylsulfit. Die eingesetzten Elektrolytlösungsmittel sollen gegenüber den ausgewählten Elektroden -Materialien indifferent, und in dem Spannungsbereich, in dem die elektrochemische Zelle oder Batterie betrieben wird, gegenüber chemischer Zersetzung stabil sein.
  • Die Elektrolytsysteme der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen oder Batterien enthalten in dem Elektrolytlösungsmittel mindestens eine ionische oder ionisierbare Verbindung gelöst oder suspendiert, die insbesondere als Leitsalz beim Betrieb der elektrochemischen Zelle oder Batterie dem Stromtransport innerhalb der elektrochemischen Zelle oder Batterie dient. Vorzugsweise ist die ionische oder ionisierbare Verbindung - im folgenden der Einfachheit halber als Leitsalz bezeichnet - zumindest teilweise, insbesondere aber vollkommen in dem Elektrolytlösungsmittel gelöst. Das Elektrolytlösungsmittel verleiht dabei den Ionen des Leitsalzes beim Betrieb der elektrochemischen Zelle oder Batterie eine hohe Ionenbeweglichkeit, so daß die erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen und Batterien in aller Regel nicht nur entladen, sondern auch wieder aufgeladen werden können. Dabei ist allerdings zu beachten, daß hierzu der Elektrolyt in an sich bekannter und üblicher Weise so beschaffen sein muß, daß die reversibele Oxidation und/oder Reduktion der als Elektrodenmaterial eingesetzten elektrisch leitfähigen Polymeren gewährleistet ist, ohne daß hierdurch Elektrodenmaterial oder Elektrolyt irreversibel dem Batteriesystem entzogen werden. Die Leitsalze sind in dem Elektrolytlösungsmittel im allgemeinen in Mengen von etwa 0,01 bis 2 Mol pro Liter Elektrolytlösungsmittel enthalten..
  • Als Leitsalze für den Elektrolyten kommen die für elektrochemische Zellen oder Batterien der in Rede stehenden Art bekannten und in der Literatur beschriebenen ionischen oder ionisierbaren Verbindungen in Betracht. Hierzu gehören insbesondere die Salze mit Perchlorat-, Tetrafluoroborat-, Hexafluoroarsenat-, Hexafluoroantimonat-oder Hexafluorophosphat-Anionen.
  • Des weiteren gut geeignet sind Salze von Sulfonsäuren, insbesondere von gegebenenfalls mit Alkyl- und/ oder Nitrogruppen substituierten aromatischen Sulfonsäuren, insbesondere Benzolsulfonate oder Tosylate, aber auch Fluorosulfonate, wie z.B. Trifluormethansulfonat. Als Kationen für die Leitsalze kommen insbesondere die Alkalimetall-Kationen, vorzugsweise Li+, Na+ oder K+, in Betracht. Weitere sehr gut geeignete Kationen für die Leitsalze sind auch die tertiären oder quaternären Ammonium- bzw.
  • Phosphoniunkationen, insbesondere solche, die Alkylgruppen mit 1 bis 4 C-Atomen enthalten. Hierzu gehören beispielsweise das Tetramethylammonium-, Tetrae thylammonium-, Tri-n-butylammonium-, Tetra-n-butylammonium-, Triphenylphosphonium-, Tri-n-butylphosphonium- und Tetra-n--butylphosphonium-Kation. Wenn die negative Elektrode in den erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen oder Batterien, wie weiter unten näher ausgeführt wird, aus einem Metall mit hohem Oxidationspotential, insbesondere einem Alkalimetall besteht, ist vorzugsweise, insbesondere im Fall von Sekundärelementen, das Leitsalz ein Salz des die negative Elektrode bildenden Metalls. Enthalten beispielsweise die elektrochemischen Zellen oder Batterien als negative Elektrode Lithium-Metall oder Lithium -Legierungen, so werden als Leitsalze insbesondere Lithiumsalze, vorzugsweise das Perchlorat, Tetrafluoroborat, Hexafluoroarsenat, Hexafluoroantimonat oder Xexafluorophosphat, eingesetzt.
  • Der Elektrolyt der elektrochemischen Zellen oder Batterien kann ein oder auch mehrere Leitsalze in Mischung miteinander enthalten.
  • Zu den geeigneten und bevorzugten Leitsalzen für die erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen oder Batterien gehören unter anderem: Lithiumperchlorat, Natriumperchlorat, Tetramethylammoniumperchlorat, Tetrabutylammoniumperchlorat, Lithiustetrafluoroborat, Natriumtetrafluoroborat, Tetraethylammoniumfluoroborat, Triphenylphosphonium-tetrafluoroborat, Lithiumhexafluoroarsenat, Tetramethylammoniushexafluoroarsenat, Tetrabutylphosphoniumhexafluoroarsenat, Lithiumhexafluoroantimonat, Tetramethyl-, Tetraethyl- oder Tetrabutyl-hexafluoroantimonat, Lithiumhexafluorophosphat, Tetramethyl-, Tetraethyl- oder Tetrabutylammonium- bzw.
  • Tetramethyl-, Tetrabutyl- oder Triphenylphosphonium-hexafluorophosphat, Tributylammonium-benzolsulfonat und andere.
  • Die erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen oder Batterien enthalten als elektrodenaktives Material mindestens einer Elektrode ein elektrochemisch, vorzugsweise reversibel, oxidierbares und/oder reduzierbares Polymeres, welches im oxidierten und/oder reduzierten Zustand eine elektrische Leitfähigkeit größer 10 2je! cm'l, insbesondere gleich oder größer 10° Q 1 cm 1 besitzt. Hierzu gehören insbesondere die p- oder n-dotierten bzw. die elektrochemisch p- oder n-dotierbaren konjugierten Polymeren.
  • Unter konjugierten Polymeren werden dabei solche Polymeren verstanden, die konjugierte ungesättigte Bindungen entlang ihrer Polymerhauptkette aufweisen. Hierzu gehören alle bekannten dotierten oder dotierbaren konjugierten Polymeren, die elektrochemisch oxidierbar und/oder reduzierbar sind, wie sie in der Literatur und insbesondere der EP-A-36 118, der EP-A-49 970 sowie der EP-A-58 469, beschrieben sind.
  • Aus der Gruppe der dotierten bzw. dotierbaren konjugierten Polymeren sind als elektrodenaktives Material unter anderem die Acetylenpolymerisate bevorzugt, wozu insbesondere Polyacetylen selbst, aber auch die bekannten substituierten Polyacetylene oder Acetylen-Copolymerisate gehören. Die Acetylen-Polymerisate können für den Einsatz als elektrodenaktives Material mit Elektronenakzeptoren p-dotiert oder mit Elektronendonatoren n-dotiert sein. Beim Betrieb der elektrochemischen Zelle oder Batterie wird der Dotierungsgrad dieser dotierten Acetylenpolymerisate geändert, insbesondere werden sie weitgehend oder vollständig entdotiert, wodurch sich der Oxidationszustand und das Oxidationspotential der Polymerisate ändert. Es können auch undotierte Acetylenpolymerisate als aktives Elektrodenmaterial eingesetzt werden, die dann beim Betrieb der elektrochemischen Zelle, insbesondere beim Aufladen, oder auch beim Entladen der Batterie, p- oder n-dotiert werden, wodurch gleichzeitig die elektrische Leitfähigkeit der Acetylenpolymerisate ansteigt.
  • Unter den dotierten, elektrochemisch oxidierbaren und/oder reduzierbaren konjugierten Polymeren haben sich insbesondere auch die Pyrrolpolymeren sehr vorteilhaft als Elektrodenmaterial erwiesen. Zu den Pyrrol-Polymeren gehören ganz allgemein die Homo- und Copolymeren von Verbindungen aus der Klasse der Pyrrole. Verbindungen aus dieser Klasse sind einmal das Pyrrol selbst, sowie auch die substituierten Pyrrole, insbesondere die an den C-Atomen monoalkyl-, dialkyl-, monohalogen- oder dihalogensubstituierten Pyrrole. Bevorzugt sind die Homopolymeren des unsubstituierten Pyrrols selbst, sowie die Copolymeren des unsubstituierten Pyrrols mit substituierten Pyrrolen und/oder anderen Comonomeren. Als andere Comonomere kommen dabei z.B. Cyclopentadien, Azulen und dessen Derivate, Fulven, Inden oder auch Quadratsäure in Betracht. Ferner eignen sich als Comonomere auch andere heterocyclische Verbindungen, wie Imidazol, Thiazol, Furan, Thiophen, 2-Bromthiophen> 2,6-Dimethylpyridin oder Pyrazin. Die Copolymeren des Pyrrols enthalten im allgemeinen 50 bis 99 Gew.%, vorzugsweise 75 bis 99 Gew., des unsubstituierten Pyrrols und 1 bis 50 Gew.%, vorzugsweise 1 bis 25 Gew., an substituierten Pyrrolen und/oder anderen Comonomeren. Die Pyrrol-Polymeren sind bereits von ihrer Herstellung her, die im allgemeinen elektrochemisch durch anodische Oxidation der Monomeren erfolgt, p-leitende Verbindungen mit elektrischen Leitfähigkeiten im allgemeinen im Bereich von 10°-102 Q 1 cm~1. Im übrigen sind die für Elektrodenmaterialien und elektrochemische Elemente geeigneten Pyrrolpolymeren als solche bekannt und in der Literatur hinreichend beschrieben.
  • Neben den dotierten und/oder elektrochemisch dotierbaren bzw. entdotierbaren konjugierten Polymeren haben sich als aktives Elektrodenmaterial insbesondere auch solche elektrisch leitfähigen Polymeren mit einer elektrischen Leitfähigkeit größer als 10-2lA 1 cm-l als besonders vorteilhaft erwiesen, die elektrochemisch oxidierbare und/oder reduzierbare Redox-Gruppen mit definierter Struktur eingebaut enthalten, die min- destens zwei stabile und vorzugsweise reversibel ineinander überführbare Oxidationsstufen auszubilden vermögen. Derartige als Elektrodenmaterial für elektrochemische Zellen oder Batterien besonders gut geeignete Polyniere sind beispielsweise in der DE-A-32 44 900 ausführlich beschrieben, worauf in diesem Zusammenhang ausdrücklich verwiesen wird. Zu diesen elektrisch leitfähigen Redox-Polymeren gehören p- oder n-dotierte konjugierte Polymere, insbesondere p- oder n-dotierte Polyene, vorzugsweise Acetylenpolymerisate, welche die Redox-Gruppen als Seitengruppen an der Polymerhauptkette gebunden enthalten. Bei diesen Redox-Gruppen handelt es sich vornehmlich um solche Gruppen, die chinoide Strukturen auszubilden vermögen, wobei als Redox-Gruppen 1>9-disubstituierte Phenalenreste sehr vorteilhaft sind. Die elektrisch leitfähigen Redox-Polymeren können die elektrochemisch oxidierbaren und/oder eduzierbaren Redox-Gruppen mit definierter Struktur auch in der Polymerhauptkette eingebaut enthalten.
  • Zu dieser Klasse von Redox-Polymeren gehören beispielsweise Poly(chinonimine) oder Poly(chinondiimine), wie Anilinschwarz; Polyindigo, Analoge des Polyindigos oder Polyindophenine.
  • Die elektrisch leitfähigen, elektrochemisch oxidierbaren und/oder reduzierbaren Polymeren können in jeder beliebigen, geeigneten Form als aktives Elektrodenmaterial in den erfindungsgemaßen elektrochemischen Zellen oder Batterien eingesetzt werden. Beispielsweise ist es möglich, diese Polymeren in Form von selbsttragenden Filmen oder Folien oder von geschäumten offenzelligen Formkörpern oder Schaumstoffen zu verwenden. Dies empfiehlt sich z.B. insbesondere dann, wenn diese Polymeren stabile, feste, selbsttragende Filme oder Folien zu bilden vermögen. In diesem Fall besteht die betreffende Elektrode aus den elektrisch leitfähigen, elektrochemisch oxidierbaren und/oder reduzierbaren Polymeren.
  • Gleichermaßen können die Polymeren zum Einsatz als Elektrodenmaterial in den elektrochemischen Zellen oder Batterien auf ein Substrat aufgebracht werden, beispielsweise indem man Filme oder Folien dieser Polymeren auf das Substrat auflaminiert oder aufkaschiert oder indem man das Substrat mit dem Polymeren pulverbeschichtet. Als Substrate können dabei einerseits inerte, indifferente Trägermaterialien dienen, z.B. Filme oder Folien aus üblichen, unter den Betriebsbedingungen der elektrochemischen Zelle oder Batterie stabilen Polymeren, insbesondere auch Gewebe, Vliese etc. aus organischen oder anorganischen, elektrisch nicht-leitenden Materialien, z.B. Vliese aus Glaswolle oder dergleichen, die gleichzeitig als Separatoren oder Diaphragmen dienen können. Es können aber auch elektrisch leitfähige Substrate verwendet werden, wie z.B. Bleche oder Folien aus Metallen, beispielsweise Platin, Palladium, Gold, Silber, Tantal oder Edelstahl. Wenn die elektrisch leitfähigen, elektrochemisch oxidierbaren und/oder reduzierbaren Polymeren auf einem elektrisch leitfähigen Substrat aufgebracht sind, kann dieses z.B. gleichzeitig als Stromzu- bzw. -ableiter zu bzw. von der Elektrode dienen.
  • Ferner können die elektrisch leitfähigen, elektrochemisch oxidierbaren und/oder reduzierbaren Polymeren zur Herstellung der Elektroden in Form von gesinterten oder verpreßten Pulvern, beispielsweise als Sinter- oder Preßplättchen, eingesetzt werden. Bei der Herstellung von Preß- oder Sinterelektroden können die hierbei üblichen und gebräuchlichen Zusatzstoffe mitverwendet werden, wie z.B. Bindemittel, Pigmente, Ruß, inerte Metalle oder Träger- oder Matrixmaterialien, wie z.B. andere polymere Stoffe. Diese Zusatzstoffe sind in den Elektrodenmaterialien im allgemeinen in Mengen unter 50 Gew.X, bezogen auf die gesamte Elektrode, enthalten, wobei für die Elektrodenherstellung vorzugsweise ohne diese Zusatzstoffe gearbeitet wird. Es ist auch möglich, die elektrisch leitfähigen, elektrochemisch oxidierbaren und/oder reduzierbaren Polymeren in Netz- oder Korbelektroden einzusetzen.
  • Die erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen oder Batterien haben mindestens zwei Elektroden, d.h. mindestens eine positive Elektrode (Kathode) und mindestens eine negative Elektrode (Anode). Dabei wird das aktive Elektrodenmaterial mindestens einer dieser Elektroden, d.h. also der Kathode und/oder der Anode aus den elektrisch leitfähigen, elektrochemisch oxidierbaren und/oder reduzierbaren Polymeren gebildet. Hinsichtlich der Kombinationsmöglichkeiten von kathodenaktivem und anodenaktivem Material und somit auch der Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen und Batterien ist eine große Variationsbreite gegeben.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird in den erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen oder Batterien nur das aktive Elektrodenmaterial der Kathode aus einem elektrisch leitfähigen, elektrochemisch oxidierbaren und/oder reduzierbaren Polymeren gebildet. In diesem Fall kann als Anode jedes geeignete und an sich bekannte Anodenmaterial eingesetzt werden, welches ein höheres Oxidationspotential als die Kathode hat. Vorzugsweise besteht die Anode in diesem Fall aus einem elektropositiven Metall mit einer Pauling-Elektronegativität von nicht mehr als 1, wie z.B. Caesium, Rubidium, Kalium, Natrium, Barium, Calcium oder Legierungen dieser Metalle. Insbesondere werden in diesem Fall als Anode jedoch Lithium oder Lithium-Legierungen verwendet. Als aktives Elektrodenmaterial der Kathode werden bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen oder Batterien - im geladenen Zustand der Batterien - ein elektrisch leitendes, p-dotiertes Acetylenpoly- merisat, ein p-leitendes Pyrrol-Polymeres oder ein elektrisch leitfähiges Polymer mit eingebauten Redox-Gruppen definierter Struktur bevorzugt.
  • Bei einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen oder Batterien besteht nur das aktive Elektrodenmaterial der Anode aus einem elektrisch leitfähigen, elektrochemisch oxidierbaren und/ oder reduzierbaren Polymeren. In diesem Fall kann die Kathode aus jedem geeigneten und an sich bekannten Kathodenmaterial bestehen. Hierfür kommen insbesondere Metalle in Betracht, deren Oxidationspotential unter dem des für das anodenaktive Material verwendeten Polymeren liegt. Metalle, die sich in diesem Fall bevorzugt als Kathoden-Material eignen, sind z.B.
  • Platin, Palladium, Gold, Silber, Nickel, Titan und dergleichen. Als Kathode kann aber auch z.B. eine Kohlenstoffelektrode verwendet werden.
  • In dieser Ausführungsform der elektrochemischen Zellen oder Batterien werden - im geladenen Zustand der Batterien - als aktives Elektrodenmaterial der Anode elektrisch leitende, n-dotierte Acetylenpolymerisate oder elektrisch leitende Polymere mit eingebauten Redox-Gruppen definierter Struktur bevorzugt.
  • In den erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen oder Batterien können auch sowohl das aktive Elektrodenmaterial der Kathode als auch das aktive Elektrodenmaterial der Anode aus elektrisch leitfähigen, elektrochemisch oxidierbaren und/oder reduzierbaren Polymeren gebildet werden, wobei die Oxidationsstufe des als kathodenaktiven Material benutzten Polymeren höher ist als die des als anodenaktiven Material eingesetzten Polymeren.
  • In diesem Fall ist eine Vielzahl von Variationen denkbar, wie sie beispielsweise in der EP-A-36 118 eingehend beschrieben sind. Es hat sich dabei als besonders günstig herausgestellt, wenn das anodenaktive Material und das kathodenaktive Material aus verschiedenen Polymeren besteht. Günstig sind z.B. solche elektrochemischen Zellen oder Batterien, die - im geladenen Zustand - als Kathoden-Material ein elektrisch leitendes, p-dotiertes Acetylenpolymerisat und als anodenaktives Material entweder ein elektrisch leitendes n-dotiertes Acetylenpolymerisat, ein Pyrrol-Polymeres oder ein elektrisch leitendes Polymeres mit eingebauten Redox-Gruppen definierter Struktur enthalten. Sehr vorteilhaft sind auch solche elektrochemischen Zellen oder Batte-rien, die - im geladenen Zustand - als kathodenaktives Material ein p-leitendes Pyrrol-Polymeres und als anodenaktives Material entweder ein elektrisch leitendes, n-dotiertes Acetylenpolymerisat oder ein elektrisch leitendes Polymeres mit eingebauten Redox-Gruppen definierter Struktur enthalten. In einer weiteren sehr günstigen Ausführungsform der elektrochemischen Zellen oder Batterien wird - im geladenen Zustand - das kathodenaktive Material aus einem elektrisch leitenden Polymeren mit eingebauten Redox-Gruppen de- finierter Struktur und das anodenaktive Material entweder aus einem elektrisch leitenden, n-dotierten Acetylenpolymerisat, einem Pyrrol-Polymeren oder einem elektrisch leitenden Polymeren mit eingebauten Redox--Gruppen definierter Struktur, welches von dem der Kathode verschieden ist, gebildet.
  • Die erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen der Batterien können in einer außerordentlich großen Vielfalt von Formen hergestellt werden. Aufgrund des erfindungsgemäß einzusetzenden Elektrolyt-Lösungsmittels können die Elektroden der elektrochemischen Zellen oder Batterien sehr dicht gepackt werden, wodurch insbesondere der Bau von sehr kleinen, dünnen, leichten, als auch flexiblen Batterien begünstigt wird. In den erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen oder Batterien können Anode und Kathode auch durch Diaphragmen oder Separatoren, wie z.B. Filterpapier, Glasfritten, poröse keramische Werkstoffe oder poröse bzw. semipermeable polyniere Materialien voneinander getrennt sein. Der Zusammenbau der Batterien kann in geladenem oder ungeladenem Zustand erfolgen.
  • Die erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen oder Batterien zeichnen sich neben ihrem geringen Gewicht und ihrer hohen Energie- und Leistungsdichte insbesondere durch ihre große Stabilität, hohe Zyklisierbarkeit und geringe Selbstentladung aus. Die Batterien sind insbesondere als Sekundärelemente verwendbar, wobei ihre Eigenschaften selbst nach einer sehr hohen Anzahl von Wiederaufladevorgängen im wesentlichen unverändert und konstant sind.
  • Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele näher erläutert. Die in den Beispielen angegebenen Teile und Prozente beziehen sich, sofern nicht anders vermerkt, auf das Gewicht.
  • Beispiel 1 Es wurde ein elektrochemisches Element gebaut, indem in einen Zellenkörper aus Polymethylmethacrylat eine Lithium-Anode, eine Kathode aus einem elektrisch leitenden, p-dotierten Polyacetylen (Dotierung mit 6 % Asz6 elektrische Leitfähigkeit: 100 Q -1 cm~l) und ein Elektrolyt--System eingebracht wurden und der Zellenkörper danach luftdicht versiegelt wurde. Bei dem Elektrolyt-System handelte es sich um eine etwa 0,5-molare Lösung von Lithiumhexafluoroarsenat in einem Gemisch aus 75 % Tetrahydrofuran und 25 % dimeren Dioxan als Elektrolyt-Lösungsmittel. Die Batterie mit einer Ausgangsspannung von 4 V wurde über einen Belastungs- widerstand kontinuierlich bis auf 2 V entladen und anschließend wiederaufgeladen. Es konnten über 50 Entlade-/Auflade-Zyklen mit 100 % Ausbeute gefahren werden.
  • Beispiele 2 bis 10 Beispiel 1 wurde unter Variation des als Kathode eingesetzten Polymeren, des Elektrolytsalzes sowie des Elektrolytlösungsmittels wiederholt. Die Versuchsbedingungen sowie die erzielten Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefaßt.
  • Vergleichsversuch A bis C Die Beispiele 7 bis 9 wurden wiederholt, dabei jedoch auf den Einsatz der di- oder oligomeren heterocyclischen Verbindung verzichtet. Die Ergebnisse sind ebenfalls in der Tabelle wiedergegeben.
  • In der Tabelle bedeuten: PPy: Polypryrrol (CH)x: Polyacetylen THF: Tetrahydrofuran PC: Propylencarbonat Py-in: Pyrrolidin Imid.: Imidazol PVP: Polyvinylpyrrolidon Tabelle Beispiel/ Kathode Leitsalz Elektrolyt- Beladung/ Zyklen mit Vergleichs- Polymer dotiert mit Lösungsmittel Entladung 100% Ausbeute versuch 2 PPy 6% ClO4 Li ClO4 10% dimeres THF 4 V/2,5 V # 100 90% Acetonitril 3 (CH)x 3% BF4 Et4N BF4 5% dimeres Indol. 4 V/2 V # 30 95% PC 4 (CH)x 3% ClO4 Li ClO4 10% dimeres THF, 4 V/2 V # 30 90% PC 5 (CH)x 3% PF6 Et4N PF6 50% dimeres THF, 4 V/2 V # 30 50% PC 6 (CH)x 3% ShF6 Li SbF6 25% dimeres Py-in, 4 V/2 V # 50 75% PC 7 (CH)x 6% AlF4 Li AsF6 10% dimeres Imid., 4 V/2 V 50 90% PC A (CH)x 6% AlF4 Li AsF6 100% PC, 4 V/2 V <10 8 (CH)x 6% (F)x Li AsF6 10% dimeres Dixan, 4 V/2 V 50 90% Cyclohexan B (CH)x 6% (F)x Li AsF6 100% Cyclohexan 4 V/2 V < 5 9 (CH)x 6% AsF6 Li AsF6 100% oligomeres THF 4 V/2 V >100 C (CH)x 6% AsF6 Li AsF6 100% monomeres THF 4 V/2 V < 10 10 PPy 5% PF6 Et4NPF6 95% PVP 4 V/2,5 V >100 5% Dimethoxiethan

Claims (19)

  1. Patentansprüche 1. Elektrochemische Zelle oder Batterie, enthaltend mindestens 2 Elektroden sowie als Elektrolyten eine Lösung oder Suspension einer ionischen oder ionisierbaren Verbindung als Leitsalz in einem organischen, gegenüber den Elektroden indifferenten Elektrolyt-Lösungsmittel, wobei mindestens eine der Elektroden als aktives Elektrodenmaterial ein elektrochemisch oxidierbares und/oder reduzierbares Polymeres enthält, welches im oxidierten und/oder reduzierten Zustand eine elektrische Leitfähigkeit größer 10-2-1 l cm1 besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolyt-Lösungsmittel mindestens ein unvernetztes Dimeres und/oder Oligomeres einer heterocyclischen Verbindung enthalten ist.
  2. 2. Elektrochemische Zelle oder Batterie gemäß Anspruch 1, dadadurch gekennzeichnet, daß die als Elektrolyt-Lösungsmittel enthaltenen di-und/oder oligomeren, heterocyclischen Verbindungen ein Molekularge wicht im Bereich von 140 bis etwa 5.000 haben.
  3. 3. Elektrochemische Zelle oder Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolytlösungsmittel Polyvinylpyrrolidon enthalten ist.
  4. 4. Elektrochemische Zelle oder Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die als Elektrolytlösungsmittel enthaltenen di- und/oder oligomeren heterocyclischen Verbindungen durch oxidative, dehydrierende Kupplung erhaltene Di- und/oder Oligomere von 5- oder 6-Ring-Heterocyclen, insbesondere von solchen mit ein oder zwei Heteroatomen, sind.
  5. 5. Elektrochemische Zelle oder Batterie nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolytlösungsmittel Di- und/ oder Oligomere von Stickstoff- und/oder Sauerstoff-Atome enthaltenden Heterocyclen enthalten sind.
  6. 6. Elektrochemische Zelle oder Batterie nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolytlösungsmittel Di-und/oder Oligomere von gesättigten Heterocyclen enthalten sind.
  7. 7. Elektrochemische Zelle oder Batterie gemäß Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolytlösungsmittel Di- und/oder Oligomere von Tetrahydrofuran, Dioxan oder Dioxolan enthalten sind.
  8. 8. Elektrochemische Zelle oder Batterie gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolytlösungsmittel Di- und/oder Oligomere von gegebenenfalls N-substituiertem Pyrrolidin enthalten sind.
  9. 9. Elektrochemische Zelle oder Batterie gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolytlösungsmittel Di-und/oder Oligomere von heteroaromatischen Verbindungen enthalten sind.
  10. 10. Elektrochemische Zelle oder Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrolytlösungsmittel zu 5 bis 100 Gew.% aus den di- und/oder oligomeren heterocyclischen Verbindungen und zu 95 bis O Gew.% aus anderen üblichen organischen Elektrolytlösungsmitteln besteht.
  11. 11. Elektrochemische Zelle oder Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Leitsalz ein Alkalimetall-, tertiäres oder quaternäres Ammonium- oder tertiäres oder quaternäres Phosphonium-perchlorat, -tetrafluoroborat, -hexafluoroarsenat, -hexafluoroantimonat oder -hexafluorophosphat enthalten ist.
  12. 12. Elektrochemische Zelle oder Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das, das aktive Elektrodenmaterial bildende Polymer reversibel elektrochemisch oxidierbar und/oder reduzierbar ist.
  13. 13. Elektrochemische Zelle oder Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das, das aktive Elektrodenmaterial bildende, elektrochemisch oxidierbare und/oder reduzierbare Polymer ein elektrisch leitendes, p- oder n-dotiertes Acetylenpolymerisat ist.
  14. 14. Elektrochemische Zelle oder Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das, das aktive Elektrodenmaterial bildende, elektrochemisch oxidierbare und/oder reduzierbare Polymer ein Pyrrol-Polymer ist.
  15. 15. Elektrochemische Zelle oder Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das, das aktive Elektrodenmaterial bildende Polymer ein elektrisch leitendes Polymer ist, welches Redox--Gruppen mit definierter Struktur eingebaut enthält, die mindestens zwei stabile, ineinander überführbare Oxidationsstufen auszubilden vermögen.
  16. 16. Elektrochemische Zelle oder Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Elektrode aus einem Metall oder der Legierung eines Metalles mit einer Pauling-Elektronegativität von nicht mehr als 1, insbesondere aus Lithium oder Lithium-Legierungen, besteht, und das aktive Elektrodenmaterial der positiven Elektrode aus einem elektrisch leitfähigen, elektrochemisch oxidierbaren und/oder reduzierbaren Polymeren der genannten Art gebildet wird.
  17. 17. Elektrochemische Zelle oder Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Elektrodenmaterial der negativen Elektrode aus einem elektrisch leitfähigen, elektrochemisch oxidierbaren und/oder reduzierbaren Polymeren der genannten Art gebildet wird und die positive Elektrode aus einem üblichen, nicht-polymeren Elektrodenmaterial, insbesondere einem Metall oder Graphit, besteht.
  18. 18. Elektrochemische Zelle oder Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Elektrodenmaterial der negativen Elektrode aus einem elektrisch leitenden, n-dotierten Acetylenpolymerisat, einem Pyrrol-Polymeren oder einem elektrisch leitenden Polymeren mit eingebauten Redox-Gruppen definierter Struktur und das aktive Elektrodenmaterial der positiven Elektrode aus einem elektrisch leitenden, p-dotierten Acetylenpolymerisat, einem Pyrrol-Polymerem oder einem elektrisch leitenden Polymeren mit eingebauten Redox-Gruppen definierter Struktur gebildet wird, wobei das, das aktive Elektrodenmaterial der positiven Elektrode bildende Polymer eine höhere Oxidationsstufe besitzt als das, das aktive Elektrodenmaterial der negativen Elektrode bildende Polymer.
  19. 19. Elektrochemische Zelle oder Batterie gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Elektrodenmaterial der positiven und der negativen Elektrode aus unterschiedlichen, elektrisch leitenden, elektrochemisch oxidierbaren und/oder reduzierbaren Polymeren gebildet wird.
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