DE69113937T2

DE69113937T2 - Batterie und verfahren zu deren herstellung.

Info

Publication number: DE69113937T2
Application number: DE69113937T
Authority: DE
Inventors: Christine Jarvis; Robin Neat
Original assignee: Ultralife Batteries UK Ltd
Current assignee: Ultralife Batteries UK Ltd
Priority date: 1990-03-29
Filing date: 1991-03-28
Publication date: 1996-04-11
Anticipated expiration: 2011-03-29
Also published as: GB2242565A; GB9106704D0; CA2056444A1; JPH04506726A; DE69113937D1; EP0474821B1; GB9007104D0; GB2242565B; EP0474821A1; WO1991015035A1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Batterie und ein Verfahren zu Ihrer Herstellung.
Gewisse Materialien in Batterien und ein gewisser Aufbau von Batterien können zu Kontaminationsproblemen führen; zum Beispiel kann in einer ein Alkalimetall, wie Lithium, enthaltenden Batterie Wasser, sei es atmosphärisches Wasser oder latentes Wasser, zur Oxidation des Alkalimetalls in der Batterie führen, was wiederum eine Fehlfunktion oder völligen Ausfall der Batterie zur Folge hat.
Bei Versuchen zur Verminderung dieses Problems werden im allgemeine die Materialkomponenten der Batterie sorgfältig getrocknet und die Herstellung erfolgt in trockener Atmosphäre. Die Durchführung der (auf die Trocknung) folgenden Operationen ist sehr wichtig, da verschiedene Teile der Batterie hoch hydroskopisch sind und daher Wasser aus der Atmosphäre anziehen. Als Konsequenz sind die Herstellungskosten der Batterien sehr hoch.
Ferner ist es bei einigen Batteriekonstruktionen nicht möglich, das Wasser aus der Atmosphäre fernzuhalten; zum Beispiel bei Verwendung flüchtigen Materials, wie einer Mischung aus Propylen-Carbonaten (PC) und Äthylen-Carbonaten (EC) in der Batterie, gestalten sich die vorstehend beschriebenen Produktionstechniken sehr schwierig, da die Materialien (PC/EC) bei einer Trocknung ausgetrieben werden.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Schaffung einer Batterie und eines Verfahrens zu ihrer Herstellung, wobei die obigen Probleme vermindert oder beseitigt sind.
Gemäß einem ersten Aspekt besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Herstellung einer Batterie mit wenigstens einer elektrochemischen Zelle, umfassend die Bildung einer negativen Elekrode, einer positiven Elektrode, und eines festen Elektrolyten, und Dispergieren eines ersten Materials in dem festen/trockenen Elektrolyten der Art, daß die Konzentration des ersten Materials in der Nachbarschaft eines zweiten Materials der Batterie, mit der es (das erste Material) sonst reagieren würde, Null oder im wesentlichen Null ist.
Der Elektrolyt kann gebildet sein mit einem Konzentrationsgradienten des ersten Materials über seinen Querschnitt, oder kann geformt sein in zwei oder mehr verschiedenen Lagen mit verschiedenen Konzentrationen des ersten Materials.
Ein Verfahren zur Herstellung von Batterien gemäß der Erfindung ist besonders geeignet zur Verwendung bei Batterien, wie Lithiumbatterien, welche flüchtige Bestandteile enthalten, wie Propylen-Carbonat (PC) oder Äthylen-Carbonat (EC). Diese flüchtigen Bestandteile oder Verunreinigungen können nämlich mit anderen Teilen der Batterie, wie dem Lithiummetall oder Lithiumlegierung, reagieren und die Arbeitsweise der Batterie beeinträchtigen.
Das Verfahren gemäß der Erfindung wird vorzugsweise angewendet zur Herstellung von Batterien, die bei Raumtemperatur eingesetzt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt besteht die Erfindung in einer Batterie aus wenigstens einer elektrochemischen Zelle mit einer negativen Elektrode, einer positiven Elektrode und einem festen Elektrolyten, wobei in dem festen Elektrolyten ein erstes Material dispergiert ist mit einer Konzentration von Null bis fast Null in der Nachbarschaft eines zweiten Materials, mit dem es (das erste Material) sonst reagieren würde.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung umfaßt die elektrochemische Zelle eine negative Elektrode aus Lithiummetall oder Metall-Legierung, eine positive Elektrode aus Mangan-Dioxid (MnO&sub2;) und einen festen Elektrolyten aus Polyäthylen-Oxid (PEO), mit einer Mischung aus Propylencarbonat (PC) und Äthylen-Carbonat (EC) und Lithiumsalz, wie Lithiumtriflat (LiCF&sub3;SO&sub3;) darin dispergiert, wobei die Mischung von Propylencarbonat (PC) und Äthylencarbonat (EC) in dem Elektrolyten so dispergiert ist, daß der mit der negativen Elektrode in Kontakt stehende Elektrolyt frei von Propylen-Carbonat (PC) und Äthylen-Carbonat (EC) und jeglichen Verunreinigungen ist.
Bei diesem besonderen Aufbau der Batterie sind das Propylen-Carbonat (PC) und das Äthylen-Carbonat (EC) wichtige Bestandteile, die eine hydroskopische Natur aufweisen und somit eine kleine Menge von verunreinigendem Wasser enthalten können. Dieses Wasser muß von dem Lithium isoliert/getrennt werden, um Oxidation des Lithiums und damit eine Verschlechterung der Arbeitseigenschaften der Batterie zu vermeiden.
Ferner, da Propylen-Carbonat (PC) und Äthylen-Carbonat (EC) beide flüchtig sind, würden sie bei irgendeiner Trocknungs-Prozedur zur Entfernung von Wasser ausgetrieben werden. Daher ist die Zugabe von Propylen-Carbonat (PC) und Äthylen-Carbonat (EC) nach der Trocknungsoperation, und die Isolierung/Trennung dieser (EC und PC) von dem Lithium, eine ideale Lösung.
Die Herstellung dieser bevorzugten Ausführungs form der Erfindung wird vorzugsweise bewirkt durch Anwendung der folgenden Stufen:
Herstellung in einer trockenen Atmosphäre aus trockenen Materialien der getrennten Komponenten, umfassend eine negative Elektrode, eine positive Elektrode und einen festen Elektrolyten aus Polyäthylenoxid (PEO), enthaltend ein Lithiumsalz, z. B. Lithiumtrifat (LiCF&sub3;SO&sub3;), aber nicht enthaltend Propylen-Carbonat (PC) oder Äthylen-Carbonat (EC); Anwendung/Auftragen einer Mischung von Propylen-Carbonat (PC) und Äthylen-Carbonat (EC) auf die Oberfläche des festen Elektrolyten; Zusammenfügen der Komponenten zusammen, so daß die Oberfläche des mit dem Propylen-Carbonat (PC) und Äthylen-Carbonat (EC) bedeckten Elektrolyten nicht in Kontakt ist mit der negativen Elektrode, wodurch die Batterie gebildet wird; und Vorladung der Batterie bei einer Temperatur zwischen 70ºC und 120ºC.
Bei normaler Temperatur und normalem Druck wandert das auf die Oberfläche des festen Elektrolyten aufgetragene Propylen-Carbonat (PC) und Äthylen-Carbonat (EC) langsam in den Körper des Polyäthylenoxids (PEO) wie auch in die positive Elektrode. Die Menge des Eindringens ist jedoch nicht ausreichend, irgendwelche Probleme bei der negativen Elektrode zu bewirken. Nun, durch das Vorladen der Batterie zwischen 70ºC und 120ºC wird das Polyäthylenoxid (PEO) erweicht, so daß das Propylen-Carbonat (PC) und Äthylen-Carbonat (EC) leichter durch das Polyäthylenoxid (PEO) eindringen kann, so daß man eine gleichmäßige Verteilung erreichen wird. Gleichzeitig werden durch die Vorladung sämtliche in der Propylen-Carbonat/Äthylen- Carbonat-Mischung vorhandenen Verunreinigungen eingeschlossen.
Den Fachleuten wird klar, daß die Erfindung angewendet werden kann bei jeglicher passender elektrochemischen Zelle bzw. Batterie, wo potentiell interaktive Materialien vorhanden sind und es notwendig ist, entweder diese Materialien voneinander zu isolieren vor der anfänglichen Aufladung oder Entladung der elektrochemischen Zelle/Batterie, wie in obigem Beispiel, oder wo es notwendig ist, eine längere Periode der Trennung aufrecht zu erhalten.
Die Erfindung kann angewendet werden in einem weiten Umfang von Situationen und Batterie-Konstruktionen, zum Beispiel bei allen Batterien mit Alkalimetall, bei denen Wasserkontamination ein Problem sein könnte.
Es ist zu bemerken, daß die Dicke des Elektrolytmaterials, welches die interaktiven Materialien voneinander isoliert, nicht kritisch ist für die Ausübung der Erfindung. Bei der Herstellung einer Batterie gemäß der Erfindung sollte jedoch die Dicke des Elektrolytmaterials berücksichtigt werden und sollte immer ausreichend sein, daß die erforderliche Isolierung während der erforderlichen Zeitdauer gesichert wird. Dies bedeutet in den meisten Fällen, daß die Dicke relativ klein im Verhältnis mit der Dicke der Masse des Elektrolyten sein kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung die die positive Elektrode gebildet aus Mangandioxid (MnO&sub2;), verteilt in einem Polymer-Material, wie dem des Elektrolyten.
Die Erfindung kann angewendet werden bei den meisten nicht wäßrigen, primäre oder sekundären elektrochemischen Zellen.

Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise beschrieben anhand der beigefügten Zeichnungen, wobei
Figur 1 ist eine schematische Ansicht einer Batterie gemäß der Erfindung; und
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch das Material des Kerns der Batterie nach Figur 1.

Ausführungsbeispiel der Erfindung

Gemäß Figur 1 besteht eine Trockenbatterie gemäß der Erfindung aus einem Kern 1, einer Umhüllung aus nicht porösem, wasserbeständigem Material 2, welche den Kern vollständig umgibt, einem negativen Anschluß 3, der sich durch die Umhüllung 2 hindurch erstreckt und die Verbindung der Batterie mit einem Gerät ermöglicht, und einem positiven Anschluß 4, der sich durch die Umhüllung 2 erstreckt und auch die Verbindung der Batterie mit einem Gerät ermöglicht.
Der positive und der negative Anschluß 3, 4 sind hermetisch versiegelt, so daß der Kern 1 der Batterie gegen die Atmosphäre geschützt ist, und sind elektrisch voneinander isoliert.
Gemäß Figur 2 umfaßt das Kernglied 1 der Batterie vier Lagen wie folgt:
Eine erste Lage 5 aus Lithiummetall oder Lithiumlegierung bildet die negative Elektrode der Batterie und ist elektrisch mit dem negativen Anschluß 3 verbunden. Eine zweite Lage 6 bildet den festen Elektrolyten der Batterie und besteht aus Polyäthylenoxid (PEO), in dem ein Lithiumsalz, wie Lithiumtriflat dispergiert ist, und über dem sich von der ersten Lage 5 zu einer dritten Lage 7 ein Konzentrationsgradient von Äthylen-Carbonat (EC) und Propylen-Carbonat (PC) erstreckt der Art, daß in der Nachbarschaft der ersten Lage 5 (negative Elektrode) die Konzentration des Äthylen-Carbonats (EC) und Propylen-Carbonats (PC) Null oder fast Null ist. Die dritte Lage 7 bildet die positive Elektrode der Batterie und besteht aus Mangandioxid (MnO&sub2;) als aktivem Material, dispergiert in einem Polymermaterial, zum Beispiel dem Material des festen Elektrolyten der Batterie. Eine vierte Lage 8 bildet den üblichen Kollektor.
Die obige Lagenstruktur bildet eine elektrochemische Zelle der Batterie, welche die notwendige elektrochemische Energie liefert.
Die oben beschriebene Batterie wird nach folgender Technik hergestellt. Die negative Elektrode 5, die positive Elektrode 7, der Stromkollektor 8 und der feste Elektrolyt 6 (nicht enthaltend die Propylen-Carbonat (PC)-Äthylen-Carbonat (EC)- Mischung) werden fabriziert, sorgfältig getrocknet und unter trockener Athmosphäre gehalten. Die negative Elektrode 5 und der trockene Elektrolyt 6 werden zusammengefügt und auf die von der negativen Elektrode 5 entfernte Oberfläche des festen Elektrolyten 6 wird aufgetragen eine Mischung aus Propylen-Carbonat (PC) und Äthylen-Carbonat (EC) in passendem Verhältnis, relativ zu der Masse des Elektrolytmaterials. Die positive Elektrode 7 und der Stromkollektor 8 werden zusammengefügt mit der negativen Elektrode 5 und dem festen Elektrolyten 6, zur Bildung einer Batterie-Vorform. Die Batterie-Vorform wird nun zu einer Batterie geformt und vorgeladen bei 100ºC.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Batterie mit wenigstens einer elektrochemischen Zelle, umfassend die Bildung einer negativen Elekrode, einer positiven Elektrode, und eines festen Elektrolyten, gekennzeichnet durch Dispergieren eines ersten Materials in dem festen Elektrolyten (6) der Art, daß die Konzentration des ersten Materials in der Nachbarschaft eines zweiten Material (5) der elektrochemischen Zelle, mit dem es (das erste Material) sonst reagieren würde, Null oder fast Null ist.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Material vorgesehen ist als eine Beschichtung auf einer Oberfläche des Elektrolyten und in den Elektrolyten eindringt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Beschichtung des ersten Materials angewendet wird auf eine Oberfläche des Elektrolyten gegenüber der Oberfläche, die in Kontakt ist mit der negativen Elektrode, wobei die negative Elektrode gebildet ist aus dem zweiten Material, getrennt von dem ersten Material durch den Elektrolyten.

4. Ein Verfahren nach Anspruch 3, wobei die negative Elektrode zusammengesetzt ist aus einem Material, welches mit Wasser reagiert und wobei das erste Material flüchtig ist und Wasser als eine Verunreinigung enthält.

5. Ein Verfahren nach Anspruch 4, wobei die negative Elektrode aus Lithiummetall oder Lithiumlegierung besteht.

6. Ein Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei das erste Material aus Propylen-Carbonat oder Äthylen-Carbonat besteht.

7. Ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektrolyt umfaßt bzw. besteht aus Polyäthylenoxid und einem Lithiumsalz.

8. Ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batterie nach dem Zusammenfügen vorgeladen wird bei einer Temperatur zwischen 70ºC und 120ºC.

9. Ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die positive Elektrode Mangandioxid, dispergiert in einem polymeren Material, enthält bzw. umfaßt.

10. Eine Batterie aus wenigstens einer elektrochemischen Zelle aus einer negativen Elektrode, einer positiven Elektrode und einem festen Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß in dem festen Elektrolyten ein erstes Material dispergiert ist mit einer Konzentration von Null oder fast Null in der Nachbarschaft eines zweiten Materials der Batterie, mit der es (das erste Material) sonst reagieren würde.

11. Eine Batterie nach Anspruch 10, wobei das erste Material vorgesehen ist als eine Beschichtung auf einer Oberfläche des Elektrolyten und in den Elektrolyten eindringt.

12. Eine Batterie nach Anspruch 11, wobei die Beschichtung des ersten Materials auf eine Oberfläche des Elektrolyten aufgebracht wird, die gegenüberliegt einer Oberfläche, die mit der negativen Elektrode in Kontakt ist, wobei die negative Elektrode aus dem zweiten Material besteht, getrennt von dem ersten Material durch den Elektrolyten.

13. Eine Batterie nach Anspruch 12, wobei die negative Elektrode aus einem Material besteht, welches mit Wasser reagiert, und das erste Material flüchtig ist und Wasser als Verunreinigung enthält.

14. Eine Batterie nach Anspruch 13, wobei die negative Elektrode aus Lithiummetall oder Lithiumlegierung besteht.

15. Eine Batterie nach Anspruch 13 oder 14, wobei das erste Material Propylen-Carbonat und Äthylen-Carbonat ist bzw. umfaßt.

16. Eine Batterie nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei der Elektrolyt Polyäthylenoxid und Lithiumsalz ist.

17. Eine Batterie nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei die positive Elektrode Mangandioxid, dispergiert in einem Polymermaterial, umfaßt.