DE8810976U1 - Electrochemical cell - Google Patents

Electrochemical cell

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Description

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Bes ehr &bgr; i b u &eegr; &agr;Bes ehr &bgr; i b u &eegr;&agr;

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, bei der die Elektroden (Anode, Kathode) unter jeweiliger Zwischenanordnung eines Separators in einer Rundanordnung lagenweise von innen nach außen abwechselnd angeordnet sind.The invention relates to an electrochemical cell in which the electrodes (anode, cathode) are arranged alternately in layers from the inside to the outside in a circular arrangement with a separator in between.

Die elektrochemische Zelle der Erfindung bezieht sich dabei insbesondere auf eine Lithium-Zelle mit einer Lithium-Anode für Hochleistungsanwendung, wobei die Kathode vorzugsweise eine MnO„-Kathode ist, wobei aber auch andere Kathodenmaterialien denkbar sind.The electrochemical cell of the invention relates in particular to a lithium cell with a lithium anode for high-performance applications, wherein the cathode is preferably a MnO" cathode, but other cathode materials are also conceivable.

Unter der "Rundanordnung" der Zelle ist dabei entweder die Bobbin-Bauweise oder die Wickelbauweise zu verstehen. Bei der Bobbin-Bauweise sind die Elektroden als zylindrische Röhren ausgeführt und stecken durch einen ebenfalls zylindrischen Separator getrennt senkrecht ineinander. Bei der Wickelbauweise werden die Komponenten (Elektroden sowie Separator) als lange Streifen übereinandergelegt und zu einem festen Spiralwickel gedreht. Mit der Wickelbauweise lassen sich höchste elektrische Leistungen erzielen.The "round arrangement" of the cell refers to either the bobbin design or the winding design. In the bobbin design, the electrodes are designed as cylindrical tubes and are inserted into each other vertically, separated by a separator that is also cylindrical. In the winding design, the components (electrodes and separator) are laid on top of each other as long strips and twisted into a solid spiral coil. The winding design enables the highest electrical outputs to be achieved.

Die Verwendung von Lithium als Anodenmaterial hat den Vorteil, daß dieses Element das größte Negativpülential aller Elements sowie die höchste gewichtsspezifische Kapazität aller Anoden- «afeerialien aufweist. Aus diesem Grunde bilden Lithium-Zellen Hochleistungszellen. Kombinieren läßt sich die Lithium-Anöde mit einer Kathode beispielsweise aus Mangandioxid (MnO2), also mit einer Feststoffkathode. Denkbar sind aber auch Flüssigkathoden. The use of lithium as an anode material has the advantage that this element has the greatest negative potential of all elements and the highest weight-specific capacity of all anode materials. For this reason, lithium cells form high-performance cells. The lithium anode can be combined with a cathode made of manganese dioxide (MnO 2 ), for example, i.e. with a solid cathode. Liquid cathodes are also conceivable.

Ein Problem bei elektrochemischen Zeilen der eingangs angegebenen Art besteht in der äußersten Elektrodenlage. So bietet ■an beispielsweise bei Lithium-Zellen insbesondere in der Wickelbauweise in der äußersten Lithiumlage mehr Lithium an •ls man mittels der benachbarten Gegenkathode entladen kann. Die Kapazität der äußersten Lithiumlage ist somit nicht vollständig zu entnehmen, da keine ausreichend dimensionierte Cegenkathode zur Verfügung steht. Eine optimale Ausnutzung des tür Verfügung stehenden Volumens insbesondere bei Verwendung von Feststoffkathoden ist jedoch nur möglich, wenn die Kapazität von Anode und Kathode in der äußeren Lage eines Elektrodenwickels aufeinander abgestimmt sind. Gleiches gilt natürlich auch entsprechend für die Bobbin-Bauweise.One problem with electrochemical cells of the type mentioned above is the outermost electrode layer. For example, in lithium cells, particularly in the winding design, the outermost lithium layer offers more lithium than can be discharged using the adjacent counter cathode. The capacity of the outermost lithium layer cannot therefore be fully extracted because there is no sufficiently dimensioned counter cathode available. However, optimal use of the available volume, particularly when using solid cathodes, is only possible if the capacity of the anode and cathode in the outer layer of an electrode winding are matched to one another. The same naturally applies to the bobbin design.

Ein Überschuß von freiem Lithium bei entladener Zelle stellt ein akutes Sicherheitsrisiko dar, wenn die Zelle beispielsweise durch Umpolen oder Aufladen mißhandelt wird. Dies kann zum Bersten der Zelle führen, was natürlich eine sehr große Unfallgefahr darstellt. Diese Gefahr besteht insbesondere dann, wenn in einer Batterie mehrere Zeilen zusämmengeschÄltet sind. Dort wird die Zelle mit der geringsten Kapazität am Ende der Entladung durch die übrigen Zellen umgepolt. Um die beschriebenen Unfallgefahren auszuschließen, wird bisher normalerweise der durch die Umpolung entstehende Fehlstrom bei Batterien mit Lithium-Hochleistungszellen durch eine parallelgeschaltete Diode teilweise übernommen. Diese Schutzmaßnahme in Form elfter Diode ist jedoch technisch aufwendig»An excess of free lithium in a discharged cell represents an acute safety risk if the cell is mistreated, for example by reversing the polarity or charging. This can cause the cell to burst, which of course represents a very high risk of accident. This risk is particularly present when several rows are connected together in a battery. The cell with the lowest capacity is reversed by the other cells at the end of the discharge. In order to rule out the described risk of accidents, the fault current caused by the polarity reversal in batteries with high-performance lithium cells is normally partially absorbed by a diode connected in parallel. However, this protective measure in the form of an eleventh diode is technically complex.

Aus der DE-OS 33 01 297 ist eine elektrochemische Zelle in Wickelbauweise mit einer Lithium-Anode bekannt, die aus zwei aufeinanderliegenden Anodenstreifen besteht. Zwischen den Anodenstreifen ist ein Kupferstreifen eingebettet, der Beschädi- From DE-OS 33 01 297, an electrochemical cell in a winding design with a lithium anode is known, which consists of two anode strips lying on top of each other. A copper strip is embedded between the anode strips, which prevents damage.

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gungen der Zelle bei irregulärer Betriebsweise verhindern soll.to prevent damage to the cell during irregular operation.

Weiterhin sind elektrochemische Zellen bekannt, bei denen zwischen den Elektroden ein Separator aus Mikroglasfasern angeordnet ist und die einen Elektrolyten aufweisen..Beim Separator aus Mikroglasfasern macht man sich dabei die positiven Eigenschaften im Hinblick auf die chemische Beständigkeit sowie elektrischen Eigenschaften zunutze, die diese bieten. Aller dings besitzen die bekannten Vliesstoffe (Papiere) aus Mikroglasfasern, wie sie für Separatoren verwendet werden, auch Nachteile.Electrochemical cells are also known in which a separator made of micro glass fibers is arranged between the electrodes and which have an electrolyte. The separator made of micro glass fibers makes use of the positive properties in terms of chemical resistance and electrical properties that these offer. However, the well-known nonwovens (papers) made of micro glass fibers, as used for separators, also have disadvantages.

Zum einen besitzen derartige Separatoren nur eine geringe mechanische Stabilität und Festigkeit und sind somit nur wenig belastbar. Dies kann soweit führen, daß in Wickelzellen mit Kathoden, die während der Entladung der Zelle ihr Volumen vergrößern, wie dies beispielsweise bei Mn02-Kathoden der Fall ist, die Separatoren bei der Entladung beschädigt werden können. Dies kann zu unkontrollierbaren Folgeerscheinungen führen, so daß aufgrund der nicht erreichten notwendigen Festigkeitswerte der Separatoren die Sicherheit gefährdet int. Zum anderen besteht bei der mangelnden Dichtheit der bekannten Separatoren die Gefahr, daß sich das Anodenmaterial durch die vorhandenen Fehlstellen durchdrückt. Dies ist insbesondere bei dem weichen Lithium als Anodenmaterial der Fall.Firstly, such separators have only low mechanical stability and strength and can therefore only bear a small load. This can lead to the separators being damaged during discharge in wound cells with cathodes that increase in volume during the discharge of the cell, as is the case with Mn0 2 cathodes, for example. This can lead to uncontrollable consequences, so that safety is endangered because the necessary strength values of the separators are not achieved. Secondly, the lack of tightness of the known separators means that there is a risk that the anode material will push through the existing defects. This is particularly the case with soft lithium as the anode material.

Aus diesen Grunde ist beispielsweise bei Blei-Akkumulatoren bereits vorgeschlagen Morden, die Mikroglasfasern der Separatoren mittels eines Bindemittels tu verfestigen, wobei dieses= nachteiligerweise in organischen Lösungsaitteln yrc£»str "dig ist.For this reason, for example in the case of lead-acid batteries, it has already been proposed to use a binding agent to strengthen the micro glass fibres of the separators, which, unfortunately , is insoluble in organic solvents.

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Weiterhin wurde in der DE-OS 33 23 333 ein Separator aus Mikroglasfasern vorgeschlagen, die mittels eines Bindemittels beispielsweise in Form von Polyvinylalkohol verfestigt sind. Allerdings weisen dort die Zellen flüssige positive Elektroden auf.Furthermore, in DE-OS 33 23 333, a separator made of micro glass fibers was proposed, which are solidified using a binding agent, for example in the form of polyvinyl alcohol. However, the cells there have liquid positive electrodes.

Ein weiteres Problem bei elektrochemischen Zellen und dabei insbesondere bei Lithium-Zellen stellt der Hochleistungsbereich, beispielsweise beim Antrieb, dar. Hier sind Lithium-Batterien mit organischem Elektrolyten bisher bei tiefen Temperaturen bis zu - 300C nur eingeschränkt einsetzbar, da die C Spannungslage sowie entnehmbare Kapazität bei Temperaturen unter 00C vor allem bei hohen Belastungen stark abnimmt. Dajurch können die Vorteile von Lithium-Zellen mit ungiftigen, organischen Elektrolyten in manchen Anwendungsbereichen nicht genutzt werden.Another problem with electrochemical cells, and in particular with lithium cells, is the high-performance range, for example in drives. Lithium batteries with organic electrolytes can only be used to a limited extent at low temperatures of up to -30 0 C, as the C voltage level and the available capacity decrease sharply at temperatures below 0 0 C, especially under high loads. As a result, the advantages of lithium cells with non-toxic, organic electrolytes cannot be used in some areas of application.

Ein weiteres Problem besteht in der Schaffung einer stabilen Separatorbindemittel/Elektrolyt-Kombination. Es hat sich nämlich gezeigt, daß bestimmte Separatorbindemittel in Zellen mit organischem Elektrolyten oft nicht verwendbar sind.Another problem is the creation of a stable separator binder/electrolyte combination. It has been shown that certain separator binders are often not usable in cells with organic electrolytes.

Aus der DE-PS 23 04 424 ist eine elektrochemische Zelle mit , einem Elektrolyten bekannt, der eine Mischung von Dioxolan mit Ethylencarbonat vorsieht.From DE-PS 23 04 424 an electrochemical cell with an electrolyte is known which provides a mixture of dioxolane with ethylene carbonate.

Ausgehend von einer elektrochemischen Zelle, insbesondere &ngr; Lithium-Zelle, der eingangs angegebenen Art liegt der Erfin- PC dung die Aufgabe zugrunde, ohne großen technischenStarting from an electrochemical cell, in particular a lithium cell, of the type specified at the outset, the invention is based on the task of providing, without major technical

Aufwand die Sicherheit der Zelle zu erhöhen.Efforts to increase the safety of the cell.

Als technische Lösung wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß die ganz außen liegende Elektrodenlage der Zelle eine geringere, insbesondere im wesentlichen halb so dicke Materialetarke aufweist als die entsprechenden Elnktrodenlagen im Innern der Zelle.As a technical solution, the invention proposes that the outermost electrode layer of the cell has a lower material thickness, in particular essentially half as thick, than the corresponding electrode layers inside the cell.

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Eine nach dieser technischen Lehre ausgebildete elektrochemische Zelle hat den Vorteil, daß ihre Sicherheit ganz entscheidend verbessert ist, ohne daß es dazu eines besonderen technischen Aufwandes bedarf. Der Grundgedanke liegt dabei darin, bei der äußersten Elektrodenlage das Angebot an Elektrodenmaterial zu verringern, beispielsweise bei einer Lithium-Anode das Lithiumangebot. Neben einer vorteilhaften Gewinnung eines Minimums an Volumen hat man in einer leeren Lithium-Zelle dann kein freies Lithium mehr, da die Zelle nicht mehr aktive Massen enthält als tatsächlich entladbar sind. Die Kapazität der Zelle ist dabei konstruktiv sehr genau festzulegen und fertigungstechnisch sehr genau einzuhalten. Dies ist ein entscheidender Vorteil in der Sicherheit, wenn die Zelle durch Umpolen oder Aufladen mißhandelt wird. Insbesondere wird die Zelle auch ohne besondere Schutzmaßnahmen in Form von Dioden sicher.An electrochemical cell designed according to this technical theory has the advantage that its safety is significantly improved without requiring any special technical effort. The basic idea is to reduce the supply of electrode material in the outermost electrode layer, for example the lithium supply in a lithium anode. In addition to the advantageous extraction of a minimum of volume, there is no free lithium left in an empty lithium cell, since the cell does not contain more active mass than can actually be discharged. The capacity of the cell must be determined very precisely in terms of design and adhered to very precisely in terms of production technology. This is a decisive advantage in terms of safety if the cell is mistreated by reversing the polarity or charging. In particular, the cell is safe even without special protective measures in the form of diodes.

Der erfindungsgemäße Gedanke läßt sich sowohl für elektrochemische Zellen in der sogenannten Bobbin-Bauweise als auch für Zellen in Wickelbauweise anwenden.The inventive concept can be applied both to electrochemical cells in the so-called bobbin design and to cells in the wound design.

Ausgehend von der letztgenannten elektrochemischen Zelle in Wickelbauweise, wobei die Anode, insbesondere Lithium-Anode, aus zwei aufeinanderliegenden Anodenstreifen besteht, wird in einer Weiterbildung vorgeschlagen, daß die Anode in der Zelle außen aufgewickelt ist und daß der eine Anodenstreifen bezüglich zum anderen Anodenstreifen derart verkürzt 1st, daß die äußerste Anodenlage der Zelle nur aus einem einzigen Anodenstreif ^n besteht.Starting from the last-mentioned electrochemical cell in a wound construction, where the anode, in particular lithium anode, consists of two anode strips lying on top of one another, it is proposed in a further development that the anode in the cell is wound on the outside and that one anode strip is shortened in relation to the other anode strip in such a way that the outermost anode layer of the cell consists of only a single anode strip.

Eine derartige Zelle, insbesondere Lithium-Zelle in der sogenannten Wickelbauweise läßt sich sehr einfach herstellen. Die Anodenfolien werden dabei mit der entsprechenden Gegenelektrode gewickelt, wobei der eine Anodenstreifen der Anode von normaler Länge ist, während der andere Anodenstreifen demgegen-Such a cell, especially a lithium cell in the so-called winding construction, is very easy to manufacture. The anode foils are wound with the corresponding counter electrode, whereby one anode strip of the anode is of normal length, while the other anode strip is

über verkürzt ist. Die äußerste Anodenlage ist dabei halb so dick wie die Anodenlage im Innern der Zelle, so daß die äußerste Anodenlage über die Lebensdauer der Zelle vollständig verbraucht wird. Bei einer Lithium-Zelle wird als Kathode insbesondere eine Feststoffkathode verwendet, vorzugsweise aus Mangandioxid.over shortened. The outermost anode layer is half as thick as the anode layer inside the cell, so that the outermost anode layer is completely used up over the life of the cell. In a lithium cell, a solid cathode is used as the cathode, preferably made of manganese dioxide.

Vorteilhafterweise ist der äußere Anodenstreifen bezüglich zum inneren Anodenstreifen der äußersten Anodenlage der Zelle verkürzt. Advantageously, the outer anode strip is shortened relative to the inner anode strip of the outermost anode layer of the cell.

In einer weiteren Weiterbildung wird vorgeschlagen, daß zwischen den beiden Anodenstreifen ein Ableitstreifen aus elektrisch leitendem Material, insbesondere aus Kupfer, angeordnet ist. Diese eingelegte Ableitfolie hat den Vorteil, daß auf technisch einfache Weise der entsprechende Pol der Zelle nach außen geführt werden kann.In a further development, it is proposed that a discharge strip made of electrically conductive material, in particular copper, is arranged between the two anode strips. This inserted discharge foil has the advantage that the corresponding pole of the cell can be led outwards in a technically simple manner.

Vorzugsweise sind die beiden Anodenstreifen fest miteinander verbunden, insbesondere sind sie miteinander verpreßt. Dies erweist sich insbesondere bei einer Lithium-Anode von Vorteil, da das Lithium ein sehr weiches Metall ist, so daß durch einfache Druckausübung die Anodenstreifen dauerhaft zusammengepreßt werden können.Preferably, the two anode strips are firmly connected to one another, in particular they are pressed together. This is particularly advantageous for a lithium anode, since lithium is a very soft metal, so that the anode strips can be permanently pressed together by simply applying pressure.

In einer Weiterbildung des Separators wird vorgeschlagen, daß dieser aus Mikrofasern, insbesondere Mikroglasfasern, besteht, die mittels eines Bindemittels verfestigt sind. Vorzugsweise ist das Bindemittel des Separators ein Butadienkautschuk.In a further development of the separator, it is proposed that it consists of microfibers, in particular microglass fibers, which are solidified by means of a binding agent. The binding agent of the separator is preferably a butadiene rubber.

Der Vorteil in der Verwendung eines Bindemittels für den Separator liegt darin, daß man diesen sehr dünn gestalten kann, so daß eine hohe Leistungsfähigkeit der Zelle gewährleistet ist. Der Vliesstoff erhält eine sehr gute mechanische Stabilität und wird bruchfest und ist für viele FertigungstechnikenThe advantage of using a binding agent for the separator is that it can be made very thin, thus ensuring high cell performance. The nonwoven fabric has very good mechanical stability and is break-resistant, making it suitable for many manufacturing techniques.

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ausreichend zugfest, so daß er beispielsweise auf Wickelautomaten für die Herstellung von Wickelzellen verwendbar ist. Gleichzeitig besitzt der Vliesstoff die notwendige Dichtheit gegen Durchdrücken insbesondere der weichen Lithium-Anode, so daß insbesondere eine hohe Sicherheit der Zelle gewährleistet ist. Dies gilt auch für den Fall, daß die Zelle fälschlicherweise aufgeladen wird. Trotz des Butadienkautschuks als Bindemittel für den Separator ist eine hohe Porosität von ca. 90 % gewährleistet, so daß die entsprechende elektrochemische Zelle als Hochleistungszelle geeignet ist. So ist es beispielsweise möglich, eine prismatische Lithium-MnO2- j Hochleistungszelle von 2,8 V, 60 Ah sowie 120 A zu schaffen, die bis zu Temperaturen von 1500C am Ende der Entladung betrieben werden kann.sufficiently tensile so that it can be used, for example, on winding machines for the production of wound cells. At the same time, the nonwoven material has the necessary tightness to prevent the soft lithium anode in particular from being pushed through, so that a high level of safety of the cell is guaranteed. This also applies in the event that the cell is incorrectly charged. Despite the butadiene rubber as a binding agent for the separator, a high porosity of approx. 90 % is guaranteed, so that the corresponding electrochemical cell is suitable as a high-performance cell. For example, it is possible to create a prismatic lithium MnO 2 - j high-performance cell of 2.8 V, 60 Ah and 120 A, which can be operated at temperatures of up to 150 0 C at the end of the discharge.

Vorzugsweise enthält der Butadienkautschuk Acrylnitrit zu vorzugsweise 40 95, Methacrylsäure zu vorzugsweise 5 % sowie Butadien zu vorzugsweise 55 56. Dieser Stoff ist als "Perbunan NKA 8250" von der Firma BASF bekannt.The butadiene rubber preferably contains acrylonitrile, preferably 40% to 95%, methacrylic acid, preferably 5 % , and butadiene, preferably 55% to 56%. This substance is known as "Perbunan NKA 8250" from BASF.

Der Anteil des Bindemittels beträgt zwischen 2 % und 10 %, vorzugsweise 7 % vom Gewicht der 'iikrofasern.The proportion of binding agent is between 2 % and 10 %, preferably 7 % of the weight of the microfibers.

Weiterhin beträgt das Flächengewicht des Separators vorzugs-Furthermore, the basis weight of the separator is preferably

weise ungefähr 50 g/m .approximately 50 g/m .

In einer Weiterbildung des Elektrolyten der elektrochemischen Zelle wird vorgeschlagen, daß dieser sin organischer Elektrolyt ist.In a further development of the electrolyte of the electrochemical cell, it is proposed that this is an organic electrolyte.

Es hat sich nämlich gezeigt, daß ein Separator mit Butadienkautschuk als Bindemittel überraschenderweise in Zellen, insbesondere Lithium-Zellen mit organischem Elektrolyten verwendbar ist. Es ist somit eine chemisch stabile Separatotbindewittel/Elektrolyt-Komblnation geschaffen. Neben der chemischen Beständigkeit des Butadienkautschuks in organischen Elektroly-It has been shown that a separator with butadiene rubber as a binding agent can surprisingly be used in cells, especially lithium cells with organic electrolytes. This creates a chemically stable separator binding agent/electrolyte combination. In addition to the chemical resistance of the butadiene rubber in organic electrolytes,

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ten ist er auch thermisch beständig. Öle chemische Beständigkeit des Butadienkautschuks im Hinblick auf den organisohen Elektrolyten ist aber ein weiterer Sioherheitsgewinn der elektrochemischen Zelle, da der Separator die an ihn gestellten Anforderungen über die gesamte Lebensdauer der Zelle zuverlässig erfüllen kann.It is also thermally resistant. The chemical resistance of the butadiene rubber with regard to the organic electrolyte is a further safety benefit for the electrochemical cell, as the separator can reliably meet the requirements placed on it over the entire service life of the cell.

In einer Weiterbildung des organischen Elektrolyten der elektrochemischen Zelle wird vorgeschlagen, daß dieser ein organisches Lösungsmittelgemisch aus Ethylencarbonat und Dioxolan ist, in dem ein Leitsalz in Form des Salzes der Perchlorsäure gelöst ist. Durch einen Elektrolyten dieser Art in Verbindung mit dem Butadienkautschuk als Bindemittel für den Separator wird eine Lithium-Hochleistungszelle insbesondere mit einer Mn0o-Kathode geschaffen, die für tikfe Temperaturen bis zu -300C sowie hohe Belastungen geeignet ist, indem der Elektrolyt die Spannungslage insbesondere bei diesen tiefen Temperaturen von -3O0C erhöht. So werden bei -300C etwa die gleichen Leistungsmerkmale erreicht wie sonst bei O0C bei herkömmlichen Elektrolyten. Die Elektrolyten setzen sich dabei aus preiswerten Komponenten zusammen, die vor allem auch umweltfreundlich sind und im Vergleich zu anderen Elektrolyten frei von Arsen, Fluor, Nitrilen, Säuren sowie chlorierten Kohlenwasserstoffen ist.In a further development of the organic electrolyte of the electrochemical cell, it is proposed that this be an organic solvent mixture of ethylene carbonate and dioxolane in which a conducting salt in the form of the salt of perchloric acid is dissolved. By using an electrolyte of this type in combination with butadiene rubber as a binding agent for the separator, a high-performance lithium cell is created, in particular with an Mn0 o cathode, which is suitable for low temperatures down to -30 0 C and high loads, as the electrolyte increases the voltage level, particularly at these low temperatures of -30 0 C. In this way, approximately the same performance characteristics are achieved at -30 0 C as with conventional electrolytes at 0 0 C. The electrolytes are made up of inexpensive components which are above all environmentally friendly and, in comparison to other electrolytes, are free of arsenic, fluorine, nitriles, acids and chlorinated hydrocarbons.

Das wesentliche Merkmal eines für tiefe Temperaturen und hohe Belastungen geeigneten Elektrolyten ist nämlich seine Fähigkeit, unter diesen beiden Bedingungen möglichst hohe Konzentrationen von einem Leitsalz zu lösen. Diese Eigenschaften Herden erreicht durch Verwendung einer organischen Substanz mit einer sehr hohen Dielektrizitätskonstanten, die unter Nor· malbedingungen ein Feststoff ist und im geschmolzenen Zustand eine sehr große Menge eines Leitsalzes lösen kann. Die gunstigen Tieftemperatureigenschaften «erden dabei erreicht durch Verdünnen dieses Basiselektrolyten mit einem geeigneten Lösungsmittel, das vorzugsweise aus fünfgliedrigen HeterozyklenThe essential characteristic of an electrolyte suitable for low temperatures and high loads is its ability to dissolve the highest possible concentrations of a conducting salt under these two conditions. These properties are achieved by using an organic substance with a very high dielectric constant, which is a solid under normal conditions and can dissolve a very large amount of a conducting salt in the molten state. The favorable low-temperature properties are achieved by diluting this base electrolyte with a suitable solvent, which preferably consists of five-membered heterocycles.

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besteht. Alle diese Bedingungen erfüllt das erfindungsgemMße organische Lasungsmittelgefflisch mit dem darin gelösten Leitsfalz in Form des Salzes der Perchlorsäure, wobei das Kation dieses Salzes durch das Anodenelement gebildet ist.All of these conditions are fulfilled by the organic solvent mixture according to the invention with the conductive salt dissolved therein in the form of the salt of perchloric acid, the cation of this salt being formed by the anode element.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Lösungsmittelgemisches des Elektrolyten ist dieses eine Lösung von 1 mol Ethylencarbonat in ungefähr 11 mol 1,3 Oioxolan. Dies entspricht i,2 fiiüi/1 Ethylencarbonat üfiu 13,2 iiiül/i &ugr;&Igr;&udiagr;&KHgr;&udiagr;&Igr;&aacgr;&Pgr; bZSIn an advantageous development of the solvent mixture of the electrolyte, this is a solution of 1 mol ethylene carbonate in approximately 11 mol 1.3 oxolane. This corresponds to 1.2 mol/l ethylene carbonate or 13.2 mol/l ethylene carbonate.

8 Vol.-SS Ethylencarbonat und 92 Vol.-SK Dioxolan bzw. 9,8 Gew.-Si Ethylencarbonat und 90,2 Gew.-% Dioxolan.8 vol.-SS ethylene carbonate and 92 vol.-SK dioxolane or 9.8 wt.-Si ethylene carbonate and 90.2 wt.% dioxolane.

Das Leitsalz ist in dem Lösungsmittelgemisch zu 1 bis 2,5 mol/1, insbesondere 1,75 bis 2 mol/1 gelöst. Dies gilt insbesondere für LiClO. als Leitsalz.The conducting salt is dissolved in the solvent mixture at 1 to 2.5 mol/l, especially 1.75 to 2 mol/l. This applies in particular to LiClO as the conducting salt.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt:An embodiment of an electrochemical cell according to the invention is described below with reference to the drawings. In the drawings:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer elektrochemischen Zelle, die zur Sichtbarmachung dss Innern sektorartig ausgeschnitten ist;Fig. 1 is a perspective view of an electrochemical cell cut out in sectors to reveal the interior;

■ Fig. 2 einen sektorartig geschnittenen Ausschnitt■ Fig. 2 a sector-shaped section

aus der elektrochemischen Zelle in Fig. 1 im vergrößerten Maßstab;from the electrochemical cell in Fig. 1 on an enlarged scale;

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Anodenpaketes derFig. 3 a side view of an anode package of the

elektrochemischen Zelle vor dem Aufsockeln;electrochemical cell before mounting;

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig.Fig. 4 is a section along the line IV-IV in Fig.

3;3;

Fig. 5 eine Stirnansicht des Anodenpaketes von Fig.Fig. 5 is a front view of the anode package of Fig.

3;3;

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Fig. 6 eine Seitenansicht eines ElektrodenpaketesFig. 6 a side view of an electrode package

der elektrochemischen Zelle vor dem Aufwickeln; the electrochemical cell before winding;

Fig. 7 eine Unteransicht des Elektrodenpaketes inFig. 7 a bottom view of the electrode package in

Fig. 6;Fig.6;

Fig. 8 eine Graphik betreffend den verwendeten Elektrolyten für die elektrochemische Zelle,Fig. 8 is a graph showing the electrolyte used for the electrochemical cell,

In Fig. 1 ist eine elektrochemische Zelle 1 in Wickelbauweise dargestellt. Um das Innere der Zelle 1 zu erkennen, ist diese sektorartig ausgeschnitten, wobei insbesondere die äußeren Lagen zu erkennen sind.Fig. 1 shows an electrochemical cell 1 in a winding design. In order to see the interior of the cell 1, it is cut out in a sector-like manner, whereby the outer layers in particular can be seen.

Die Zelle 1 besteht aus einem zylindrischen Gehäuse 2 insbesondere aus Edelstahl. Die beiden Stirnseiten dieses zylindrischen Gehäuses 2 sind jeweils mit einem Deckel 3 verschweißt, der mit einer Vergußmasse 4 jeweils gefüllt ist. Im oberen Deckel 3 ist eine Glas/Metall-Poldurchführung 5 angeordnet. Durch diese ist eine Anschlußfahne 6 für den einen Pol der Zeile i hinauf enge führt. Im unterer. Bereich der Ze1Ie l weist das Gehäuse 2 eine entsprechende Anschlußfahne 6' für den anderen Pol der Zelle 1 auf.The cell 1 consists of a cylindrical housing 2, in particular made of stainless steel. The two end faces of this cylindrical housing 2 are each welded to a cover 3, which is each filled with a casting compound 4. A glass/metal pole feedthrough 5 is arranged in the upper cover 3. A connection lug 6 for one pole of the row 1 leads up through this. In the lower area of the row 1 , the housing 2 has a corresponding connection lug 6' for the other pole of the cell 1.

Im Innern des Gehäuses 2 ist ein spiralförmig aufgewickeltes Elektrodenpaket 7 angeordnet. Dieses besteht aus einer Lithium-Anode 8 sowie aus einer Kathode 9, insbesondere eine Feststoffkathode beispielsweise aus MnO3. Zwischen Anode 8 und Kathode 9 ist jeweils ein Separator IO angeordnet. Der besondere Aufbau des Elektrödenpaketes 7 wird nachfolgend beschrieben und ist in den Fig. 3 bis 7 vor dem Aufwickeln und in Fig. 2 nach dem Aufwickeln in einem sektorartigen Ausschnitt aus der Zelle 1 dargestellt.A spirally wound electrode package 7 is arranged inside the housing 2. This consists of a lithium anode 8 and a cathode 9, in particular a solid cathode made of MnO 3 , for example. A separator IO is arranged between the anode 8 and the cathode 9. The special structure of the electrode package 7 is described below and is shown in Figs. 3 to 7 before winding and in Fig. 2 after winding in a sector-like section of the cell 1.

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In den Fig. 3 bis 5 ist das Anodenpaket Il des Elektrodenpaketes 7 dargestellt. Die Anode 8 Gesteht dabei aus 2w«l Anodenstreifen 8', 8M in Form von Tollen, zwischen denen ein Ableitstreifen 12 angeordnet ist. Der Ableitstreifen 12 ist dabei sandwichartig zwischen den beiden übereinandergelegten Anodenstreifen 81, 8'1 eingebettet. Der Ableitstreifen 12 kann dabei beispielsweise aus Kupfer bestehen. Am überstehenden einen Ende ist er um 90° abgewinkelt und bildet so den AnschluS für den Anodenpol der Zelle 1. Dies ist insbesondere in Tig. 4 zu erkennen.The anode package II of the electrode package 7 is shown in Fig. 3 to 5. The anode 8 consists of 2w«l anode strips 8', 8M in the form of coils, between which a discharge strip 12 is arranged. The discharge strip 12 is embedded like a sandwich between the two superimposed anode strips 81 , 8'1 . The discharge strip 12 can consist of copper, for example. At one protruding end it is angled by 90° and thus forms the connection for the anode pole of the cell 1. This can be seen in particular in Fig. 4.

In den Fig. 3 und 4 ist deutlich zu erkennen, daß der eine Anodenstreifen 811 bezüglich zum anderen Anodenstreifen 8· verkürzt ist, und zwar derart, daß im aufgewickelten Zustand des Elektrodenqaketes 7 die äußerste Lage der Anode 8 nur einen einzigen Anodsnstreifen aufweist, nämlich den normal langen Anodenstreifen 81. Die äußerste Anodenlage ist somit im Vergleich zu den innenliegenden Anodenlagen nur etwa halb so dick, da im Innern der Zelle 1 die Anodenlagen jeweils sowohl durch den Anodenstreifen 81 als auch durch den Anodenstreifen 8'1 gebildet werden. Dies ist insbesondere in der sektorartigen Darstellung in Fig. 2 zu erkennen. Damit wird erreicht, daß die zur äußersten Anodenlage benachbarte Kathodenlage mit dem gesamten Anodenmaterial der äußersten Anodenlage reagieren kann, ohne daß nach entladener Zelle Anodenmaterial übrig bleibt, da die äußerste Anodenlage auf ihrer Außenseite keine Gegenkathode -nfweist.In Fig. 3 and 4 it can be clearly seen that one anode strip 8'11 is shortened in relation to the other anode strip 8', in such a way that when the electrode package 7 is wound up, the outermost layer of the anode 8 has only a single anode strip, namely the normal length anode strip 8 ' . The outermost anode layer is therefore only about half as thick as the inner anode layers, since in the interior of the cell 1 the anode layers are each formed by both the anode strip 8'1 and the anode strip 8'1 . This can be seen in particular in the sector-like representation in Fig. 2. This ensures that the cathode layer adjacent to the outermost anode layer can react with the entire anode material of the outermost anode layer without any anode material remaining after the cell has been discharged, since the outermost anode layer has no counter-cathode on its outside.

In Fig. 3 ist weiterhin zu erkennen, daß beidseitig der Anode 8 aus den beiden Anodenstreifen 8', 8" jeweils ein Separator 10 angeordnet ist. Dieser besteht aus Mikrofasern, insbesondere Mikroglasfasern. Diese Fasern haben im wesentlichen Durchmesser zwischen 0,5 und 4 Mikrometer, wobei o?^C: - und kleinere Durchmesser nicht stören. Sie werden im Naßfließver-In Fig. 3 it can also be seen that a separator 10 is arranged on both sides of the anode 8 from the two anode strips 8', 8". This consists of microfibers, in particular micro glass fibers. These fibers essentially have diameters between 0.5 and 4 micrometers, whereby 0?^C : - and smaller diameters are not a problem. They are used in the wet flow process.

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fahren zu einem dichten Papier gelegt. Um die mechanische Stabilität sowie die Dichtheit des Vliesstoffes zu erhöhen, um im letzteren Fall ein Durchdrücken der Anodenstreifen 81, 8'* aus dem weichen Lithium zu verhindern, sind die Fasern miteinander verfestigt, und zwar mittels eines organischen Bindemittels in Form von Butadienkautschuk, der in Konzentrationen zwischen 2 und 10 % vom Gewicht der Mikrofasern enthalten ist. Das Bindemittel wird dabei als Dispersion der Pulpe zugesetzt und unmittelbar vor Vlieslegung mit geladenen Polyelektrolyten geflockt. Das Bindemittel kann dabei beispielsweise aus einer Mischung aus Acrylnitrit zu 40 %t Methacrylsäure zu 5 % und Butadien zu 55 % bestehen.to form a dense paper. In order to increase the mechanical stability and the density of the nonwoven fabric, and in the latter case to prevent the anode strips 8 1 , 8'* made of soft lithium from being pressed through, the fibers are bonded together using an organic binder in the form of butadiene rubber, which is present in concentrations between 2 and 10 % of the weight of the microfibers. The binder is added to the pulp as a dispersion and is flaked with charged polyelectrolytes immediately before the nonwoven fabric is laid. The binder can consist, for example, of a mixture of 40 % acrylonitrile, 5% methacrylic acid and 55 % butadiene.

Das fertige Elektrodenpaket 7 ist dann in den Fig. 6 und 7 dargestellt. Dabei wird auf das Anodenpaket 11 aus den Fig. 3 bis 5 die Kathode 9 aufgebracht. Diese besteht zunächst aus einem Metallabieiter in Form eines Streckmetallgitters 13, in das das Kathodenmaterial, beispielsweise MnO2 für eine Feststoff kathode, eingepaßt ist. Entsprechend beim Ableitstreifen 12 der Anode 8 weist das Streckmetallgitter 13 ebenfalls Anschlüsse auf.The finished electrode package 7 is then shown in Fig. 6 and 7. The cathode 9 is applied to the anode package 11 from Fig. 3 to 5. This initially consists of a metal conductor in the form of an expanded metal grid 13, into which the cathode material, for example MnO 2 for a solid cathode, is fitted. Correspondingly, in the conductor strip 12 of the anode 8, the expanded metal grid 13 also has connections.

Das so gebildete Elektrodenpaket 7 wird in Wickelrichtung W spiralförmig gewickelt, wobei in Fig. 6 die Bezugslinie B vor Beginn der Wicklung angedeutet ist. Das so gewickelte Elektrodenpaket 7 wird dann in das Gehäuse 2 der Zelle 1 eingesetzt, wie es in Fig. 2 dargestellt und zuvor beschrieben worden ist.The electrode package 7 thus formed is wound spirally in the winding direction W, with the reference line B indicated in Fig. 6 before the start of the winding. The electrode package 7 thus wound is then inserted into the housing 2 of the cell 1, as shown in Fig. 2 and previously described.

Die elektrochemische Zelle 1 weist weiterhin einen organischen Elektrolyten auf, der mit dem Bindemittel des Separators 10 chemisch verträglich 1st. Es handelt sich dabei um ein organisches LU8ungsmittelgemisch aus Ethylencarbonat und Dioxolan, In dem tin LeItStIz in Form des Salzes der Perchlorsäure ge-The electrochemical cell 1 also has an organic electrolyte which is chemically compatible with the binding agent of the separator 10. This is an organic solvent mixture of ethylene carbonate and dioxolane, in which a conductive agent in the form of the salt of perchloric acid is present.

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löst ist. Dieser Elektrolyt zeigt ein bedeutend besseres Leistungsverhalten bei tiefen Temperaturen als die herkömmlichen Elektrolyte. Dies ist in der Graphik gemäß Fig. 8 dargestellt, wo die Gesamtkapazität Q der elektrochemischen Zelle 1 bezogen auf 100 % Ah gegen die Temperatur aufgetragen ist. Es handelt sich dabei um eine Lithium-Zelle mit einem Flächenstrom von 15 mA/cm und einem COV-von 2 V.This electrolyte exhibits significantly better performance at low temperatures than conventional electrolytes. This is shown in the graph in Fig. 8, where the total capacity Q of the electrochemical cell 1 based on 100 % Ah is plotted against temperature. This is a lithium cell with a surface current of 15 mA/cm and a COV of 2 V.

Mit gestrichelten Linien ist das Temperaturverhalten eines herkömmlichen Elektrolyten dargestellt, während mit durchgezogener Linie das Temperaturverhalten des erfindungsgemäßen Elektrolyten gezeigt ist. Dabei ist deutlich erkennbar, daß beim neuen Elektrolyten das Temperaturverhalten unterhalb O0C sehr viel besser ist als das Temperaturverhalten bei einem herkömmlichen Elektrolyten.The temperature behavior of a conventional electrolyte is shown with dashed lines, while the temperature behavior of the electrolyte according to the invention is shown with solid lines. It is clearly visible that the temperature behavior of the new electrolyte below 0 0 C is much better than the temperature behavior of a conventional electrolyte.

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BezugszeichenlisteList of reference symbols

11 elektrochemische Zelleelectrochemical cell 22 GehäuseHousing 33 DeckelLid 44 VergußmasseCasting compound 55 PoldurchfuhrungPole feedthrough 66 AnschluQfahneConnection flag 61 6 1 AnschlußfahneConnection lug > 7> 7 ElektrodenpaketElectrode package 88th Anodeanode 8'8th' AnodenstreifenAnode strip 8"8th" AnodenstreifenAnode strip 99 Kathodecathode 10 .10 . Separatorseparator 1111 AnodenpaketAnode package 1212 AbleitstreifenConductive strips 1313 StreckmetallgitterExpanded metal mesh WW WickelrichtungWinding direction BB BezugslinieReference line

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Claims (14)

Elektrochemische ZelleElectrochemical cell AnsprücheExpectations bei der die Elektroden (Anode 8, Kathode 9) unter jeweiliger ,"wischenanordnung eines Separators (10) in einer Rundanordnung lager.weise von innen nach außen abwechselnd angeordnet sind,in which the electrodes (anode 8, cathode 9) are arranged in a circular arrangement in alternating layers from the inside to the outside, with a separator (10) in between, dadurch gekennzeichnet, daß die ganz außen liegende Elektrodenlage der Zelle (1) eine geringere, insbesondere im wesentlichen halb so dicke Matcrialstärke aufweist als die entsprechenden Elektrodenlagen im Innern der Zelle U).characterized in that the outermost electrode layer of the cell (1) has a lower material thickness, in particular substantially half as thick as the corresponding electrode layers inside the cell (U). 2. Elektrochemische Zelle (1) nach Anspruch 1 in Wickelbauweise, wobei die Anode (8), insbesondere Lithium-Anode, aus zwei aufeinanderliegenden Anodenstreifen (&bgr;1, 8") besteht, &bull;^dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (8) in der Zelle (1) außen aufgewickelt ist und daß der eine Anodenstreifen (8··) bezüglich zum anderen Anodenstreifen (8·) derart verkürzt ist, daß die äußerste Anodanlage der Zelle (1) nur aus einem einzigen Anodenstreifen (8·) besteht.2. Electrochemical cell (1) according to claim 1 in wound construction, wherein the anode (8), in particular lithium anode, consists of two superimposed anode strips (β 1 , 8"), &bull;^characterized in that the anode (8) in the cell (1) is wound on the outside and that one anode strip (8··) is shortened relative to the other anode strip (8·) in such a way that the outermost anode system of the cell (1) consists of only a single anode strip (8·). 3. Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Anodenstreifen (8··) bezüglich zum inneren Anoden-3. Cell according to claim 2, characterized in that the outer anode strip (8··) is arranged with respect to the inner anode -z--z- OJU) if HH T«Wk.iiH4VpM«4.TM#fc» o;U/Ji Jj 13OJU) if HH T«Wk.iiH4VpM«4.TM#fc» o;U/Ji Jj 13 ?« 10-JdJ?« 10-JdJ , ·· ·■· ■· Il Il ■■, ·· ·■· ■· Il Il ■■ streifen <8·) der äußersten Anodenlage der Zelle (1) verkürzt ist.strip <8·) of the outermost anode layer of the cell (1) is shortened . 4. Zelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Anodenstreifen (81, 8") ein Ableitstreifen (12) aus elektrisch leitendem Material, insbesondere aus Kupfer, angeordnet ist.4. Cell according to claim 2 or 3, characterized in that a discharge strip (12) made of electrically conductive material, in particular copper, is arranged between the two anode strips (8 1 , 8"). 5. Zelle nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Anodenstreifen (81, 8··) fest miteinander verbunden, insbesondere miteinander verpreßt sind.5. Cell according to one of claims 2 to 4, characterized in that the two anode strips (8 1 , 8··) are firmly connected to one another, in particular pressed together. 6. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Separator (10) aus Mikrofasern, insbesondere Mikroglasfasern, besteht, die mittels eines Bindemittels verfestigt sind. 6. Cell according to one of claims 1 to 5, characterized in that the separator (10) consists of microfibers, in particular microglass fibers, which are solidified by means of a binding agent. 7. Zelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel des Separators (10) ein Butadienkautschuk ist.7. Cell according to claim 6, characterized in that the binding agent of the separator (10) is a butadiene rubber. 8. Zelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Butadienkautschuk Acrylnitrit zu vorzugsweise 40 %, Methacrylsäure zu vorzugsweise 5 % sowie Butadien zu vorzugsweise 55 % enthält.8. Cell according to claim 7, characterized in that the butadiene rubber contains acrylonitrile, preferably 40 %, methacrylic acid, preferably 5 % , and butadiene, preferably 55 % . 9. Zelle nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Bindemittels zwischen 2 % und 10 %, vorzugsweise 7 % vom Gewicht der Mikrofasern beträgt.9. Cell according to one of claims 6 to 8, characterized in that the proportion of the binder is between 2 % and 10 %, preferably 7 % of the weight of the microfibers. 10. Zelle nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet} daS das Flächengewicht des Separators (10) ungefähr 50 g/m2 beträgt.10. Cell according to one of claims 6 to 9, characterized in that the basis weight of the separator (10) is approximately 50 g/m 2 . &bull; · &igr; ill t< ..&bull; · &igr; ill t< .. &bull; I Il Il III If t &bull; I Il Il III If t ''« &igr; &igr;· &igr; &igr;««;''« &igr;&igr;·&igr;&igr;««; 11« Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis ID, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt der elektrochemischen Zelle (1) ein organischer Elektrolyt 1st.11« Cell according to one of claims 1 to 13, characterized in that the electrolyte of the electrochemical cell (1) is an organic electrolyte. 12. Zelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der organische Elektrolyt ein organisches Lösungsmittelgemisch aus Ethylencarbonat und Dioxolan ist, in dem ein Leitsalz in Form des Salzes der Perchlorsäure gelöst ist.12. Cell according to claim 11, characterized in that the organic electrolyte is an organic solvent mixture of ethylene carbonate and dioxolane in which a conductive salt in the form of the salt of perchloric acid is dissolved. 13. Zelle nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittelgemisch des Elektrolyten eine Lösung von 1 mol Ethylencarbonat und ungöfähr 11 mol 1,3 Dioxolan enthält.13. Cell according to claim 11 or 12, characterized in that the solvent mixture of the electrolyte contains a solution of 1 mol of ethylene carbonate and approximately 11 mol of 1,3 dioxolane. 14. Zelle nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitsalz in dem Lösungsmittelgemisch zu 1 bis 2,5 mol/1, insbesondere 1,75 bis 2 mol/1 gelöst ist.14. Cell according to claim 12 or 13, characterized in that the conducting salt is dissolved in the solvent mixture at 1 to 2.5 mol/l, in particular 1.75 to 2 mol/l.
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