DK172972B1 - Fremgangsmåde til fremstilling af en lukket elektrokemisk celle - Google Patents

Description

DK 172972 B1

T

- Opfindelsen angår en fremgangsmåde til fremstil ling af en lukket elektrokemisk celle indeholdende en negativ elektrode, hvis elektrokemisk aktive materiale indeholder en intermetallisk forbindelse, der kan danne 5 et hydrid med hydrogen, idet cellen indeholder en elektrolyt af en opløsning af i det mindste ét alkalimetal-hydroxid i vand, og idet den negative elektrode har en afladningspuffer.

En genopladelig celle af denne type er beskrevet 10 i beskrivelsen til europæisk patentansøgning EP 170.519. I denne celle har den negative elektrode en større elektrokemisk kapacitet end den positive elektrode for at udelukke dannelsen af hydrogengas i tilfælde af overopladning. I tilfælde af overafladning, 15 der f.eks. kan forekomme når sådanne celler forbindes i serie i et batteri, kan oxygendannelse og -korrosion beskadige den negative elektrode. For at udelukke dette er en del af den negative elektrodes overskudskapacitet fyldt med en foropladnings- eller afladningspuffer.

20 Formålet med disse foranstaltninger er at forøge den elektrokemiske celles levetid, dvs. at forøge antallet af mulige opladnings- og afladningsforløb. Desuden fører overopladning til en væsentlig trykforøgelse i cellen. Hvis dette fører til, at en sikkerhedsventil åb-25 nes, slipper elektrolyt ud af cellen, og følgelig formindskes cellens kapacitet.

Da det i stor skala er vanskeligt at foroplade cellerne sikkert ved tilledning af hydrogengas før de lukkes, anvendes i den ovennævnte europæiske patentan-30 søgning et foropladningselement. Dette foropladningselement indeholder et basismetal M, f.eks. et overgangsmetal eller et element fra en af grupperne III eller IV i det periodiske system, og er forbundet således DK 172972 B1 2 f med den negative elektrode, at forbindelsen er elektrisk ledende. Denne negative elektrode oplades delvis ved oxidation af foropladningselementet ifølge reaktionen: 5 M + n OH" M(OH)n + n e~ og ved elektronoverførsel til den negative elektrode.

Denne kendte metode har den ulempe, at der er fremmede ioner til stede i elektrolytten. Desuden skal 10 cellernes konstruktion tilpasses for at kunne udstyres med et foropladningselement, der er forbundet med den negative elektrode.

Det er opfindelsens formål at tilvejebringe en fremgangsmåde til fremstilling af en elektrokemisk cel-15 le med en simpel konstruktion, hvori den negative elektrode har en afladningspuffer uden tilledning af hydrogengas udefra. Et yderligere formål med opfindelsen er at tilvejebringe en celle, hvori elektrolyttens sammensætning ikke forstyrres af tilstedeværelsen af fremme-20 de, især flervalente, ioner. Et yderligere formål med opfindelsen er at tilvejebringe en fremgangsmåde til fremstilling af en sådan elektrokemisk celle, hvilken fremgangsmåde giver en ønsket mængde afladningspuffer på en reproducerbar måde.

25 Ifølge opfindelsen opnås dette formål ved anven delse af en fremgangsmåde som beskrevet i det første afsnit, hvilken fremgangsmåde er ejendommelig ved, at afladningspufferen dannes ved indføring af en mængde alkalimetal i cellen, før cellen lukkes, hvilken mængde 30 svarer til den ønskede mængde hydrogen absorberet i den negative elektrode i cellens uladede tilstand.

Sammensætningen af elektrolytten påvirkes mindst ved anvendelse af et alkalimetal, især et alkalimetal ’ t 3 DK 172972 B1 hvis ion allerede er til stede i elektrolytten i form af alkalimetalhydroxidet.

Kort tid før cellen lukkes, fyldes den med elektrolyt, og den følgende reaktion sker mellem alkalime-5 tallet H og vand fra elektrolytten: 2 M + 2 n H20 2 M(OH)n + n H2

Det dannede hydrogen absorberes i den negative elek-10 trode, der således får en afladningspuffer. Da det ikke er nødvendigt med elektrisk kontakt mellem metallet M og den negative elektrode, behøver cellens konstruktion ikke at blive ændret. Alkalimetallet føres ganske simpelt ind i cellen i form af en tråd, metal-15 spåner eller metalkorn, før cellen lukkes.

I den foretrukne udførelsesform af cellen ifølge opfindelsen dannes afladningspufferen ved tilstedeværelsen af lithium i kontakt med elektrolytten. Anvendelse af lithium har den fordel, at der ikke er nogen 20 kraftig reaktion, når lithium bringes i kontakt med elektrolytten.

Ifølge opfindelsen opnås den tilsigtede tilvejebringelse af en fremgangsmåde til fremstilling af en elektrokemisk celle ved, at afladningspufferen tilveje-25 bringes ved indføring af en mængde alkalimetal i cellen, før cellen lukkes, idet mængden svarer til den ønskede mængde hydrogen i den negative elektrode i cellens uladede tilstand.

Opfindelsen forklares nærmere med henvisning til 30 en udførelsesform og tegningen, hvori den eneste figur delvis er et tværsnit og delvis et perspektiv af en lukket, genopladelig elektrokemisk celle ifølge opfindelsen .

4 DK 172972 B1

Eksempel

Cellen, der er vist på figuren og som er aflukket fra luften, består af et passende hylster 1 af metal, såsom rustfrit stål, udstyret med låg med to åb-5 nlnger til lederne 3 og 4. Lederne er isoleret fra metalhylsteret (1, 2) ved hjælp af syntetiske harpiksringe. Hylsteret kan have en udvendig diameter på f.eks. 22 mm og en højde på 41 mm. En vundet del bestående af en negativ elektrode 6, en separator 7 og 10 en positiv elektrode 8 er anbragt i hylsteret, hvilken samling omsluttes af en elektrisk isolerende, syntetisk harpiksfolie 9, af f.eks. polyvinylchlorid, og understøttes af en skive 10 af et elektrisk isolerende materiale, såsom polyvinylchlorid.

15 Kort før cellen fyldes med elektrolyt og lukkes føres en mængde lithium 11, f.eks. i form af metalspåner eller en lille klods, ind i cellen, idet den herefter dannede hydrogengas absorberes af den negative elektrode. Når reaktionen nogen tid efter lukning af 20 cellen er forløbet til ende, er der ikke rester af lithium tilbage.

Når alkalimetallet anvendes i form af en tråd, foretrækkes det, at indsætte tråden i den vundne del (6, 7, 8) .

25 Den negative elektrode 6 indeholder en hydrid- dannende intermetallisk forbindelse og er forbundet til lederen 3. Den hydrid-dannende forbindelse har f.eks. sammensætningen LaQ, 8N(^0,2Ni2 5Co2 4si0,l· An<^re anvendelige hydrid-dannende forbindelser er f.eks. dem, der 30 er beskrevet i beskrivelserne til US patenterne nr, 4.487.817, 4.699.856 og 4.702.978, og også f.eks.

TiNi-legeringer. Den negative elektrode dannes ved smeltning af passende mængder af de relevante elemen-

V

5 DK 172972 B1 ter, pulverisering af den således dannede intermetal-f. liske forbindelse og påføring af den på et nikkelunder lag f.eks. ved hjælp af en pasta indeholdende et bindende polymermateriale, såsom polyvinylalkohol. Pastaen 5 er f.eks. sammensat af 75 vægt% af en intermetallisk forbindelse, 24,5 vægt% vand og 0,5 vægt% polyvinylalkohol .

Den positive elektrode 8 er en nikkelhydroxid-elektrode af den sædvanlige sintrede type og er forbun-10 det med lederen 4. En 6N opløsning af lithiumhydroxid og kaliumhydroxid (molforhold 1:1) i vand anvendes som elektrolyt. Elektrolytten absorberes i separatoren 7 og bringer således de to elektroders aktive materialer, der befugtes dermed, i kontakt med hinanden. Separato-15 ren er et ikke-vævet ark af polyamidfibre.

Det frie gasrum i cellen er ca. 5 cm3. En lukket celle af denne type har en EMK på mellem 1,2 og 1,4 V.

Cellen ifølge opfindelsen kan samles på sædvanlig måde til dannelse af batterier indeholdende f.eks. flere 20 serieforbundne celler.

En fra atmosfæren aflukket celle kan have en ventil af en sådan størrelse, at den begynder at virke ved et forudbestemt tryk.

I en genopladelig celle af den lukkede type be-25 står den positive elektrodes elektrokemisk aktive del af f.eks. nikkelhydroxid, sølvoxid eller magnesiumoxid, idet nikkelhydroxid sædvanligvis foretrækkes af praktiske årsager.

Den i cellen anvendte elektrolyt består sædvan-30 ligvis af en vandig opløsning af et eller flere alkali-metalhydroxider, såsom lithiumhydroxid, natriumhydroxid og kaliumhydroxid, med en pH-værdi over 7.

Yderligere kan cellen indeholde en separator, 6 DK 172972 B1 der isolerer elektroderne elektrisk, men tillader ion.-og gastransport. Separatoren kan bestå af (vævede eller ikke-vævede) syntetiske harpiksfibre, f.eks. polyamidfibre eller polypropylenfibre, og er fortrinsvis hydro-5 fil.

t

Claims (2)

1. Fremgangsmåde til fremstilling af en lukket elektrokemisk celle indeholdende en negativ elektrode, hvis elektrokemisk aktive materiale indeholder en in-termetallisk forbindelse, der kan danne et hydrid med hydrogen, idet cellen indeholder en elektrolyt af en opløsning af i det mindste et alkalimetalhydroxid i vand, og idet den negative elektrode har en afladningspuffer, kendetegnet ved, at afladningspufferen tilvejebringes ved indføring af en mængde alkalimetal i cellen, før cellen lukkes, hvilken mængde svarer til den ønskede mængde hydrogen absorberet i den negative elektrode i cellens uladede tilstand.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at lithium anvendes til dannelse af afladningspufferen.