EP1135814A1 - Pasty materials comprising inorganic, fluid conductors and layers produced therefrom, and electrochemical components made from these layers - Google Patents

Pasty materials comprising inorganic, fluid conductors and layers produced therefrom, and electrochemical components made from these layers

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EP1135814A1
EP1135814A1 EP99952592A EP99952592A EP1135814A1 EP 1135814 A1 EP1135814 A1 EP 1135814A1 EP 99952592 A EP99952592 A EP 99952592A EP 99952592 A EP99952592 A EP 99952592A EP 1135814 A1 EP1135814 A1 EP 1135814A1
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EP
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layer
matrix
liquid
inorganic
pasty mass
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EP99952592A
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German (de)
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Inventor
Peter Birke
Gerold Neumann
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Leclanche SA
Original Assignee
LECLANCHE LITHIUM GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to novel materials with electrochemical properties, in particular pasty masses, self-supporting or flexible layers that can be produced from these masses, and possibly flexible layers and layer composites made therefrom, which can be used as primary batteries, accumulators, low-temperature fuel cells, solar cells or the like.
  • a poly (vinylidene fluoride) -hexafluoropropylene copolymer with an organic Plasticizers such as propylene carbonate or ethylene carbonate implemented.
  • a film is produced from these components and the plasticizer is then removed from the layer.
  • the battery cell is held in this "inactive" state until it is to be used. To activate it, it is immersed in a suitable electrolyte solution, the cavities formed by the expulsion of the plasticizer being filled with the liquid electrolyte. The battery is then ready for use.
  • a disadvantage of such a construction is that the battery must be activated shortly before the time at which it is to be put into use. In most cases, this is unacceptable.
  • the object of the present invention is to provide pasty compositions which already contain the corresponding conductor (ion or mixed conductor, in particular the electrolyte or at least one of the electrodes) in liquid form and for the production of electrochemically activatable layers with such a liquid conductor corresponding, immediately usable electrochemical components are suitable.
  • These components are said to be suitable for a wide range of products such as primary batteries, rechargeable batteries (accumulators), low-temperature fuel cells, solar cells, electrochemical sensors or the like, which can be layered, in particular in the form of a film laminate, have very good conduction properties and, where appropriate, high flexibility and which, moreover, cannot leak and therefore do not necessarily have to be arranged in housings, in particular in sealing housings.
  • pasty compositions which can be used in electronic components are provided and which contain a mixture of (A) an at least one organic polymer, its precursors or its prepolymers, or a matrix thereof, (B) an electrochemically activatable matrix Matrix, or essentially non-solvent, inorganic liquid and optionally (C) a powdery solid which is inert to the electrochemically activatable liquid, or consist of.
  • These pasty masses can be processed into corresponding self-supporting or overlying layers (eg foils, so-called “tapes”), which can be assembled into electrochemical components or combined with other components result in such components.
  • the masses are formed from the components (A) and optionally (C), then solidified into layers and only then provided with the component (B).
  • the term "usable in electrochemical components” implies that the electrochemically activatable inorganic liquid can be an ion-conducting or electron-conducting liquid which is suitable as a liquid electrode material or liquid electrolyte. This also includes electronically conductive liquids that can also change their stoichiometry - which is associated with a change in value and a charge transport. Such liquids can replace solid intercalation electrodes.
  • the mass obtains its pasty consistency through the use of a suitable matrix (A), preferably in conjunction with the powdery solid (C), which serves as a filling and supporting material.
  • A a suitable matrix
  • C powdery solid
  • the term "pasty” is intended to mean that the mass can be processed after its production with the aid of common paste application methods, for example brushed on, spatulated, knife-coated or applied to a substrate using various printing methods or can be processed into a film. Depending on requirements, it can be kept relatively thin to very tough.
  • a variety of materials can be used for the matrix (A). You can work with solvent-free or solvent-based systems. Suitable solvent-free systems are, for example, crosslinkable, possibly liquid, but above all pasty resin systems. Examples of these are resins made from crosslinkable addition polymers or condensation resins. For example
  • Pre-condensates of phenoplasts (novolaks) or aminoplasts are used which, after the pasty mass has been shaped, are finally crosslinked to form an electrochemical layer composite.
  • Further examples are unsaturated polyesters which can be crosslinked by graft copolymerization with styrene, epoxy resins curable by bifunctional reactants (example: bisphenol-A epoxy resin, cold-cured with polyamide), crosslinkable polycarbonates such as polyisocyanurate crosslinkable by a polyol, or binary polymethyl methacrylate, and the like can be polymerized with styrene.
  • the pasty mass is in each case formed from the more or less viscous precondensate or uncrosslinked polymer as a matrix (A) or using essential constituents thereof, together with component (B).
  • Another possibility is the use of polymers or polymer precursors together with a solvent or swelling agent for the organic polymer.
  • the synthetic or natural polymers that can be used.
  • polymers with a carbon main chain are possible, but also polymers with heteroions in the main chain such as polyamides, polyesters, proteins or polysaccharides.
  • the polymers can be homo- or copolymers; the copolymers can be random copolymers, graft copolymers, block copolymers or polyblends; there is no restriction here.
  • Natural or synthetic rubbers can be used as polymers with a pure carbon main chain.
  • Fluorinated hydrocarbon polymers such as Teflon, polyvinylidene fluoride (PVDF) or polyvinyl chloride are particularly preferred, since particularly good water-repellent properties can be achieved with them in the films or layers formed from the pasty mass. This gives the electrochemical components produced in this way particularly good long-term stability.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • Other examples are polystyrene or polyurethane.
  • copolymers are copolymers of Teflon and amorphous fluoropolymer and
  • Polyvinylidene fluoride / hexafluoropropylene (commercially available as Kynarflex).
  • polymers with heteroatoms in the main chain are polyamides of the diamine-dicarboxylic acid type or of the amino acid type, polycarbonates, polyacetals, polyethers and acrylic resins.
  • Other materials include natural and synthetic polysaccharides (homo- and heteroglycans), proteoglycans, for example starch, cellulose, methyl cellulose. Substances such as chondroitin sulfate, hyaluronic acid, chitin, natural or synthetic waxes and many other substances can also be used.
  • the abovementioned resins (precondensates) can also be used in solvents or diluents.
  • Solvents or swelling agents for the abovementioned polymers are known to the person skilled in the art.
  • plasticizer for the polymer or polymers used can be present.
  • plasticizers or “plasticizers” are to be understood here as substances whose molecules are bound to the plastic molecules by secondary valences (Van der Waals forces). As a result, they reduce the interaction forces between the macromolecules and thus set the
  • Softening temperature and the brittleness and hardness of the plastics This distinguishes them from swelling and solvents. Because of their higher volatility, they cannot usually be evaporated from the plastic remove, but may have to be extracted with an appropriate solvent.
  • the incorporation of a plasticizer causes a high mechanical flexibility of the layer that can be produced from the pasty mass.
  • plasticizers for the respective plastic groups. They must be compatible with the plastic in which they are to be incorporated. Common plasticizers are high-boiling esters of phthalic acid or phosphoric acid, for example dibutyl phthalate or dioctyl phthalate. Also suitable are, for example, ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethoxyethane, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, butyrolactone, ethyl methyl sulfone, polyethylene glycol, tetraglyme, 1,3-dioxolane or S, S-dialkyldithiocarbonate.
  • solid (C) serves inter alia to improve the properties of the matrix (A), e.g. in terms of their support or behavior when pulling the tape.
  • the solid (C) should be in a finely divided form (e.g. as
  • Powder can be used. All substances are suitable which are not attacked by the liquid (B), in particular are not changed oxidatively / reductively. Since this is often chemically very aggressive, substances such as SiO 2 , Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , AIN, MgO and the like will predominantly be used. However, it is also possible to use all other substances which are inert to the electrolyte or electrode material used in each case.
  • the liquid to be used as an electrode, electrolyte or the like should be inorganic, at least in substantial parts.
  • Vanadium oxychloride or bromide for example, can be used as the electrode material, in which the oxidation state of the vanadium can increase from +111 to + V via VOX, VOX 2 , VO 2 X.
  • decomposition electrodes can be obtained which, compared to intercalation electrodes, have the advantage that they do not have the volume expansion typical of intercalation electrodes. This enables improved aging resistance to be achieved.
  • any liquid electrolyte suitable for the respective system can be used as the electrolyte material; a large number of such systems and corresponding electrolytes are known.
  • Aqueous systems such as sulfuric acid or KOH can be used as proton-conducting electrolytes in systems such as lead-acid batteries or Ni-Pb batteries or nickel-cadmium or nickel-metal hydride batteries, which makes it possible to achieve advantageous packing densities.
  • an alcohol or another polar, water-miscible organic solvent can optionally be added to the electrolyte.
  • the matrix material can contain a plasticizer or plasticizer that is miscible with water. This increases the hydrophilicity of the matrix material with the same consequence. What has been said above applies here to the maximum amount of the organic additive.
  • a hygroscopic salt for example MgCl 2 , can be added to the matrix material. This draws water into the matrix, with the same consequence that the transport of the electrolyte through the matrix is facilitated.
  • the electrolytes can also be anhydrous, liquid inorganic electrolytes such as H 2 SO 4 or LiAICI 4 / SO 2 (the latter system is formed when gaseous sulfur dioxide acts on lithium aluminum chloride).
  • Such systems also have a relatively high surface tension compared to more hydrophobic polymer matrices.
  • a number of measures are again available, in particular the two variants mentioned first for aqueous electrolytes, namely the addition of alcohol or the like to the electrolyte and / or the addition of plasticizers to the polymer matrix.
  • the pasty compositions according to the invention and the layers produced therefrom are suitable for a large number of electrochemical components which are preferably designed as a film-layer composite.
  • electrochemical components which are preferably designed as a film-layer composite.
  • the person skilled in the art can select the same liquids (B) that he would use for classic electrochemical components, ie those without the addition of plastics.
  • LiF Li x NiVO 4 , Li x [Mn] 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNi 0j 5C ⁇ o ⁇ 5 ⁇ 2, LiNi 0 ⁇ 8 Co 0 ⁇ 2 O 2 , V 2 O 5> Li x V 6 O 13 - Electrolyte LiAICI 4 / SO 2 (anhydrous)
  • Negative electrode Li Li 4 + x Ti 5 O 12 , Li x MoO 2 , Li x WO 2 , Li x C 2> Li x C 6 , lithium alloys
  • the electrolyte layer of this rechargeable battery can be formed from a pasty mass according to the present invention
  • the other layers can optionally also be produced with the aid of pasty masses, in which powdered electrode material is incorporated instead of a liquid (B).
  • the electrode material is preferably not soluble in the polymer matrix.
  • a ratio of electrode material to polymer matrix of approximately 70 to 30% by weight is particularly preferably maintained.
  • the polymer matrix can have the same constituents as described above for the compositions according to the invention.
  • compositions according to the invention can be processed into self-supporting films or layers lying on substrates, which can be used in primary or secondary batteries, decomposition batteries, low-temperature fuel cells, solar cells or electrochemical sensors.
  • constituents described above, from which the pasty mass according to the invention is produced can be mixed in a conventional manner, preferably by vigorous stirring or kneading the constituents. Possibly the organic polymer or its precursors are pre-dissolved or pre-swollen in the solvent or swelling agent before components (B) and optionally (C) are added.
  • Component (C), if provided, is processed with component (A) preferably before the matrix solidifies to form the pasty mass mentioned.
  • component (B) can also be added at this stage. Alternatives to this are described below.
  • the paste-like masses according to the invention are particularly suitable for the production of thin-film batteries and other corresponding electrochemical components such as e.g. electrochemical sensors. These are preferably components in the so-called “thick-film technology”.
  • the individual layers of these elements are also called “tapes".
  • individual electrochemically active or activatable layers with a thickness of approximately 10 ⁇ m to approximately 1 to 2 mm are produced, placed on top of one another and brought into intimate contact.
  • the person skilled in the art will select the thickness according to the application accordingly. Ranges from approximately 50 ⁇ m to 500 ⁇ m are preferred, very particularly preferably a range from approximately 100 ⁇ m. According to the invention, however, it is also possible to produce corresponding thin-film components (this term encompasses thicknesses of preferably 100 nm to a few ⁇ m).
  • this application is likely to be limited, since corresponding components are common
  • Capacity requirements may not be sufficient in a large number of cases.
  • the application for backup chips for example, is conceivable.
  • the pasty compositions according to the invention can also be brought into other shapes.
  • Thicker layers (for example in the range of about 1 to 10 mm) can be produced, from which shapes can also be punched or cut.
  • the latter are suitable, for example, for batteries and accumulators in medical technology, which have to be very small and at the same time very safe.
  • One example of an application is hearing aid batteries. These are either worn close to or in the ear or even implanted, so that in addition to the small size, particularly high requirements must be placed on leakage security.
  • the shapes mentioned can also be created directly, e.g. by casting, injection molding or extrusion processes.
  • the present invention therefore further includes self-supporting or on a
  • Electrochemically active or activatable layers lying on the substrate preferably in the indicated thicknesses, which can be produced from the pasty materials described above.
  • the layers are preferably flexible.
  • To produce both the self-supporting layers (foils, tapes) and the layers lying on a substrate use can be made of the customary methods known in the prior art, which can be used for the corresponding polymer materials of the matrix.
  • the pasty masses are solidified, for example, by hardening (of resins or other precondensates), by crosslinking prepolymers or linear polymers, by evaporation of solvents (e.g. acetone or the like) or in a similar manner.
  • the paste-like mass can be kept sufficiently viscous during the escape of the solvent so that the homogeneous distribution of the components is maintained.
  • the plasticizer is not intended to perform any other tasks (such as increasing the hydrophilicity of the matrix material)
  • it can, if necessary, be removed again after the pasty mass has solidified to form a self-supporting or overlying layer unless the polymer matrix tends to crystallize strongly, resulting in brittleness and lack of flexibility.
  • An example of a sufficiently flexible polymer is the combination of polyvinylidene fluoride with hexafluoropropylene as the polymer / copolymer.
  • component (B) is not yet or only partially added during the preparation of the pasty mass. If, as described above, the plasticizer is removed from the resulting self-supporting or overlying layer after the mass has solidified (e.g. by being driven out after adding a solvent such as hexane), cavities comparable to one form in the solidified matrix Sponge. By immersing it in a liquid (B), it can then, with the help of capillary forces, be sucked into the cavities and remain stable therein.
  • a solvent such as hexane
  • a suitable pasty mass can be formed on calenders in the appropriate thickness, for example.
  • Self-supporting layers can also be formed by applying the pasty mass to a substrate and peeling off the layer produced after it has solidified. The prerequisite for this is that the product has sufficient flexibility.
  • the coating can be carried out using conventional paste application methods. Examples include brushing, knife coating, spraying, spin coating and the like. Printing techniques are also possible.
  • the liquid (B) can either as described above are already incorporated into the pasty mass or, after solidification of a pasty mass consisting of at least the polymer matrix (A) and the filler (C) and removal of the plasticizer contained therein, are filled into the cavities formed.
  • crosslinkable resin compositions as described above for the pasty compositions, are used and, after the layer has been formed, are cured by UV or electron radiation. Curing can of course also be effected thermally or chemically (for example by immersing the layer produced in a corresponding bath).
  • the present invention further relates to layer composites with electrochemical properties, such as in particular accumulators and other batteries or sensors, which are formed by a corresponding sequence of the layers mentioned above or comprise these.
  • Figure 1 shows a possible sequence of such an arrangement.
  • the reference numbers mean: lead electrode 1, intermediate tape 2, electrode 3, electrolyte 4,
  • Electrode 5 intermediate tape 6 and lead electrode 7. Further details are explained in the text below.
  • the individual pasty masses can be applied layer by layer to one another by means of paste application processes.
  • Each individual layer can either be crosslinked by itself or freed from solvent or brought into the layer form in some other way; however, the individual matrices can also be solidified by crosslinking or evaporating off the solvent or swelling agent or the like after all the layers required have been applied.
  • the latter is advantageous, for example, if the individual electrochemically activatable layers are applied using a printing process which is carried out analogously to multi-color printing.
  • An example of this is the flexographic printing technique, which can be used to continuously print several meters / second of a substrate with the required electrochemically activatable layers.
  • each layer or film can be individually converted into its final solidified state. If the films are self-supporting, they can corresponding components of the component to be formed are then connected to one another by lamination. Conventional laminating techniques can be used for this. Examples include extrusion coating, in which the second layer is connected to a carrier layer by pressure rollers, calender coating with two or three nips, in which the carrier web runs in along with the pasty mass, or doubling (bonding under pressure and back pressure of preferably heated rollers). The person skilled in the art will readily find the corresponding techniques which result or are offered by the choice of the matrices for the respective pasty masses.
  • Pressing during the bonding (lamination) of the individual layers can often be desirable, e.g. to better connect (and thus achieve better conductivity) the individual layers.
  • Common techniques can be used for this.
  • Cold pressing at temperatures below 60 ° C.
  • the advantage of using the pasty masses according to the invention or the self-supporting films produced therefrom or layers lying on a substrate is the cost-effectiveness, the high practical energy density due to the compact structure and high leak-proofness in all applications, since the liquid electrolyte or the liquid electrode in the polymer matrix is bound like a sponge.
  • rechargeable electrochemical cells can be manufactured using thick-film technology, ie with individual, electrochemically activatable layers in a thickness of approximately 10 ⁇ m to approximately 1 to 2 mm and preferably approximately 100 ⁇ m.
  • the electrochemical cell is to be based on lithium technology, those substances which are already listed above are suitable as liquids for the electrolyte layers or solid substances for the electrode layers.
  • At least three layers are to be provided, namely one that functions as a positive electrode, one that functions as a solid electrolyte and one that functions as a negative electrode, ie layers 3, 4 and 5 of FIG. 1. According to the invention, it has been found that particularly advantageous current densities are achieved in the accumulator if certain limit conditions are observed.
  • the current density can be set by the resistance of the electrolyte. If it is too high, the electrodes can be destroyed in the long term by polarization; if it is too low, the performance of the battery produced is only sufficient for a few areas of application.
  • the limit condition mentioned is preferably 1 mA / cm 2 . If the electrolyte layer is approximately 100 ⁇ m thick, a current density of 1 mA / cm 2 causes a negligible 0.1 V voltage drop due to the resistance. If, for example, an electrolyte has a conductivity of 10 * 1 S / cm, the micro-geometry in the layer (filler and channels) means that the conductivity related to the layer is approximately 10 ° S / cm.
  • a highly recommended criterion is to choose the layer thickness d in relation to the conductivity ⁇ j on and an ionic resistance ( ⁇ ) and in relation to the area A so that the following formula is fulfilled:
  • Said three-layer cell (or any other electrochemical component consisting of a positive electrode / electrolyte / negative electrode) can additionally be provided with discharge electrodes (layers 1 and 7 of FIG. 1).
  • discharge electrodes layers 1 and 7 of FIG. 1).
  • a further thin plastic layer ("intermediate tape", layers 2 and 6 of FIG. 1) is worked in between the lower lead electrode and the electrode adjacent to it and the upper lead electrode and the electrode adjacent to it, which is also made with the aid of a pasty one Mass can be made.
  • This thin plastic layer should contain conductive, metallic elements or alloys of elements which are suitable for transporting electrons from the respective electrode material to the respective lead electrode. Examples of these are the elements gold, platinum, rhodium and carbon or alloys made from these elements if the plastic layer is to be arranged between the positive electrode and the associated discharge electrode.
  • nickel, iron, chromium, titanium, molybdenum, tungsten, vanadium, manganese, niobium, tantalum, cobalt or carbon are to be mentioned as elements.
  • a configuration with lead electrodes and intermediate tapes has charge and discharge curves, as shown in FIG. 3, when it is produced in the lithium technology mentioned with LiAICl4 / S ⁇ 2 as the electrolyte.
  • an electrochemical cell is made up of at least three layers, both electrodes being designed as layers according to the invention and the positive side (electrode) representing a protic system, while the negative side (counter electrode) representing an aprotic system.
  • Electrode here means a system in which a salt, e.g. B. a lithium salt such as lithium nitrate or lithium perchlorate in one
  • protic i.e. H. proton-releasing system (H2O)
  • H2O proton-releasing system
  • a solid electrolyte is chosen for the intermediate layer, the cation (e.g. lithium) of which is a conduction ion.
  • the water-repellent properties of the polymer matrix in this special embodiment prevent water from reaching the negative side and being decomposed there.
  • the advantages are the increased kinetics in the positive electrode due to the liquid electrolyte as well as the wide selection of possible electrolytes (here the problem of the corrosion potential of the positive metallic lead electrode is avoided, for which aluminum is often chosen for cost reasons; e.g. electrolytes containing lithium perchlorate easily oxidize the lead electrode on the positive side).
  • compositions according to the invention are suitable, inter alia. for use in primary batteries, where they are particularly suitable for the production of the electrolyte layers.
  • Suitable electrode systems include: zinc-carbon, alkali-manganese (Zn-Mn ⁇ 2), zinc-mercury oxide (Zn-HgO), zinc-silver oxide (Zn-Ag2 ⁇ ), zinc-atmospheric oxygen (Zn-02), magnesium-atmospheric oxygen ( Mg-02), aluminum atmospheric oxygen (AI-O2).
  • Alcoholic solutions of alkali and ammonium bromides and chlorides or alkali hydroxides are suitable electrolytes.
  • compositions of the invention are also suitable for use in
  • Suitable electrolytes for this are, for example, aqueous or anhydrous H2SO4 (e.g. for the lead battery) or potassium hydroxide solution.
  • compositions according to the invention can also be used for a new type of battery, namely the so-called decomposition battery.
  • a salt in the positive electrode is decomposed, for example MgBr2, and the bromine formed is stored in a carbon film (“carbon tape”).
  • the electrolyte of the pasty mass or the film or layer produced from it is in this case MgCl2, which is not decomposed because its decomposition voltage is higher than that of MgBr2.
  • Mg is in situ in a metal foil or carbon film, which as
  • the magnesium can be deposited on the surface of the materials mentioned if they are in a closed form; however, the former variant is preferred because of the more favorable volume ratios.
  • the cell voltage is equal to the decomposition voltage of MgBr2. It is particularly advantageous in such batteries that higher-quality ions can be used here, since the capacity is multiplied by the value. In particular, the light and inexpensive elements Mg and Al become accessible. Inorganic, aqueous or at least liquid electrolytes should be used in these systems because the mobility of higher-quality ions at room temperature in solid electrolytes is too low for battery and
  • the electrodes can either be in the form of a metal or carbon film or else as a powdered electrode material which is embedded in a film-shaped polymer matrix, as already described above.
  • an electrolyte layer using a polymer matrix, into which a hygroscopic salt is incorporated, and to keep this layer in a moisture-containing environment.
  • this layer contains a liquid electrolyte (the salt mentioned in the absorbed water), and the water can be decomposed electrochemically.
  • the resulting hydrogen is then stored in a further, laminated hydride storage (Y, Pt, Pd, or another hydrogen-absorbing material in foil form, preferably in an organic polymer matrix).
  • Y, Pt, Pd, or another hydrogen-absorbing material in foil form preferably in an organic polymer matrix
  • an electrolyte layer can be used which solidifies by mixing polymer, solvent and plasticizer for the polymer matrix (A) and solid substance (C) into a pasty mass, converting this mass into the desired "tape” form the shape and / or by removing the solvent, removing the plasticizer and "filling" the cavities formed with the alcoholic solution of the hygroscopic salt, whereupon the alcohol is evaporated.
  • the salt e.g. can be incorporated into the pasty mass together with alcohol as a solubilizer, dissolved in the solvent or plasticizer.
  • the alcohol is preferably driven off together with the solvent.
  • the filler (C) is preferably provided here in order to improve the mechanical stability of the resulting membrane-like tape. If necessary, it can be omitted.
  • the pasty compositions according to the invention and the films or layers produced therefrom can also be used for solar cells.
  • the system on which these solar cells are based prefers not to use silicon technology, but rather the so-called Honda-Fujishima effect (1972).
  • Oxides such as titanium dioxide or tungsten trioxide are able to decompose (electrolyze) water or other substances such as formic acid when irradiated with sunlight. The reason for this is that electrons are excited into the conduction band and the remaining holes have a highly oxidizing effect, since oxides already exist in the highest oxidation state known to chemistry.
  • the solar cells comprise three layers ("tapes"), namely a hydrogen-storing layer, which can be constructed as described for the low-temperature fuel cell, an electrolyte layer, which contains water, which is decomposed during operation and is therefore also designed as described for the fuel cell can, as well as an additional TiO 2 or WO 3 and preferably a metal powder or carbon (to ensure sufficient electronic conductivity) containing tape, which is otherwise analogous to the electrolyte tape.
  • the solar cell is "charged” with light. During the discharge, it works like a fuel cell.
  • the paste-like masses according to the invention and foils or layers produced therefrom are also suitable for electrochemical sensors.
  • the polymer matrix is mixed with a hygroscopic salt that draws water.
  • the water content in a film made from the mass can be adjusted very finely via the salt concentration, the ambient humidity and the temperature.
  • a reference electrode which is designed as a laminated tape, different voltages occur as a function of the moisture content and thus allow moisture measurement.
  • the electrochemical components of the present invention can be sealed, for example, in a plastic-based housing.
  • the weight is advantageously reduced compared to metal housings; There are still advantages for the energy density.
  • the electrochemical layer composite (the electrochemical component) can also be embedded between two or more foils made of a plastic coated with wax or paraffin. These materials act as a seal and, due to their inherent properties, can additionally exert mechanical pressure on the laminate, which advantageously improves the contact in the laminate by means of a pressing action.
  • the interior can be subjected to a predetermined water / oxygen partial pressure, which brings about a high level of electrochemical stability. This can be achieved, for example, by sealing the electrochemical element in such an environment with appropriately set and selected parameters.
  • the layer sequences of the electrochemical components according to the invention can be arranged in any form.
  • the flexible layer composites can be rolled up, whereby a particularly advantageous geometry for compact accumulators is achieved. With a small construction volume of the accumulator, there is a very large battery-active area here.
  • FIG. 2 shows such an embodiment, reference numerals 1 to 7 having the meanings given for FIG. 1 and reference numeral 8 denoting an insulator layer.
  • Non-self-supporting layer composites can also be applied to solid substrates such as walls for integrated energy storage (self-supporting film associations can of course also be applied or glued on). Large areas can be used here; a separate space requirement for the Accumulators are not available.
  • a special example of such an embodiment is the integration of layer composites for accumulators in substrates for solar cells. In this way, self-sufficient energy supply units can be created.
  • Layer sequences for rechargeable batteries can also be applied to solid or flexible substrates in order to serve the integrated energy storage in electronic structures.
  • 7g zinc powder for the anode, 5g SiO 2 for the electrolyte and 7 g MnO 2 for the cathode are mixed with 1g PVDF-HFP, 1.5 g dibutyl phthalate and 10 g acetone.
  • the electrodes and the electrolyte are drawn out into tapes, the acetone is evaporated and the plasticizer is extracted with hexane.
  • the tapes are filled with aqueous-alcoholic KOH solution (solvent: 50% water, 50% alcohol) and pressed between two stainless steel electrodes.

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Abstract

The invention relates to pasty materials which can be used in electrochemical components and which comprise a heterogeneous mixture made of (A) a matrix that either contains or consists of at least one organic polymer, the precursors thereof or the prepolymers thereof; (B) of an inorganic or essentially inorganic fluid which can be electrochemically activated and which does not or essentially does not dissolve the matrix, and optionally of; (C) a powdery solid which is essentially inert with regard to the fluid that can be electrochemically activated. The invention also relates to layers which are self-supporting or which rest on a substrate and which comprise a heterogeneous mixture (A) of a matrix as defined in one of the pending Claim Nos. 1 to 7 which either contains or consists of at least one organic polymer; (B) of an inorganic or essentially inorganic fluid which can be electrochemically activated and which does not or essentially does not dissolve the matrix, and optionally of; (C) a powdery solid which is essentially inert with regard to the fluid that can be electrochemically activated. In addition, the invention relates to layer assemblies which have electrochemical properties and which contain layers of the aforementioned type. The layers or the layer assemblies can be advantageously used in the production of batteries, low-temperature fuel cells, solar cells or electrochemical sensors.

Description

Pastöse Massen mit anorganischen, flüssigen Leitern und daraus hergestellte Schichten und elektrochemische BauelementePasty masses with inorganic, liquid conductors and layers and electrochemical components made from them
Die vorliegende Erfindung betrifft neuartige Materialien mit elektrochemischen Eigenschaften, und zwar insbesondere pastöse Massen, aus diesen Massen herstellbare selbsttragende oder auf einem Substrat aufliegende, ggf. flexible Schichten und daraus hergestellte Schichtverbünde, die als Primärbatterien, Akkumulatoren, Niedertemperaturbrennstoffzellen, Solarzellen oder dergleichen verwendbar sind.The present invention relates to novel materials with electrochemical properties, in particular pasty masses, self-supporting or flexible layers that can be produced from these masses, and possibly flexible layers and layer composites made therefrom, which can be used as primary batteries, accumulators, low-temperature fuel cells, solar cells or the like.
Seit Beginn der siebziger Jahre hat man versucht, elektrochemische Bauelemente wie Akkumulatoren oder dergleichen in Form dünner Schichten zu erzeugen. Das Ziel ist es, Folienverbünde zu erhalten, die durch eine extrem hohe Kontaktfläche zwischen den einzelnen elektrochemischen Bestandteilen wie Elektroden und Elektrolyten, bezogen auf das eingesetzte Volumen an elektrochemisch aktivem Material, besonders günstige Lade- und Entladeeigenschaften aufweisen. In speziellen Fällen benötigt man darüber hinaus eine hohe Flexibilität solcher Verbünde, so daß diese aufgerollt oder einer anderen gewünschten Form angepaßt werden können.Since the beginning of the 1970s, attempts have been made to produce electrochemical components such as batteries or the like in the form of thin layers. The aim is to obtain film composites that have particularly favorable charging and discharging properties due to the extremely high contact area between the individual electrochemical components such as electrodes and electrolytes, based on the volume of electrochemically active material used. In special cases, you also need a high flexibility of such composites, so that they can be rolled up or adapted to another desired shape.
Um derartige Elektrodenmaterialien herzustellen, ist man bisher von festem oder zähflüssigem Teflon ausgegangen, welches mit einem gewissen ProzentsatzIn order to produce such electrode materials, it has hitherto been assumed that solid or viscous Teflon, which contains a certain percentage
Kohlenstoff und dem eigentlichen Elektrodenmaterial gemischt und dann auf geeignete Ableitelektroden gepreßt oder aufgesprüht wurde. Dabei entstehen jedoch Schichten ungenügender Flexibilität. Des weiteren wurde vorgeschlagen, Elektrodenschichten herzustellen, die mit PVC und Tetrahydrofuran oder einem anderen in einem Lösungsmittel gelösten Polymer hergestellt wurden, aus dem das Lösungsmittel anschließend ausgetrieben wurde. Allerdings ist die Leitfähigkeit der hergestellten Produkte ungünstig.Carbon and the actual electrode material was mixed and then pressed or sprayed onto suitable lead electrodes. However, this creates layers of insufficient flexibility. Furthermore, it has been proposed to produce electrode layers which were produced with PVC and tetrahydrofuran or another polymer dissolved in a solvent, from which the solvent was subsequently expelled. However, the conductivity of the manufactured products is unfavorable.
Besondere Probleme bereitet die Herstellung einer Schicht, die in einem entsprechenden elektrochemischen Verbund als Elektrolyt fungieren kann. Die US 5456 000 beschreibt wiederaufladbare Batteriezellen, die durch Laminierung von Elektroden- und Elektrolytzellen erzeugt werden. Als positive Elektrode wird ein Film oder eine Membran eingesetzt, die getrennt aus LiMn2θ4-Pulver in einer Matrix aus einem Polymer-Copolymeren hergestellt und anschließend getrocknet wurde. Die negative Elektrode besteht aus einer getrockneten Beschichtung einer pulverisierten Kohlenstoff-Dispersion in einer Matrix eines Polymer-Copolymeren. Zwischen den Elektrodenschichten wird eine Elektrolyt/Separatormembran angeordnet. Hierfür wird ein Poly(vinylidenfluorid)-Hexafluorpropylen-Copolymeres mit einem organischen Plastifizierer wie Propylencarbonat oder Ethylencarbonat umgesetzt. Aus diesen Bestandteilen wird ein Film erzeugt, und anschließend wird der Plastifizierer aus der Schicht herausgelöst. In diesem "inaktiven" Zustand wird die Batteriezelle gehalten, bis sie ihrer Benutzung zugeführt werden soll. Um sie zu aktivieren, wird sie in eine geeignete Elektrolytlösung eingetaucht, wobei sich die durch das Austreiben des Plastifiziermittels gebildeten Kavitäten mit dem flüssigen Elektrolyten füllen. Anschließend ist die Batterie gebrauchsfertig.The production of a layer, which can act as an electrolyte in a corresponding electrochemical composite, poses particular problems. US 5456 000 describes rechargeable battery cells which are produced by laminating electrode and electrolyte cells. A film or a membrane is used as the positive electrode, which was produced separately from LiMn2θ4 powder in a matrix of a polymer copolymer and then dried. The negative electrode consists of a dried coating of a powdered carbon dispersion in a matrix of a polymer copolymer. An electrolyte / separator membrane is arranged between the electrode layers. For this purpose, a poly (vinylidene fluoride) -hexafluoropropylene copolymer with an organic Plasticizers such as propylene carbonate or ethylene carbonate implemented. A film is produced from these components and the plasticizer is then removed from the layer. The battery cell is held in this "inactive" state until it is to be used. To activate it, it is immersed in a suitable electrolyte solution, the cavities formed by the expulsion of the plasticizer being filled with the liquid electrolyte. The battery is then ready for use.
Nachteilig an einem derartigen Konstrukt ist es, daß die Batterie kurz vor dem Zeitpunkt aktiviert werden muß, zu dem sie in Gebrauch genommen werden soll. Dies ist in den meisten Fällen nicht hinnehmbar.A disadvantage of such a construction is that the battery must be activated shortly before the time at which it is to be put into use. In most cases, this is unacceptable.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von pastösen Massen, die den entsprechenden Leiter (Ionen- oder gemischten Leiter, insbesondere den Elektrolyten oder mindestens eine der Elektroden) in flüssiger Form bereits enthalten und für die Herstellung von elektrochemisch aktivierbaren Schichten mit einem solchen flüssigen Leiter in entsprechenden, sofort einsetzbaren elektrochemischen Bauelementen geeignet sind. Diese Bauelemente sollen für eine breite Palette von Produkten wie Primärbatterien, wiederaufladbare Batterien (Akkumulatoren), Niedertemperaturbrennstoffzellen, Solarzellen, elektrochemische Sensoren oder dergleichen geeignet sein, die Schichtform, insbesondere die Form eines Folienlaminates besitzen können, sehr gute Leitungseigenschaften und ggf. eine hohe Flexibilität aufweisen und die darüber hinaus nicht auslaufen können und daher nicht notwendigerweise in Gehäusen, insbesondere in dichtenden Gehäusen, angeordnet werden müssen.The object of the present invention is to provide pasty compositions which already contain the corresponding conductor (ion or mixed conductor, in particular the electrolyte or at least one of the electrodes) in liquid form and for the production of electrochemically activatable layers with such a liquid conductor corresponding, immediately usable electrochemical components are suitable. These components are said to be suitable for a wide range of products such as primary batteries, rechargeable batteries (accumulators), low-temperature fuel cells, solar cells, electrochemical sensors or the like, which can be layered, in particular in the form of a film laminate, have very good conduction properties and, where appropriate, high flexibility and which, moreover, cannot leak and therefore do not necessarily have to be arranged in housings, in particular in sealing housings.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfmdungsgemäß in elektronischen Bauelementen verwendbare, pastöse Massen bereitgestellt werden, die eine Mischung aus (A) einer mindestens ein organisches Polymer, dessen Vorstufen oder dessen Präpolymere enthaltenden oder hieraus bestehenden Matrix, (B) einer elektrochemisch aktivierbaren, die Matrix nicht oder im wesentlichen nicht lösenden, anorganischen Flüssigkeit sowie ggf. (C) einem pulverförmigen Feststoff, der gegenüber der elektrochemisch aktivierbaren Flüssigkeit inert ist, umfassen oder daraus bestehen. Diese pastösen Massen lassen sich zu entsprechenden selbsttragenden oder aufliegenden Schichten (z. B. Folien, sogenannten "Tapes") verarbeiten, die zu elektrochemischen Bauelementen zusammensetzbar sind oder mit anderen Bestandteilen kombiniert solche Bauelemente ergeben. In manchen Fällen werden alternativ die Massen aus den Bestandteilen (A) und ggf. (C) gebildet, dann zu Schichten verfestigt und erst danach mit dem Bestandteil (B) versehen.This object is achieved in that pasty compositions which can be used in electronic components are provided and which contain a mixture of (A) an at least one organic polymer, its precursors or its prepolymers, or a matrix thereof, (B) an electrochemically activatable matrix Matrix, or essentially non-solvent, inorganic liquid and optionally (C) a powdery solid which is inert to the electrochemically activatable liquid, or consist of. These pasty masses can be processed into corresponding self-supporting or overlying layers (eg foils, so-called "tapes"), which can be assembled into electrochemical components or combined with other components result in such components. In some cases alternatively, the masses are formed from the components (A) and optionally (C), then solidified into layers and only then provided with the component (B).
Der Ausdruck "in elektrochemischen Bauelementen verwendbar" impliziert, daß die elektrochemisch aktivierbare anorganische Flüssigkeit eine ionenleitende oder elektronenleitende Flüssigkeit sein kann, die sich als flüssiges Elektrodenmaterial oder Flüssigelektrolyt eignet. Auch elektronisch leitende Flüssigkeiten, die zusätzlich ihre Stöchiometrie ändern können - was mit einem Wertigkeitswechsel und einem Ladungstransport verbunden ist - fallen darunter. Solche Flüssigkeiten können feste Interkalationselektroden ersetzen.The term "usable in electrochemical components" implies that the electrochemically activatable inorganic liquid can be an ion-conducting or electron-conducting liquid which is suitable as a liquid electrode material or liquid electrolyte. This also includes electronically conductive liquids that can also change their stoichiometry - which is associated with a change in value and a charge transport. Such liquids can replace solid intercalation electrodes.
Die Masse erhält ihre pastöse Konsistenz durch die Verwendung einer geeigneten Matrix (A) vorzugsweise in Verbindung mit dem pulverförmigen Feststoff (C), der als Füll- und Stützmaterial dient. Der Ausdruck "pastös" soll dabei bedeuten, daß die Masse nach ihrer Herstellung mit Hilfe von gängigen Pastenauftragsverfahren verarbeitbar ist, beispielsweise aufgestrichen, aufgespachtelt, aufgerakelt oder mit diversen Druckverfahren auf einem Untergrund aufgebracht werden oder aber zu einer Folie verarbeitet werden kann. Je nach Bedarf kann sie dabei relativ dünnflüssig bis sehr zäh gehalten werden.The mass obtains its pasty consistency through the use of a suitable matrix (A), preferably in conjunction with the powdery solid (C), which serves as a filling and supporting material. The term "pasty" is intended to mean that the mass can be processed after its production with the aid of common paste application methods, for example brushed on, spatulated, knife-coated or applied to a substrate using various printing methods or can be processed into a film. Depending on requirements, it can be kept relatively thin to very tough.
Für die Matrix (A) kann eine Vielzahl von Materialien verwendet werden. Dabei kann man mit lösungsmittelfreien oder lösungsmittelhaltigen Systemen arbeiten. Als lösungsmittelfreie Systeme eignen sich beispielsweise vernetzbare, ggf. flüssige, vor allem aber pastöse Harzsysteme. Beispiele hierfür sind Harze aus vernetzbaren Additionspolymeren oder Kondensationsharzen. So können beispielsweiseA variety of materials can be used for the matrix (A). You can work with solvent-free or solvent-based systems. Suitable solvent-free systems are, for example, crosslinkable, possibly liquid, but above all pasty resin systems. Examples of these are resins made from crosslinkable addition polymers or condensation resins. For example
Vorkondensate von Phenoplasten (Novolake) oder Aminoplasten eingesetzt werden, die nach Ausformen der pastösen Masse zur Schicht eines elektrochemischen Schichtverbundes endvernetzt werden. Weitere Beispiele sind ungesättigte, beispielsweise durch Pfropf-Copolymerisation mit Styrol vernetzbare Polyester, durch bifunktionelle Reaktionspartner härtbare Epoxiharze (Beispiel: Bisphenol-A-Epoxiharz, kalt gehärtet mit Polyamid), vernetzbare Polycarbonate wie durch ein Polyol vernetzbares Polyisocyanurat, oder binäres Polymethylmethacrylat, das ebenfalls mit Styrol polymerisiert werden kann. Die pastöse Masse wird dabei jeweils aus dem mehr oder weniger zähflüssigen Vorkondensat bzw. unvernetzten Polymer als Matrix (A) oder unter Verwendung wesentlicher Bestandteile davon, zusammen mit der Komponente (B), gebildet. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von Polymeren oder Polymer-Vorstufen zusammen mit einem Lösungs- oder Quellmittel für das organische Polymer. Im Prinzip besteht hier keine Beschränkung bezüglich der einsetzbaren synthetischen oder natürlichen Polymere. Nicht nur Polymere mit Kohlenstoff-Hauptkette sind möglich, sondern auch Polymere mit Heteroionen in der Hauptkette wie Polyamide, Polyester, Proteine oder Polysaccharide. Die Polymere können Homo- oder Copolymere sein; die Copolymere können statistische Copolymere, Pfropfcopolymere, Blockcopolymere oder Polyblends sein; eine Beschränkung ist hier nicht gegeben. Als Polymere mit reiner Kohlenstoff-Hauptkette sind beispielsweise natürliche oder synthetische Kautschuke verwendbar. Besonders bevorzugt sind fluorierte Kohlenwasserstoff-Polymere wie Teflon, Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polyvinylchlorid, da hiermit bei den aus der pastösen Masse gebildeten Folien oder Schichten besonders gute wasserabweisende Eigenschaften erzielt werde können. Dies verleiht den damit erzeugten elektochemischen Bauelementen eine besonders gute Langzeitstabilität. Weitere Beispiele sind Polystyrol oder Polyurethan. Als Beispiele für Copolymere seien Copolymere von Teflon und amorphem Fluorpolymer sowiePre-condensates of phenoplasts (novolaks) or aminoplasts are used which, after the pasty mass has been shaped, are finally crosslinked to form an electrochemical layer composite. Further examples are unsaturated polyesters which can be crosslinked by graft copolymerization with styrene, epoxy resins curable by bifunctional reactants (example: bisphenol-A epoxy resin, cold-cured with polyamide), crosslinkable polycarbonates such as polyisocyanurate crosslinkable by a polyol, or binary polymethyl methacrylate, and the like can be polymerized with styrene. The pasty mass is in each case formed from the more or less viscous precondensate or uncrosslinked polymer as a matrix (A) or using essential constituents thereof, together with component (B). Another possibility is the use of polymers or polymer precursors together with a solvent or swelling agent for the organic polymer. In principle, there is no restriction with regard to the synthetic or natural polymers that can be used. Not only polymers with a carbon main chain are possible, but also polymers with heteroions in the main chain such as polyamides, polyesters, proteins or polysaccharides. The polymers can be homo- or copolymers; the copolymers can be random copolymers, graft copolymers, block copolymers or polyblends; there is no restriction here. Natural or synthetic rubbers, for example, can be used as polymers with a pure carbon main chain. Fluorinated hydrocarbon polymers such as Teflon, polyvinylidene fluoride (PVDF) or polyvinyl chloride are particularly preferred, since particularly good water-repellent properties can be achieved with them in the films or layers formed from the pasty mass. This gives the electrochemical components produced in this way particularly good long-term stability. Other examples are polystyrene or polyurethane. Examples of copolymers are copolymers of Teflon and amorphous fluoropolymer and
Polyvinylidenfluorid/Hexafluorpropylen (im Handel als Kynarflex erhältlich) genannt. Als Beispiele für Polymere mit Heteroatomen in der Hauptkette seien Polyamide vom Diamin-Dicarbonsäure-Typ oder vom Aminosäure-Typ, Polycarbonate, Polyacetale, Polyether und Acrylharze genannt. Weitere Materialien umfassen natürliche und synthetische Polysacharide (Homo- und Heteroglykane), Proteoglykane, beispielsweise Stärke, Cellulose, Methylcellulose. Auch Substanzen wie Chondroitinsulfat, Hyaluronsäure, Chitin, natürliche oder synthetische Wachse und viele andere Substanzen können eingesetzt werden. Zusätzlich können auch die vorgenannten Harze (Präkondensate) in Lösungs- bzw. Verdünnungsmitteln verwendet werden.Polyvinylidene fluoride / hexafluoropropylene (commercially available as Kynarflex). Examples of polymers with heteroatoms in the main chain are polyamides of the diamine-dicarboxylic acid type or of the amino acid type, polycarbonates, polyacetals, polyethers and acrylic resins. Other materials include natural and synthetic polysaccharides (homo- and heteroglycans), proteoglycans, for example starch, cellulose, methyl cellulose. Substances such as chondroitin sulfate, hyaluronic acid, chitin, natural or synthetic waxes and many other substances can also be used. In addition, the abovementioned resins (precondensates) can also be used in solvents or diluents.
Lösungs- bzw. Quellmittel für die vorgenannten Polymere sind dem Fachmann bekannt.Solvents or swelling agents for the abovementioned polymers are known to the person skilled in the art.
Unabhängig davon, ob die Matrix (A) ein Lösungs- oder Quellmittel enthält oder nicht, kann ein Plastifiziermittel (auch Weichmacher) für das bzw. die eingesetzten Polymere vorhanden sein. Unter "Plastifizierer" oder "Weichmacher" sollen hier Substanzen verstanden werden, deren Moleküle durch Nebenvalenzen (Van-der-Waals-Kräfte) an die Kunststoffmoleküle gebunden werden. Sie verringern dadurch die Wechselwirkungskräfte zwischen den Makromolekülen und setzen damit dieRegardless of whether the matrix (A) contains a solvent or swelling agent or not, a plasticizer (also plasticizer) for the polymer or polymers used can be present. “Plasticizers” or “plasticizers” are to be understood here as substances whose molecules are bound to the plastic molecules by secondary valences (Van der Waals forces). As a result, they reduce the interaction forces between the macromolecules and thus set the
Erweichungstemperatur und die Sprödigkeit und Härte der Kunststoffe herab. Dies unterscheidet sie von Quell- und Lösungsmitteln. Aufgrund ihrer höheren Flüchtigkeit lassen sie sich üblicherweise auch nicht durch Abdampfen aus dem Kunststoff entfernen, sondern müssen ggf. durch ein entsprechendes Lösungsmittel herausgelöst werden. Das Einarbeiten eines Plastifizierers bewirkt eine hohe mechanische Flexibilitä der aus der pastösen Masse erzeugbaren Schicht.Softening temperature and the brittleness and hardness of the plastics. This distinguishes them from swelling and solvents. Because of their higher volatility, they cannot usually be evaporated from the plastic remove, but may have to be extracted with an appropriate solvent. The incorporation of a plasticizer causes a high mechanical flexibility of the layer that can be produced from the pasty mass.
Der Fachmann kennt geeignete Weichmacher für die jeweiligen Kunststoffgruppen. Sie müssen mit dem Kunststoff, in den sie eingearbeitet werden sollen, gut verträglich sein. Gängige Weichmacher sind hochsiedende Ester der Phthalsäure oder der Phosphorsäure, beispielsweise Dibutylphthalat oder Dioctylphthalat. Weiterhin eignen sich beispielsweise Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Dimethoxyethan, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Butyrolacton, Ethylmethylsulfon, Polyethylenglykol, Tetraglyme, 1 ,3-Dioxolan oder S,S-Dialkyldithiocarbonat.The person skilled in the art knows suitable plasticizers for the respective plastic groups. They must be compatible with the plastic in which they are to be incorporated. Common plasticizers are high-boiling esters of phthalic acid or phosphoric acid, for example dibutyl phthalate or dioctyl phthalate. Also suitable are, for example, ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethoxyethane, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, butyrolactone, ethyl methyl sulfone, polyethylene glycol, tetraglyme, 1,3-dioxolane or S, S-dialkyldithiocarbonate.
Die Zugabe von Feststoff (C) dient unter anderem einer Verbesserung der Eigenschaften der Matrix (A), z.B. in Bezug auf deren Stützung oder das Verhalten beim Ziehen des Tapes. Der Feststoff (C) sollte in fein verteilbarer Form (z.B. alsThe addition of solid (C) serves inter alia to improve the properties of the matrix (A), e.g. in terms of their support or behavior when pulling the tape. The solid (C) should be in a finely divided form (e.g. as
Pulver) eingesetzt werden. Es eignen sich alle Substanzen, die von der Flüssigkeit (B) nicht angegriffen, insbesondere auch oxidativ/reduktiv nicht verändert werden. Da diese häufig chemisch sehr aggressiv ist, wird man vorwiegend Substanzen wie SiO2, Si3N4, Al2O3, AIN, MgO und dergleichen verwenden. Es sind aber auch alle anderen Substanzen verwendbar, die gegenüber dem jeweils eingesetzten Elektrolyten oder Elektrodenmaterial inert sind.Powder) can be used. All substances are suitable which are not attacked by the liquid (B), in particular are not changed oxidatively / reductively. Since this is often chemically very aggressive, substances such as SiO 2 , Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , AIN, MgO and the like will predominantly be used. However, it is also possible to use all other substances which are inert to the electrolyte or electrode material used in each case.
Die als Elektrode, Elektrolyt oder dergleichen einzusetzende Flüssigkeit soll, zumindest in wesentlichen Teilen, anorganischer Natur sein. Als Elektrodenmaterial kann beispielsweise Vanadiumoxichlorid oder -bromid zur Verwendung kommen, bei dem sich die Oxidationsstufe des Vanadiums über VOX, VOX2, VO2X von +111 nach +V erhöhen kann. Mit derartigen Materialien lassen sich Zersetzungselektroden erhalten, die im Vergleich zu Interkalationselektroden den Vorteil aufweisen, daß sie die für Interkalationselektroden typische Volumenausdehnung nicht aufweisen. Hierdurch läßt sich eine verbesserte Alterungsbeständigkeit erzielen.The liquid to be used as an electrode, electrolyte or the like should be inorganic, at least in substantial parts. Vanadium oxychloride or bromide, for example, can be used as the electrode material, in which the oxidation state of the vanadium can increase from +111 to + V via VOX, VOX 2 , VO 2 X. With such materials, decomposition electrodes can be obtained which, compared to intercalation electrodes, have the advantage that they do not have the volume expansion typical of intercalation electrodes. This enables improved aging resistance to be achieved.
Als Elektrolytmaterial kann im Prinzip jeder für das jeweilige System geeignete flüssige Elektrolyt verwendet werden; eine Vielzahl solcher Systeme und entsprechender Elektrolyte ist bekannt. So können wäßrige Systeme wie Schwefelsäure bzw. KOH als protonenleitende Elektrolyte in Systemen wie Bleiakkumulatoren oder Ni-Pb- Akkumulatoren bzw. Nickel-Cadmium- bzw. Nickelmetall-hydrid-Akkumulatoren eingesetzt werden, wodurch sich vorteilhafte Packungsdichten erreichen lassen. Um den Transport der leitenden Flüssigkeit in der möglicherweise wasserabweisenden Matrix zu erleichtern, kann dem Elektrolyten ggf. ein Alkohol oder ein anderes polares, mit Wasser mischbares organisches Lösungsmittel zugesetzt werden. Geeignet sind hier besonders gerad- oder verzweigtkettige Mono-, Di- oder Trialkohole mit bevorzugt 1-6 Kohlenstoffatomen wie Methanol, Ethanol, Propanol, Glykol, Glycerin oder dergleichen. Insbesondere dann, wenn eine Polymermatrix mit Plastifizierer eingesetzt wird, der aus der Polymermatrix wieder herausgelöst wurde, netzt eine derartige wäßrige Mischung die - ggf. vernetzte - Matrix in der fertigen Schicht leicht, so daß der Transport erleichtert wird. Es sollte jedoch klar sein, daß der Ausdruck "im wesentlichen anorganische Flüssigkeit" ausschließen soll, daß der Elektrolyt im wesentlichen oder ganz aus einem Salz und einem rein organischen Lösungsmittel wie Ethylcarbonat, Diethoxyethan oder dergleichen besteht. Ein ggf. vorhandener Gehalt an organischem Lösungsmittel sollte daher nicht mehr als 70 Vol.-%, bevorzugt 50 Vol.-% der gesamten Lösungsmittelmenge ausmachen. Je nach Eigenschaft der Matrix und/oder des organischen Lösungsmittels sind auch beispielsweise max. 30 oder 5 Vol.-% davon ausreichend.In principle, any liquid electrolyte suitable for the respective system can be used as the electrolyte material; a large number of such systems and corresponding electrolytes are known. Aqueous systems such as sulfuric acid or KOH can be used as proton-conducting electrolytes in systems such as lead-acid batteries or Ni-Pb batteries or nickel-cadmium or nickel-metal hydride batteries, which makes it possible to achieve advantageous packing densities. In order to facilitate the transport of the conductive liquid in the possibly water-repellent matrix, an alcohol or another polar, water-miscible organic solvent can optionally be added to the electrolyte. Straight or branched chain mono-, di- or trial alcohols with preferably 1-6 carbon atoms such as methanol, ethanol, propanol, glycol, glycerol or the like are particularly suitable here. Particularly when a polymer matrix with plasticizer is used, which has been removed from the polymer matrix again, such an aqueous mixture slightly wets the - possibly crosslinked - matrix in the finished layer, so that the transport is facilitated. However, it should be understood that the term "substantially inorganic liquid" is intended to preclude the electrolyte from consisting essentially or entirely of a salt and a purely organic solvent such as ethyl carbonate, diethoxyethane or the like. An organic solvent content which may be present should therefore not make up more than 70% by volume, preferably 50% by volume, of the total amount of solvent. Depending on the properties of the matrix and / or the organic solvent, max. 30 or 5 vol .-% of it is sufficient.
In einer Alternative kann das Matrixmaterial einen Weichmacher oder Plastifizierer enthalten, der mit Wasser mischbar ist. Dadurch erhöht sich die Hydrophilie des Matrixmaterials mit derselben Folge. Für die Maximalmenge des organischen Zusatzes gilt hier das vorstehend Gesagte. In einer weiteren Variante kann dem Matrixmaterial ein hygroskopisches Salz, z.B. MgCI2, beigemischt werden. Dieses zieht Wasser in die Matrix, mit der gleichen Folge, daß der Transport des Elektrolyten durch die Matrix erleichtert wird.In an alternative, the matrix material can contain a plasticizer or plasticizer that is miscible with water. This increases the hydrophilicity of the matrix material with the same consequence. What has been said above applies here to the maximum amount of the organic additive. In a further variant, a hygroscopic salt, for example MgCl 2 , can be added to the matrix material. This draws water into the matrix, with the same consequence that the transport of the electrolyte through the matrix is facilitated.
Bei den Elektrolyten kann es sich neben wäßrigen Systemen auch um wasserfreie, flüssige anorganische Elektrolyte wie H2SO4 oder LiAICI4/SO2 handeln (letzteres System entsteht bei der Einwirkung von gasförmigem Schwefeldioxid auf Lithiumaluminiumchlorid). Auch solche Systeme haben eine relativ hohe Oberflächenspannung gegenüber stärker hydrophoben Polymermatrices. Um auch ihre Wanderung durch die Polymermatrix zu erleichtern, bietet sich wiederum eine Reihe von Maßnahmen an, vor allem die beiden für wäßrige Elektrolyte erstgenannte Varianten, nämlich der Zusatz von Alkohol oder dergleichen zum Elektrolyten und/oder der Zusatz von Plastifizierer zur Polymermatrix. Die vorliegenden, erfmdungsgemäßen pastösen Massen und daraus hergestellten Schichten eignen sich, wie bereits erwähnt, für eine Vielzahl elektrochemischer Bauelemente, die vorzugsweise als Folien-Schichtverbund gestaltet sind. Der Fachmann kann hierfür dieselben Flüssigkeiten (B) auswählen, die er für klassische elektrochemische Bauelemente, d.h. solche ohne den Zusatz von Kunststoffen, verwenden würde.In addition to aqueous systems, the electrolytes can also be anhydrous, liquid inorganic electrolytes such as H 2 SO 4 or LiAICI 4 / SO 2 (the latter system is formed when gaseous sulfur dioxide acts on lithium aluminum chloride). Such systems also have a relatively high surface tension compared to more hydrophobic polymer matrices. In order to also facilitate their migration through the polymer matrix, a number of measures are again available, in particular the two variants mentioned first for aqueous electrolytes, namely the addition of alcohol or the like to the electrolyte and / or the addition of plasticizers to the polymer matrix. As already mentioned, the pasty compositions according to the invention and the layers produced therefrom are suitable for a large number of electrochemical components which are preferably designed as a film-layer composite. For this purpose, the person skilled in the art can select the same liquids (B) that he would use for classic electrochemical components, ie those without the addition of plastics.
Beispielhaft seien nachstehend mögliche Bestandteile eines Akkumulators in Lithiumtechnologie genannt:Possible components of an accumulator in lithium technology are mentioned below by way of example:
- untere Ableitelektrode AI, Cu, Pt, Au, C- lower lead electrode AI, Cu, Pt, Au, C
- positive Elektrode LiF, LixNiVO4, Lix[Mn]2O4, LiCoO2, LiNiO2, LiNi0j5Cθoι5θ2, LiNi0ι8Co0ι2O2, V2O5> LixV6O13 - Elektrolyt LiAICI4/SO2 (wasserfrei)- positive electrode LiF, Li x NiVO 4 , Li x [Mn] 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNi 0j 5Cθo ι5 θ2, LiNi 0ι8 Co 0ι2 O 2 , V 2 O 5> Li x V 6 O 13 - Electrolyte LiAICI 4 / SO 2 (anhydrous)
- Negative Elektrode Li, Li4+xTi5O12, LixMoO2, LixWO2, LixC 2> LixC6, Lithiumlegierungen- Negative electrode Li, Li 4 + x Ti 5 O 12 , Li x MoO 2 , Li x WO 2 , Li x C 2> Li x C 6 , lithium alloys
- obere Ableitelektrode AI, Cu, Mo, W, Ti, V, Cr, Ni- Upper lead electrode AI, Cu, Mo, W, Ti, V, Cr, Ni
Während die Elektrolytschicht dieses Akkumulators aus einer pastösen Masse gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet werden kann, lassen sich die anderen Schichten ggf. ebenfalls mit Hilfe pastöser Massen erzeugen, in denen anstelle einer Flüssigkeit (B) pulverförmiges Elektrodenmaterial eingearbeitet wird. Das Elektrodenmaterial ist dabei bevorzugt in der Polymermatrix nicht löslich. Besonders bevorzugt wird dabei ein Verhältnis von Elektrodenmaterial zu Polymermatrix von annähernd 70 zu 30 Gew.-% eingehalten. Die Polymermatrix kann die gleichen Bestandteile aufweisen wie oben für die erfindungsgemäßen Massen beschrieben.While the electrolyte layer of this rechargeable battery can be formed from a pasty mass according to the present invention, the other layers can optionally also be produced with the aid of pasty masses, in which powdered electrode material is incorporated instead of a liquid (B). The electrode material is preferably not soluble in the polymer matrix. A ratio of electrode material to polymer matrix of approximately 70 to 30% by weight is particularly preferably maintained. The polymer matrix can have the same constituents as described above for the compositions according to the invention.
Die vorliegende Erfindung ist aber selbstverständlich nicht auf Akkumulatoren in Lithiumtechnologie beschränkt. Wie oben erwähnt, ist eine Vielzahl von Anwendungen möglich. So können die erfindungsgemäßen Massen zu selbsttragenden Folien oder auf Substraten aufliegenden Schichten verarbeitet werden, die in Primär- oder Sekundärbatterien, Zersetzungsbatterien, Niedertemperaturbrennstoffzellen, Solarzellen oder elektrochemischen Sensoren einsetzbar sind.Of course, the present invention is not limited to accumulators in lithium technology. As mentioned above, a variety of applications are possible. Thus, the compositions according to the invention can be processed into self-supporting films or layers lying on substrates, which can be used in primary or secondary batteries, decomposition batteries, low-temperature fuel cells, solar cells or electrochemical sensors.
Die vorstehend beschriebenen Bestandteile, aus denen die erfindungsgemäße pastöse Masse hergestellt wird, können auf konventionelle Art und Weise vermischt werden, vorzugsweise durch heftiges Rühren oder Verkneten der Bestandteile. Gegebenenfalls werden das organische Polymer oder seine Vorstufen im Lösungs- oder Quellmittel vorgelöst oder vorgequollen, bevor die Komponenten (B) und ggf. (C) zugegeben werden. Die Komponente (C) wird, wenn vorgesehen, mit der Komponente (A) vorzugsweise vor einer Verfestigung der Matrix zur genannten pastösen Masse verarbeitet. Auch die Komponente (B) kann bereits in diesem Stadium zugegeben werden. Alternativen hierzu werden weiter unten beschrieben.The constituents described above, from which the pasty mass according to the invention is produced, can be mixed in a conventional manner, preferably by vigorous stirring or kneading the constituents. Possibly the organic polymer or its precursors are pre-dissolved or pre-swollen in the solvent or swelling agent before components (B) and optionally (C) are added. Component (C), if provided, is processed with component (A) preferably before the matrix solidifies to form the pasty mass mentioned. Component (B) can also be added at this stage. Alternatives to this are described below.
Die erfindungsgemäßen pastösen Massen eignen sich insbesondere für das Erzeugen von Dünnfilm-Batterien und anderen entsprechenden elektrochemischen Bauelementen wie z.B. elektrochemische Sensoren. Bevorzugt handelt es sich um Bauelemente in der sogenannten "Dickschicht-Technologie". Die einzelnen Schichten dieser Elemente werden auch "Tapes" genannt. Hierfür werden einzelne elektrochemisch aktive bzw. aktivierbare Schichten in einer Dicke von etwa 10 μm bis etwa 1 bis 2 mm erzeugt, aufeinander aufgelegt und in innigen Kontakt gebracht. Der Fachmann wird die der Anwendung gemäße Dicke jeweils entsprechend auswählen. Bevorzugt sind Bereiche von etwa 50 μm bis 500 μm, ganz besonders bevorzugt ein Bereich von etwa 100 μm. Es ist erfindungsgemäß allerdings auch möglich, entsprechende Dünnschicht-Bauelemente herzustellen (dieser Begriff umfaßt Dicken von vorzugsweise 100 nm bis zu einigen μm). Diese Anwendung dürfte aber beschränkt sein, da entsprechende Bauelemente den gängigenThe paste-like masses according to the invention are particularly suitable for the production of thin-film batteries and other corresponding electrochemical components such as e.g. electrochemical sensors. These are preferably components in the so-called "thick-film technology". The individual layers of these elements are also called "tapes". For this purpose, individual electrochemically active or activatable layers with a thickness of approximately 10 μm to approximately 1 to 2 mm are produced, placed on top of one another and brought into intimate contact. The person skilled in the art will select the thickness according to the application accordingly. Ranges from approximately 50 μm to 500 μm are preferred, very particularly preferably a range from approximately 100 μm. According to the invention, however, it is also possible to produce corresponding thin-film components (this term encompasses thicknesses of preferably 100 nm to a few μm). However, this application is likely to be limited, since corresponding components are common
Kapazitätanforderungen in einer Vielzahl von Fällen nicht genügen dürften. Denkbar ist allerdings die Anwendung beispielsweise für Backup-Chips.Capacity requirements may not be sufficient in a large number of cases. However, the application for backup chips, for example, is conceivable.
Darüber hinaus können die erfindungsgemäßen pastösen Massen auch in andere Formen gebracht werden. So lassen sich dickere Schichten (beispielsweise im Bereich von etwa 1 bis 10 mm) erzeugen, aus denen ggf. auch Formen gestanzt oder geschnitten werden können. Letztere eignen sich beispielsweise für Batterien und Akkumulatoren in der Medizintechnik, die sehr klein und gleichzeitig sehr sicher sein müssen. Ein Anwendungsbeispiel sind Hörgerätebatterien. Diese werden entweder dicht am oder im Ohr getragen oder sogar implantiert, so daß hier neben der Kleinräumigkeit besonders hohe Anforderungen an die Auslaufsicherheit gestellt werden müssen. Selbstverständlich können die genannten Formen auch direkt erzeugt werden, z.B. durch Gießen, Spritzgießen oder Extrusionsverfahren.In addition, the pasty compositions according to the invention can also be brought into other shapes. Thicker layers (for example in the range of about 1 to 10 mm) can be produced, from which shapes can also be punched or cut. The latter are suitable, for example, for batteries and accumulators in medical technology, which have to be very small and at the same time very safe. One example of an application is hearing aid batteries. These are either worn close to or in the ear or even implanted, so that in addition to the small size, particularly high requirements must be placed on leakage security. Of course, the shapes mentioned can also be created directly, e.g. by casting, injection molding or extrusion processes.
Die vorliegende Erfindung umfaßt daher weiterhin selbsttragende oder auf einemThe present invention therefore further includes self-supporting or on a
Substrat aufliegende, elektrochemisch aktive bzw. aktivierbare Schichten, bevorzugt in den angegebenen Dicken, die aus den voranstehend beschriebenen pastösen Massen erzeugt werden können. Die Schichten sind vorzugsweise flexibel. Zur Erzeugung sowohl der selbsttragenden Schichten (Folien, Tapes) als auch der auf einem Substrat aufliegenden Schichten kann auf die üblichen, im Stand der Technik bekannten Verfahren zurückgegriffen werden, die für die entsprechenden Polymermaterialien der Matrix anwendbar sind. Die Verfestigung der pastösen Massen erfolgt dabei je nach Material beispielsweise durch Härten (von Harzen oder anderen Präkondensaten), durch Vernetzen von Präpolymerisaten oder linearen Polymerisaten, durch Abdampfen von Lösungsmittel (z. B. Aceton oder dergleichen) oder auf ähnliche Art und Weise. Wenn die Polymermatrix einen Plastifizierer enthält, kann die pastöse Masse während des Entweichens des Lösemittels besonders günstig ausreichend viskos gehalten werden, so daß die homogene Verteilung der Bestandteile erhalten bleibt. Wenn die Erfindung in einer Ausgestaltung vergesehen ist, in der der Plastifizierer keine weiteren Aufgaben erfüllen soll (wie z. B. die Erhöhung der Hydrophilie des Matrixmaterials), kann er anschließend an die Verfestigung der pastösen Masse zu einer selbsttragenden oder aufliegenden Schicht gegebenenfalls wieder entfernt werden, sofern die Polymermatrix nicht zu einer starken Kristallisation und daraus resultierenden Brüchigkeit und mangelnden Flexibilität neigt. Ein Beispiel für ein ausreichend flexibles Polymer ist die Kombination von Polyvinylidenfluorid mit Hexafluorpropylen als Polymer/Copolymer.Electrochemically active or activatable layers lying on the substrate, preferably in the indicated thicknesses, which can be produced from the pasty materials described above. The layers are preferably flexible. To produce both the self-supporting layers (foils, tapes) and the layers lying on a substrate, use can be made of the customary methods known in the prior art, which can be used for the corresponding polymer materials of the matrix. Depending on the material, the pasty masses are solidified, for example, by hardening (of resins or other precondensates), by crosslinking prepolymers or linear polymers, by evaporation of solvents (e.g. acetone or the like) or in a similar manner. If the polymer matrix contains a plasticizer, the paste-like mass can be kept sufficiently viscous during the escape of the solvent so that the homogeneous distribution of the components is maintained. If the invention is provided in an embodiment in which the plasticizer is not intended to perform any other tasks (such as increasing the hydrophilicity of the matrix material), it can, if necessary, be removed again after the pasty mass has solidified to form a self-supporting or overlying layer unless the polymer matrix tends to crystallize strongly, resulting in brittleness and lack of flexibility. An example of a sufficiently flexible polymer is the combination of polyvinylidene fluoride with hexafluoropropylene as the polymer / copolymer.
In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung wird die Komponente (B) noch nicht oder nur teilweise bei der Herstellung der pastösen Masse zugesetzt. Wenn nämlich, wie voranstehend beschrieben, der Plastifizierer nach der Verfestigung der Masse aus der entstandenen, selbsttragenden oder aufliegenden Schicht wieder entfernt wird (z. B. durch Austreiben nach Zusatz eines Lösungsmittels wie Hexan), bilden sich in der verfestigten Matrix Kavitäten, vergleichbar einem Schwamm. Durch Eintauchen in eine Flüssigkeit (B) kann diese dann, unterstützt von Kapillarkräften, in die entstandenen Hohlräume aufgesaugt werden und darin stabil verbleiben.In a special embodiment of the invention, component (B) is not yet or only partially added during the preparation of the pasty mass. If, as described above, the plasticizer is removed from the resulting self-supporting or overlying layer after the mass has solidified (e.g. by being driven out after adding a solvent such as hexane), cavities comparable to one form in the solidified matrix Sponge. By immersing it in a liquid (B), it can then, with the help of capillary forces, be sucked into the cavities and remain stable therein.
Um Folien zu erhalten, die selbsttragend sind, kann beispielsweise eine geeignete pastöse Masse auf Kalandern in der geeigneten Dicke ausgeformt werden. Hier kann auf Standardtechnologie verwiesen werden. Selbsttragende Schichten können auch durch Auftragen der pastösen Masse auf ein Substrat und Abziehen der erzeugten Schicht nach ihrer Verfestigung gebildet werden. Voraussetzung ist dabei jeweils, daß das Produkt eine ausreichende Flexibilität besitzt. Die Beschichtung kann mit üblichen Pastenauftragsverfahren durchgeführt werden. Beispielhaft sei hier das Aufstreichen, Aufrakeln, Aufspritzen, Spincoating und dergleichen genannt. Auch Drucktechniken sind möglich. Die Flüssigkeit (B) kann dabei wie voranstehend beschrieben entweder bereits in die pastöse Masse eingearbeitet werden oder aber nach Verfestigen einer aus zumindest der Polymermatrix (A) und dem Füllstoff (C) bestehenden pastösen Masse und Entfernen des darin enthaltenen Weichmachers in die entstehenden Kavitäten gefüllt werden.In order to obtain films that are self-supporting, a suitable pasty mass can be formed on calenders in the appropriate thickness, for example. Reference can be made to standard technology here. Self-supporting layers can also be formed by applying the pasty mass to a substrate and peeling off the layer produced after it has solidified. The prerequisite for this is that the product has sufficient flexibility. The coating can be carried out using conventional paste application methods. Examples include brushing, knife coating, spraying, spin coating and the like. Printing techniques are also possible. The liquid (B) can either as described above are already incorporated into the pasty mass or, after solidification of a pasty mass consisting of at least the polymer matrix (A) and the filler (C) and removal of the plasticizer contained therein, are filled into the cavities formed.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden vernetzbare Harzmassen (Präkondensate), wie weiter oben für die pastösen Massen beschrieben, eingesetzt und nach Ausformen der Schicht durch UV- oder Eiektronenbestrahlung ausgehärtet. Eine Härtung kann natürlich auch thermisch oder chemisch (beispielsweise durch Eintauchen der erzeugten Schicht in ein entsprechendes Bad) bewirkt werden.In a preferred embodiment of the invention, crosslinkable resin compositions (precondensates), as described above for the pasty compositions, are used and, after the layer has been formed, are cured by UV or electron radiation. Curing can of course also be effected thermally or chemically (for example by immersing the layer produced in a corresponding bath).
Gegebenenfalls werden den Massen geeignete Initiatoren oder Beschleuniger oder dgl. für die jeweilige Vernetzung zugesetzt.If appropriate, suitable initiators or accelerators or the like are added to the compositions for the particular crosslinking.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin Schichtverbünde mit elektrochemischen Eigenschaften, wie insbesondere Akkumulatoren und andere Batterien oder Sensoren, die durch eine entsprechende Abfolge der obengenannten Schichten gebildet werden oder diese umfassen.The present invention further relates to layer composites with electrochemical properties, such as in particular accumulators and other batteries or sensors, which are formed by a corresponding sequence of the layers mentioned above or comprise these.
Figur 1 zeigt eine möglichen Abfolge einer solchen Anordnung. Die Bezugsziffern bedeuten: Ableitelektrode 1 , Zwischentape 2, Elektrode 3, Elektrolyt 4,Figure 1 shows a possible sequence of such an arrangement. The reference numbers mean: lead electrode 1, intermediate tape 2, electrode 3, electrolyte 4,
Elektrode 5, Zwischentape 6 und Ableitelektrode 7. Näheres hierzu ist im nachfolgenden Text erläutert.Electrode 5, intermediate tape 6 and lead electrode 7. Further details are explained in the text below.
Für die Herstellung von Schichtverbünden können die einzelnen pastösen Massen Lage für Lage aufeinander mittels Pastenauftragsverfahren aufgebracht werden. Dabei kann entweder jede einzelne Lage für sich vernetzt oder von Lösungsmittel befreit oder auf sonstige Weise in die Schichtform gebracht werden; es kann aber auch eine Verfestigung der einzelnen Matrices durch Vernetzung oder Abdampfen des Lösungsoder Quellmittels oder dergleichen nach Beendigung des Auftragens aller benötigten Schichten vorgenommen werden. Letzteres ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn die einzelnen elektrochemisch aktivierbaren Schichten mit einem Druckverfahren aufgetragen werden, das analog zu einem Vielfarbendruck erfolgt. Als Beispiel hierfür sei die Flexodruck-Technik erwähnt, mit deren Hilfe kontinuierlich mehrere Meter/Sekunde eines Substrats mit den erforderlichen elektrochemisch aktivierbaren Schichten bedruckt werden können.For the production of layer composites, the individual pasty masses can be applied layer by layer to one another by means of paste application processes. Each individual layer can either be crosslinked by itself or freed from solvent or brought into the layer form in some other way; however, the individual matrices can also be solidified by crosslinking or evaporating off the solvent or swelling agent or the like after all the layers required have been applied. The latter is advantageous, for example, if the individual electrochemically activatable layers are applied using a printing process which is carried out analogously to multi-color printing. An example of this is the flexographic printing technique, which can be used to continuously print several meters / second of a substrate with the required electrochemically activatable layers.
Alternativ kann jede Schicht oder Folie einzeln in ihren endverfestigten Zustand überführt werden. Handelt es sich um selbsttragende Folien, so können die entsprechenden Bestandteile des zu bildenden Bauelementes anschließend durch Laminierung miteinander verbunden werden. Hierfür können konventionelle Laminiertechniken eingesetzt werden. Genannt sei hier beispielsweise das Extrusionsbeschichten, wobei die zweite Schicht durch Anpreßwalzen mit einer Trägerschicht verbunden wird, Kalanderbeschichten mit zwei oder drei Walzspalten, worin neben der pastösen Masse die Trägerbahn mit einläuft, oder Doublieren (Verbinden unter Druck und Gegendruck von bevorzugt erhitzten Walzen). Der Fachmann wird die entsprechenden Techniken ohne weiteres auffinden, die sich durch die Wahl der Matrices für die jeweiligen pastösen Massen ergeben oder anbieten.Alternatively, each layer or film can be individually converted into its final solidified state. If the films are self-supporting, they can corresponding components of the component to be formed are then connected to one another by lamination. Conventional laminating techniques can be used for this. Examples include extrusion coating, in which the second layer is connected to a carrier layer by pressure rollers, calender coating with two or three nips, in which the carrier web runs in along with the pasty mass, or doubling (bonding under pressure and back pressure of preferably heated rollers). The person skilled in the art will readily find the corresponding techniques which result or are offered by the choice of the matrices for the respective pasty masses.
Ein Preßvorgang während des Verbindens (Laminierens) der einzelnen Schichten kann häufig erwünscht sein, z.B. zum besseren Verbinden (und damit dem Erzielen einer besseren Leitfähigkeit) der einzelnen Schichten. Hierfür sind gängige Techniken anwendbar. Vorteilhaft kann eine Kaltverpressung (bei Temperaturen unter 60°C) erfolgen, sofern die eingesetzten Materialien dies erlauben. Ein besonders guter Kontakt der einzelnen Schichten untereinander wird dadurch gewährleistet.Pressing during the bonding (lamination) of the individual layers can often be desirable, e.g. to better connect (and thus achieve better conductivity) the individual layers. Common techniques can be used for this. Cold pressing (at temperatures below 60 ° C.) can advantageously be carried out, provided the materials used allow this. This ensures particularly good contact between the individual layers.
Der Vorteil der Verwendung der erfindungsgemäßen pastösen Massen bzw. der daraus hergestellten selbsttragenden Folien oder auf einem Substrat aufliegenden Schichten ist bei allen Anwendungen die Kostengünstigkeit, die hohe praktische Energiedichte durch den kompakten Aufbau sowie eine hohe Auslaufsicherheit, da der flüssige Elektrolyt oder die flüssige Elektrode in der Polymermatrix wie in einem Schwamm gebunden ist.The advantage of using the pasty masses according to the invention or the self-supporting films produced therefrom or layers lying on a substrate is the cost-effectiveness, the high practical energy density due to the compact structure and high leak-proofness in all applications, since the liquid electrolyte or the liquid electrode in the polymer matrix is bound like a sponge.
Die elektrochemischen Bauteile, die mit den erfindungsgemäßen pastösen Massen herstellbar sind, sind nicht beschränkt. Die nachstehend beschriebenen Ausgestaltungen sind daher nur als Beispiele oder besonders bevorzugte Ausgestaltungen zu verstehen.The electrochemical components that can be produced with the paste-like materials according to the invention are not restricted. The configurations described below are therefore only to be understood as examples or particularly preferred configurations.
So können wiederaufladbare elektrochemische Zellen in Dickschichttechnologie hergestellt werden, d. h. mit einzelnen, elektrochemisch aktivierbaren Schichten in einer Dicke von etwa 10 μm bis etwa 1 bis 2 mm und bevorzugt von etwa 100 μm. Wenn die elektrochemische Zelle auf der Lithiumtechnologie basieren soll, bieten sich als Flüssigkeiten für die Elektrolytschichten bzw. Festsubstanzen für die Elektrodenschichten diejenigen Substanzen an, die bereits voranstehend hierfür aufgezählt sind. Dabei sind mindestens drei Schichten vorzusehen, nämlich eine solche, die als positive Elektrode fungiert, eine, die als Festkörperelektrolyt fungiert, und eine, die als negative Elektrode fungiert, d.h. die Schichten 3, 4 und 5 der Figur 1. Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, daß besonders vorteilhafte Stromdichten im Akkumulator erzielt werden, wenn gewisse Grenzbedingungen eingehalten werden. Die Stromdichte läßt sich bekanntlich durch den Widerstand des Elektrolyten einstellen. Ist sie zu hoch gewählt, so können die Elektroden durch Polarisation langfristig zerstört werden; ist sie zu niedrig, so ist die Leistung des hergestellten Akkumulators nur für wenige Einsatzgebiete ausreichend. Die genannte Grenzbedingung liegt vorzugsweise bei 1 mA/cm2. Wenn die Elektrolytschicht etwa 100 μm dick ist, ruft eine Stromdichte von 1 mA/cm2 einen durch den Widerstand bedingten Spannungsabfall von vernachlässigbaren 0,1 V hervor. Wenn beispielsweise ein Elektrolyt eine Leitfähigkeit von 10*1 S/cm besitzt, wird durch die Mikro-Geometrie in der Schicht (Füllstoff und Kanäle) die auf die Schicht bezogene Leitfähigkeit etwa bei 10° S/cm liegen. Ein sehr empfehlenswertes Kriterium ist es, die Schichtdicke d im Verhältnis zur Leitfähigkeit σjon und einem ionischen Widerstand (Ω) und in Bezug auf die Fläche A so zu wählen, daß die folgende Formel erfüllt wird:In this way, rechargeable electrochemical cells can be manufactured using thick-film technology, ie with individual, electrochemically activatable layers in a thickness of approximately 10 μm to approximately 1 to 2 mm and preferably approximately 100 μm. If the electrochemical cell is to be based on lithium technology, those substances which are already listed above are suitable as liquids for the electrolyte layers or solid substances for the electrode layers. At least three layers are to be provided, namely one that functions as a positive electrode, one that functions as a solid electrolyte and one that functions as a negative electrode, ie layers 3, 4 and 5 of FIG. 1. According to the invention, it has been found that particularly advantageous current densities are achieved in the accumulator if certain limit conditions are observed. As is known, the current density can be set by the resistance of the electrolyte. If it is too high, the electrodes can be destroyed in the long term by polarization; if it is too low, the performance of the battery produced is only sufficient for a few areas of application. The limit condition mentioned is preferably 1 mA / cm 2 . If the electrolyte layer is approximately 100 μm thick, a current density of 1 mA / cm 2 causes a negligible 0.1 V voltage drop due to the resistance. If, for example, an electrolyte has a conductivity of 10 * 1 S / cm, the micro-geometry in the layer (filler and channels) means that the conductivity related to the layer is approximately 10 ° S / cm. A highly recommended criterion is to choose the layer thickness d in relation to the conductivity σj on and an ionic resistance (Ω) and in relation to the area A so that the following formula is fulfilled:
200 Ω < d/(σj0n • A).200 Ω <d / (σj 0n • A).
Dieses Kriterium läßt sich bei Einsatz der erfindungsgemäßen "Tapes" in hervorragender Weise einhalten.This criterion can be met in an outstanding manner when the "tapes" according to the invention are used.
Die genannte dreischichtige Zelle (oder jedes beliebige andere elektrochemische Bauelement, bestehend aus positiver Elektrode/Elektrolyt/negativer Elektrode) kann zusätzlich mit Ableitelektroden (Schichten 1 und 7 der Figur 1 ) versehen sein. Diese bestehen zweckmäßigerweise aus Folien der geeigneten Materialien (Materialien für Ableitelektroden, die in der Lithiumtechnologie verwendet werden können, sind weiter vorne beschrieben).Said three-layer cell (or any other electrochemical component consisting of a positive electrode / electrolyte / negative electrode) can additionally be provided with discharge electrodes (layers 1 and 7 of FIG. 1). These expediently consist of foils of the suitable materials (materials for lead electrodes that can be used in lithium technology are described above).
In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung wird zwischen die untere Ableitelektrode und die ihr benachbarte Elektrode sowie die obere Ableitelektrode und die ihr benachbarte Elektrode eine weitere dünne Kunststoffschicht ("Zwischentape", Schichten 2 und 6 der Figur 1 ) eingearbeitet, die ebenfalls mit Hilfe einer pastösen Masse hergestellt sein kann. Diese dünne Kunststoffschicht sollte leitende, metallische Elemente oder Legierungen aus solchen Elementen enthalten, die geeignet sind, Elektronen vom jeweiligen Elektrodenmaterial auf die jeweilige Ableitelektrode zu transportieren. Beispiele hierfür sind die Elemente Gold, Platin, Rhodium und Kohlenstoff oder Legierungen aus diesen Elementen, wenn die Kunststoffschicht zwischen positiver Elektrode und zugehöriger Ableitelektrode angeordnet werden soll. Wenn sie zwischen negativer Elektrode und Ableitelektrode angeordnet werden soll, sind als Elemente Nickel, Eisen, Chrom, Titan, Molybdän, Wolfram, Vanadium, Mangan, Niob, Tantal, Kobalt oder Kohlenstoff zu nennen. Für die Konzentration und den Aufbau der pastösen Massen, aus denen diese Schichten gebildet werden, gilt das voranstehend für die Elektroden und Elektrolyte Gesagte selbstverständlich ebenfalls. Eine Ausgestaltung mit Ableitelektroden und Zwischentapes (siehe auch Figur 1 ) besitzt, wenn sie in der erwähnten Lithiumtechnologie mit LiAICl4/Sθ2 als Elektrolyt hergestellt ist, Lade- und Entladekurven, wie sie in Figur 3 dargestellt sind.In a special embodiment of the invention, a further thin plastic layer ("intermediate tape", layers 2 and 6 of FIG. 1) is worked in between the lower lead electrode and the electrode adjacent to it and the upper lead electrode and the electrode adjacent to it, which is also made with the aid of a pasty one Mass can be made. This thin plastic layer should contain conductive, metallic elements or alloys of elements which are suitable for transporting electrons from the respective electrode material to the respective lead electrode. Examples of these are the elements gold, platinum, rhodium and carbon or alloys made from these elements if the plastic layer is to be arranged between the positive electrode and the associated discharge electrode. If it is to be arranged between the negative electrode and the discharge electrode, nickel, iron, chromium, titanium, molybdenum, tungsten, vanadium, manganese, niobium, tantalum, cobalt or carbon are to be mentioned as elements. Of course, what has been said above for the electrodes and electrolytes also applies to the concentration and structure of the pasty masses from which these layers are formed. A configuration with lead electrodes and intermediate tapes (see also FIG. 1) has charge and discharge curves, as shown in FIG. 3, when it is produced in the lithium technology mentioned with LiAICl4 / Sθ2 as the electrolyte.
In einer anderen speziellen Ausgestaltung der Erfindung wird eine elektrochemische Zelle aus mindestens drei Schichten bereitgestellt, wobei beide Elektroden als erfindungsgemäße Schichten ausgebildet sind und die positive Seite (Elektrode) ein protisches System darstellt, während die negative Seite (Gegenelektrode) ein aprotisches System darstellt. Unter "protisch" ist hier ein System zu verstehen, in dem ein Salz, z. B. ein Lithiumsalz wie Lithiumnitrat oder Lithiumperchlorat in einemIn another special embodiment of the invention, an electrochemical cell is made up of at least three layers, both electrodes being designed as layers according to the invention and the positive side (electrode) representing a protic system, while the negative side (counter electrode) representing an aprotic system. "Protic" here means a system in which a salt, e.g. B. a lithium salt such as lithium nitrate or lithium perchlorate in one
"protischen", d. h. protonenabspaltenden System (H2O) gelöst ist. Entsprechend wird für die Zwischenschicht ein fester Elektrolyt gewählt, dessen Kation (z. B. Lithium) Leitungsion ist. Vor allem durch die wasserabweisenden Eigenschaften der Polymermatrix wird in dieser speziellen Ausgestaltung verhindert, daß Wasser auf die negative Seite gelangt und dort zersetzt wird. Vorteile sind die durch den flüssigen Elektrolyten erhöhte Kinetik in der positiven Elektrode sowie die breite Auswahl an möglichen Elektrolyten (hier wird das Problem des Korrosionspotentials der positiven metallischen Ableitelektrode umgangen, für die man aus Kostengründen gerne Aluminium wählt; z.B. Lithiumperchlorat enthaltende Elektrolyte oxidieren leicht die Ableitelektrode an der positiven Seite)."protic", i.e. H. proton-releasing system (H2O) is solved. Accordingly, a solid electrolyte is chosen for the intermediate layer, the cation (e.g. lithium) of which is a conduction ion. The water-repellent properties of the polymer matrix in this special embodiment prevent water from reaching the negative side and being decomposed there. The advantages are the increased kinetics in the positive electrode due to the liquid electrolyte as well as the wide selection of possible electrolytes (here the problem of the corrosion potential of the positive metallic lead electrode is avoided, for which aluminum is often chosen for cost reasons; e.g. electrolytes containing lithium perchlorate easily oxidize the lead electrode on the positive side).
Die erfindungsgemäßen Massen eignen sich u.a. zur Verwendung in Primärbatterien, wobei sie sich vor allem für die Herstellung der Elektrolytschichten eignen. Geeignete Elektrodensysteme hierbei sind z.B: Zink-Kohle, Alkali-Mangan (Zn-Mnθ2), Zink- Quecksilberoxid (Zn-HgO), Zink-Silberoxid (Zn-Ag2θ), Zink-Luftsauerstoff (Zn-02), Magnesium-Luftsauerstoff (Mg-02), Aluminium-Luftsauerstoff (AI-O2). Als Elektrolyte bieten sich alkoholische Lösungen von Alkali- und Ammoniumbromiden und -Chloriden oder Alkalihydroxiden (vor allem der Alkalimetalle Natrium und Kalium) an.The compositions according to the invention are suitable, inter alia. for use in primary batteries, where they are particularly suitable for the production of the electrolyte layers. Suitable electrode systems include: zinc-carbon, alkali-manganese (Zn-Mnθ2), zinc-mercury oxide (Zn-HgO), zinc-silver oxide (Zn-Ag2θ), zinc-atmospheric oxygen (Zn-02), magnesium-atmospheric oxygen ( Mg-02), aluminum atmospheric oxygen (AI-O2). Alcoholic solutions of alkali and ammonium bromides and chlorides or alkali hydroxides (especially the alkali metals sodium and potassium) are suitable electrolytes.
Die erfindungsgemäßen Massen eignen sich weiterhin zur Verwendung inThe compositions of the invention are also suitable for use in
Sekundärbatterien. Einige derartige Systeme wie der Bleiakkumulator und die Nickel- Metallhydridzelle wurden voranstehend bereits erwähnt; ergänzend seien die Systeme Nickel-Cadmium, Nickel-Eisen, Zink-Silberoxid sowie die Alkali-Mangan-Sekundärzelle genannt. Geeignete Elektrolyte hierfür sind z.B. wäßrige oder wasserfreie H2SO4 (z. B. für den Bleiakku) oder Kalilauge.Secondary batteries. Some such systems, such as the lead accumulator and the nickel metal hydride cell, have already been mentioned above; the systems are supplemented by nickel-cadmium, nickel-iron, zinc-silver oxide and the alkali-manganese secondary cell called. Suitable electrolytes for this are, for example, aqueous or anhydrous H2SO4 (e.g. for the lead battery) or potassium hydroxide solution.
Auch für einen neuen Typus von Batterien lassen sich die erfindungsgemäßen Massen einsetzen, nämlich die sogenannte Zersetzungsbatterie. Hierbei wird ein Salz in der positiven Elektrode zersetzt, beispielsweise MgBr2, und das entstehende Brom wird in einer Kohlenstoffolie ("Kohlenstofftape") gespeichert. Der Elektrolyt der pastösen Masse bzw. der daraus hergestellten Folie oder Schicht ist in diesem Falle MgCl2, das nicht zersetzt wird, da seine Zersetzungsspannung höher liegt als die von MgBr2- Als negative Elektrode wird Mg in situ in einer Metallfolie oder Kohlenstoffolie, die alsThe compositions according to the invention can also be used for a new type of battery, namely the so-called decomposition battery. Here, a salt in the positive electrode is decomposed, for example MgBr2, and the bromine formed is stored in a carbon film (“carbon tape”). The electrolyte of the pasty mass or the film or layer produced from it is in this case MgCl2, which is not decomposed because its decomposition voltage is higher than that of MgBr2. As a negative electrode, Mg is in situ in a metal foil or carbon film, which as
Schwamm fungieren, abgeschieden. Alternativ kann das Magnesium an der Oberfläche der genannten Materialien abgeschieden werden, wenn diese in geschlossener Form vorliegen; erstere Variante ist jedoch wegen der günstigeren Volumenverhältnisse bevorzugt. Die Zellspannung ist gleich der Zersetzungsspannung von MgBr2- Besonders vorteilhaft an derartigen Akkumulatoren ist, daß sich hier höherwertige Ionen einsetzen lassen, da sich die Kapazität mit der Wertigkeit multipliziert. Insbesondere werden die leichten und kostengünstigen Elemente Mg und AI zugänglich. In diesen Systemen sollten anorganische, wäßrige oder zumindest flüssige Elektrolyte eingesetzt werden, da die Beweglichkeit höherwertiger Ionen bei Raumtemperatur in Festelektrolyten zu gering für Batterie- undSponge act, deposited. Alternatively, the magnesium can be deposited on the surface of the materials mentioned if they are in a closed form; however, the former variant is preferred because of the more favorable volume ratios. The cell voltage is equal to the decomposition voltage of MgBr2. It is particularly advantageous in such batteries that higher-quality ions can be used here, since the capacity is multiplied by the value. In particular, the light and inexpensive elements Mg and Al become accessible. Inorganic, aqueous or at least liquid electrolytes should be used in these systems because the mobility of higher-quality ions at room temperature in solid electrolytes is too low for battery and
Akkumulatorenanwendungen ist. Die Elektroden können entweder als Metall- oder Kohlenstoffolie oder aber als pulverförmiges Elektrodenmaterial vorliegen, das in eine folienförmige Polymermatrix eingebettet ist, wie bereits zuvor beschrieben.Accumulator applications is. The electrodes can either be in the form of a metal or carbon film or else as a powdered electrode material which is embedded in a film-shaped polymer matrix, as already described above.
Ein weiteres Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen pastösen Massen sind Niedertemperaturbrennstoffzellen. Hier hat man bisher protonenleitende Polymerelektrolyte (PEM: Proton Exchange Membrane) wie Nafion verwendet. Dieser Polymerelektrolyt ist jedoch teuer und empfindlich gegen Austrocknung. Insbesondere gibt es auch keine einfache Wiederaufladung der Brennstoffzelle; in der Regel muß der Wasserstoffspeicher, der als kleine und teure Stahlflasche vorliegt, komplett ausgetauscht werden. Der Platzbedarf eines solchen Wasserstoffspeichers hat bisher die Ausgestaltung derartiger Zellen als Struktur dünner Schichten unmöglich gehalten. Erfindungsgemäß wird nun vorgesehen, eine Elektrolytschicht unter Verwendung einer Polymermatrix einzusetzen, in die ein hygroskopisches Salz eingearbeitet ist, und diese Schicht in einer feuchtigkeitshaltigen Umgebung zu halten. Durch das Zerfließen des Salzes enthält diese Schicht einen Flüssigelektrolyten (das genannte Salz im aufgenommenen Wasser), und das Wasser kann elektrochemisch zersetzt werden. Der entstehende Wasserstoff wird dann in einem weiteren, auflaminierten Hydridspeicher (Y, Pt, Pd, oder ein anderes wasserstoffaufnehmendes Material in Foiienform, bevorzugt in einer organischen Polymermatrix) gespeichert. Der Wasserverlust durch Zersetzung wird durch Nachziehen von Feuchtigkeit durch das hygroskopische Salz immer wieder ausgeglichen.Another area of application for the paste-like compositions according to the invention is low-temperature fuel cells. So far, proton-conducting polymer electrolytes (PEM: Proton Exchange Membrane) like Nafion have been used here. However, this polymer electrolyte is expensive and sensitive to dehydration. In particular, there is no simple recharging of the fuel cell; As a rule, the hydrogen storage, which is available as a small and expensive steel bottle, must be completely replaced. The space requirement of such a hydrogen storage has hitherto kept the design of such cells as a structure of thin layers impossible. According to the invention, it is now provided to use an electrolyte layer using a polymer matrix, into which a hygroscopic salt is incorporated, and to keep this layer in a moisture-containing environment. When the salt flows away, this layer contains a liquid electrolyte (the salt mentioned in the absorbed water), and the water can be decomposed electrochemically. The resulting hydrogen is then stored in a further, laminated hydride storage (Y, Pt, Pd, or another hydrogen-absorbing material in foil form, preferably in an organic polymer matrix). The loss of water due to decomposition is always compensated for by trailing moisture through the hygroscopic salt.
Auch in dieser Ausgestaltung der Erfindung kann eine Elektrolytschicht verwendet werden, die durch Vermischen von Polymer, Lösemittel und Weichmacher für die Polymermatrix (A) sowie Festsubstanz (C) zu einer pastösen Masse, Überführen dieser Masse in die gewünschte "Tape"-Form, Verfestigen der Form und bzw. durch Entfernen des Lösemittels, Herauslösen des Weichmachers und "Befüllen" der entstandenen Kavitäten mit der alkoholischen Lösung des hygroskopischen Salzes erzeugt wird, worauf der Alkohol verdampft wird. Alternativ kann das Salz, z.B. zusammen mit Alkohol als Lösungsvermittler, im Lösemittel oder Plastifizierer gelöst in die pastöse Masse eingearbeitet werden. In diesem Fall wird der Alkohol bevorzugt zusammen mit dem Lösemittel ausgetrieben. Der Füllstoff (C) ist hier vorzugsweise vergesehen, um die mechanische Stabilität des entstandenen, membranartigen Tapes zu verbessern. Er kann gegebenenfalls weggelassen werden.In this embodiment of the invention, too, an electrolyte layer can be used which solidifies by mixing polymer, solvent and plasticizer for the polymer matrix (A) and solid substance (C) into a pasty mass, converting this mass into the desired "tape" form the shape and / or by removing the solvent, removing the plasticizer and "filling" the cavities formed with the alcoholic solution of the hygroscopic salt, whereupon the alcohol is evaporated. Alternatively, the salt, e.g. can be incorporated into the pasty mass together with alcohol as a solubilizer, dissolved in the solvent or plasticizer. In this case, the alcohol is preferably driven off together with the solvent. The filler (C) is preferably provided here in order to improve the mechanical stability of the resulting membrane-like tape. If necessary, it can be omitted.
Auch für Solarzellen lassen sich die erfindungsgemäßen pastösen Massen und die daraus hergestellten Folien oder Schichten einsetzen. Das System, auf dem diese Solarzellen basieren, nutzt bevorzugt nicht die Silicium-Technologie, sondern den sogenannten Honda-Fujishima Effekt (1972). Oxide wie Titandioxid oder Wolframtrioxid sind in der Lage, bei Bestrahlung mit Sonnenlicht Wasser oder auch andere Substanzen wie Ameisensäure zu zersetzen (zu elektrolysieren). Dies liegt darin begründet, daß Elektronen in das Leitungsband angeregt werden und die verbliebenen Löcher hochoxidierend wirken, da bereits Oxide in dem der Chemie bekannten höchsten Oxidationszustand vorliegen. Die Solarzellen umfassen drei Schichten ("Tapes"), und zwar eine wasserstoffspeichernde, die wie für die Niedertemperaturbrennstoffzelle beschrieben aufgebaut sein kann, eine Elektrolyt- Schicht, die Wasser enthält, das im Betrieb zersetzt wird und deshalb ebenfalls wie für die Brennstoffzelle beschrieben ausgestaltet sein kann, sowie ein zusätzlich Tiθ2 oder WO3 und vorzugsweise ein Metallpulver oder Kohlenstoff (zur Gewährleistung ausreichender elektronischer Leitfähigkeit) enthaltendes Tape, das ansonsten analog zum Elektrolyttape aufgebaut ist. Im Gegensatz zur Brennstoffzelle wird die Solarzelle mit Licht "geladen". Während der Entladung arbeitet sie wie eine Brennstoffzelle.The pasty compositions according to the invention and the films or layers produced therefrom can also be used for solar cells. The system on which these solar cells are based prefers not to use silicon technology, but rather the so-called Honda-Fujishima effect (1972). Oxides such as titanium dioxide or tungsten trioxide are able to decompose (electrolyze) water or other substances such as formic acid when irradiated with sunlight. The reason for this is that electrons are excited into the conduction band and the remaining holes have a highly oxidizing effect, since oxides already exist in the highest oxidation state known to chemistry. The solar cells comprise three layers ("tapes"), namely a hydrogen-storing layer, which can be constructed as described for the low-temperature fuel cell, an electrolyte layer, which contains water, which is decomposed during operation and is therefore also designed as described for the fuel cell can, as well as an additional TiO 2 or WO 3 and preferably a metal powder or carbon (to ensure sufficient electronic conductivity) containing tape, which is otherwise analogous to the electrolyte tape. In contrast to the fuel cell, the solar cell is "charged" with light. During the discharge, it works like a fuel cell.
Die erfindungsgemäßen pastösen Massen und daraus hergestellte Folien oder Schichten sind ferner auch für elektrochemische Sensoren geeignet. Eine Polymermatrix wird für die Anwendung mit einem hygroskopischen Salz versetzt, das Wasser zieht. Über die Salzkonzentration, die Umgebungsfeuchte und die Temperatur läßt sich der Wassergehalt in einer aus der Masse hergestellten Folie sehr fein einstellen. Gegenüber einer Referenzelektrode, die als dagegenlaminiert.es Tape ausgebildet ist, treten unterschiedliche Spannungen als Funktion des Feuchtigkeitsgehaltes auf und erlauben so eine Feuchtigkeitsmessung.The paste-like masses according to the invention and foils or layers produced therefrom are also suitable for electrochemical sensors. A For the application, the polymer matrix is mixed with a hygroscopic salt that draws water. The water content in a film made from the mass can be adjusted very finely via the salt concentration, the ambient humidity and the temperature. Compared to a reference electrode, which is designed as a laminated tape, different voltages occur as a function of the moisture content and thus allow moisture measurement.
Die elektrochemischen Bauelemente der vorliegenden Erfindung können beispielsweise in einem kunststoffbasierten Gehäuse versiegelt werden. Gegenüber Metallgehäusen wird hier das Gewicht vorteilhaft verringert; Vorteile ergeben sich weiterhin für die Energiedichte.The electrochemical components of the present invention can be sealed, for example, in a plastic-based housing. The weight is advantageously reduced compared to metal housings; There are still advantages for the energy density.
Der elektrochemische Schichtverbund (das elektrochemische Bauelement) kann auch zwischen zwei oder mehr Folien aus einem mit Wachs oder Paraffin beschichteten Kunststoff eingebettet werden. Diese Materialien wirken als Versiegelung und können zusätzlich aufgrund ihrer inhärenten Eigenschaften mechanischen Druck auf den Schichtverbund ausüben, wodurch in vorteilhafter Weise eine Kontaktverbesserung im Schichtverbund durch Preßwirkung erzielt wird.The electrochemical layer composite (the electrochemical component) can also be embedded between two or more foils made of a plastic coated with wax or paraffin. These materials act as a seal and, due to their inherent properties, can additionally exert mechanical pressure on the laminate, which advantageously improves the contact in the laminate by means of a pressing action.
Wenn das elektrochemische Bauelement wie vorstehend oder auf andere Weise versiegelt wird, kann man das Innere mit einem vorgegebenen Wasser-/Sauerstoff-Partialdruck beaufschlagen, der eine hohe elektrochemische Stabilität bewirkt. Dies läßt sich beispielsweise durch das Versiegeln des elektrochemischen Elementes in einer solchen Umgebung mit entsprechend eingestellten und gewählten Parametern bewirken.If the electrochemical component is sealed as above or in another way, the interior can be subjected to a predetermined water / oxygen partial pressure, which brings about a high level of electrochemical stability. This can be achieved, for example, by sealing the electrochemical element in such an environment with appropriately set and selected parameters.
Die erfindungsgemäßen Schichtfolgen der elektrochemischen Bauelemente können in beliebiger Form angeordnet werden. Beispielsweise können die flexiblen Schichtverbünde aufgerollt werden, wodurch eine besonders vorteilhafte Geometrie für kompakte Akkumulatoren erzielt wird. Bei kleinem Bauvolumen des Akkumulators ist hier eine sehr große batterieaktive Fläche vorhanden. Figur 2 zeigt eine solche Ausgestaltung, wobei die Bezugszeichen 1 bis 7 die für Figur 1 genannten Bedeutungen besitzen und Bezugszeichen 8 eine Isolatorschicht bezeichnet.The layer sequences of the electrochemical components according to the invention can be arranged in any form. For example, the flexible layer composites can be rolled up, whereby a particularly advantageous geometry for compact accumulators is achieved. With a small construction volume of the accumulator, there is a very large battery-active area here. FIG. 2 shows such an embodiment, reference numerals 1 to 7 having the meanings given for FIG. 1 and reference numeral 8 denoting an insulator layer.
Nicht-selbsttragende Schichtverbünde können auch auf festen Untergründen wie Wänden zur integrierten Energiespeicherung aufgetragen werden (selbsttragende Folienverbände können natürlich ebenfalls aufgebracht bzw. aufgeklebt werden). Hier können große Flächen ausgenutzt werden; ein eigener Raumbedarf für die Akkumulatoren ist nicht gegeben. Ein spezielles Beispiel für eine derartige Ausgestaltung ist die Integration von Schichtverbünden für Akkumulatoren in Substrate für Solarzellen. Hierdurch können autarke Energieversorgungseinheiten geschaffen werden. Schichtsequenzen für Akkumulatoren können auch auf feste oder flexible Substrate aufgebracht werden, um in elektronischen Aufbauten der integrierten Energiespeicherung zu dienen.Non-self-supporting layer composites can also be applied to solid substrates such as walls for integrated energy storage (self-supporting film associations can of course also be applied or glued on). Large areas can be used here; a separate space requirement for the Accumulators are not available. A special example of such an embodiment is the integration of layer composites for accumulators in substrates for solar cells. In this way, self-sufficient energy supply units can be created. Layer sequences for rechargeable batteries can also be applied to solid or flexible substrates in order to serve the integrated energy storage in electronic structures.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Beispiele näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below with the aid of examples.
Beispiel 1example 1
Herstellung einer PrimärbatterieManufacture of a primary battery
Für die Anode werden 7g Zinkpulver, für den Elektrolyten 5g Siθ2 und für die Kathode 7g Mnθ2 mit je 1g PVDF-HFP, 1 ,5g Dibutylphthalat und 10g Aceton vermischt. Die Elektroden und der Elektrolyt werden zu Tapes ausgezogen, das Aceton verdampft und der Plastifizierer mit Hexan herausgelöst. Die Tapes werden mit wässrig-alkoholischer KOH Lösung (Lösungsmittel: 50% Wasser, 50% Alkohol) befüllt und zwischen zwei Edelstahlelektroden gepreßt.7g zinc powder for the anode, 5g SiO 2 for the electrolyte and 7 g MnO 2 for the cathode are mixed with 1g PVDF-HFP, 1.5 g dibutyl phthalate and 10 g acetone. The electrodes and the electrolyte are drawn out into tapes, the acetone is evaporated and the plasticizer is extracted with hexane. The tapes are filled with aqueous-alcoholic KOH solution (solvent: 50% water, 50% alcohol) and pressed between two stainless steel electrodes.
Beispiel 2 Herstellung einer SekundärbatterieExample 2 Production of a secondary battery
Für die Anode werden 7g Cd(OH)2, für den Elektrolyten 5g Siθ2 und für die Kathode 7g Ni(OH)2 mit je 1g PVDF-HFP, 1 ,5g Dibutylphthalat und 10g Aceton vermischt. Die Elektroden und der Elektrolyt werden zu Tapes ausgezogen, das Aceton verdampft und der Plastifizierer mit Hexan herausgelöst. Die Tapes werden mit wässrig-alkoholischer KOH Lösung (Lösungsmittel: 70% Wasser, 30% Alkohol) befüllt und zwischen zwei Edelstahlelektroden gepreßt. 7 g of Cd (OH) 2 for the anode, 5 g of SiO 2 for the electrolyte and 7 g of Ni (OH) 2 for the cathode are mixed with 1 g of PVDF-HFP, 1.5 g of dibutyl phthalate and 10 g of acetone. The electrodes and the electrolyte are drawn out into tapes, the acetone is evaporated and the plasticizer is extracted with hexane. The tapes are filled with aqueous alcoholic KOH solution (solvent: 70% water, 30% alcohol) and pressed between two stainless steel electrodes.

Claims

Ansprüche: Expectations:
1. In elektrochemischen Bauelementen verwendbare, pastöse Masse, umfassend eine heterogene Mischung aus (A) einer mindestens ein organisches Polymer, dessen Vorstufen oder dessen1. Pasty mass which can be used in electrochemical components and comprises a heterogeneous mixture of (A) an at least one organic polymer, its precursors or its
Präpolymere enthaltenden oder hieraus bestehenden Matrix,Prepolymers containing or consisting of prepolymers,
(B) einer elektrochemisch aktivierbaren, die Matrix nicht oder im wesentlichen nicht lösenden, anorganischen oder im wesentlichen anorganischen Flüssigkeit, und(B) an electrochemically activatable, inorganic or substantially inorganic liquid which does not or essentially does not dissolve the matrix, and
(C) ggf. einem pulverförmigen Feststoff, der gegenüber der elektrochemisch aktivierbaren Flüssigkeit im wesentlichen inert ist.(C) optionally a powdery solid which is essentially inert to the electrochemically activatable liquid.
2. Pastöse Masse nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (A) zusätzlich einen Plastifizierer und/oder ein Lösungs- oder Quellmittel enthält.2. Pasty mass according to claim 1, characterized in that the matrix (A) additionally contains a plasticizer and / or a solvent or swelling agent.
3. Pastöse Masse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (A) ein vernetzbares, flüssiges oder weiches Harz ist oder ein solches enthält.3. Pasty mass according to claim 1 or 2, characterized in that the matrix (A) is a crosslinkable, liquid or soft resin or contains such.
4. Pastöse Masse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz ausgewählt ist unter vernetzbaren Additionspolymeren und Kondensationsharzen, insbesondere Aminoplasten, Phenoplasten, Epoxidharzen, Polyestem, Polycarbamaten und Methylmethacrylat-Reaktionsharzen.4. Pasty composition according to claim 3, characterized in that the resin is selected from crosslinkable addition polymers and condensation resins, in particular aminoplasts, phenoplasts, epoxy resins, polyesters, polycarbamates and methyl methacrylate reactive resins.
5. Pastöse Masse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das organische Polymere der Matrix (A) ausgewählt ist unter natürlichen Polymeren und synthetischen Polymeren sowie Mischungen hiervon, insbesondere natürlichen und synthetischen Polysacchariden, Proteinen, Harzen, Wachsen und halogenierten und nichthalogenierten Kautschuken, Thermoplasten und5. Pasty mass according to claim 1 or 2, characterized in that the organic polymer of the matrix (A) is selected from natural polymers and synthetic polymers and mixtures thereof, in particular natural and synthetic polysaccharides, proteins, resins, waxes and halogenated and non-halogenated rubbers , Thermoplastics and
Thermoelastomeren.Thermoelastomers.
6. Pastöse Masse nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (A) mindestens ein in einem Lösungsmittel bzw. Quellmittel mindestens teilweise gelöstes bzw. gequollenes organisches Polymer enthält oder daraus besteht und das organische Polymer ausgewählt ist unter synthetischen Polymeren und natürlichen Polymeren sowie Mischungen hiervon. 6. Pasty mass according to any one of the preceding claims, characterized in that the matrix (A) contains or consists of at least one organic polymer at least partially dissolved or swollen in a solvent or swelling agent and the organic polymer is selected from synthetic polymers and natural ones Polymers and mixtures thereof.
7. Pastöse Masse nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in das Matrixmaterial (A) weiterhin ein hygroskopisches Salz eingearbeitet ist.7. Pasty mass according to one of the preceding claims, characterized in that a hygroscopic salt is also incorporated into the matrix material (A).
8. Pastöse Masse nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrochemisch aktivierbare Flüssigkeit (B) ausgewählt ist unter Substanzen, die sich als positives Elektrodenmaterial eignen oder Substanzen, die sich als negatives Elektrodenmaterial eignen oder Substanzen, die sich als Elektrolyte eignen oder Substanzen, die sich als ionische oder elektronische Zwischenleiter zwischen zwei in einem elektrochemischen8. Pasty mass according to one of the preceding claims, characterized in that the electrochemically activatable liquid (B) is selected from substances which are suitable as positive electrode material or substances which are suitable as negative electrode material or substances which are suitable as electrolytes or Substances that act as ionic or electronic intermediate conductors between two in an electrochemical
Bauelement benachbart anordbaren solchen Substanzen oder Materialien eignen.Component such substances or materials can be arranged adjacent.
9. Pastöse Masse nach Anspruch 8, worin die Flüssigkeit (B) eine wasserhaltige oder wasserfreie, anorganische oder im wesentlichen anorganische Flüssigkeit ist und ungelösten Festelektrolyten und/oder einen gemischten Leiter und/oder9. Pasty mass according to claim 8, wherein the liquid (B) is a water-containing or anhydrous, inorganic or substantially inorganic liquid and undissolved solid electrolytes and / or a mixed conductor and / or
Elektrolytmaterial enthält.Contains electrolyte material.
10. Pastöse Masse nach Anspruch 8 oder 9, worin die anorganische Flüssigkeit Magnesiumchlorid enthält.10. Pasty mass according to claim 8 or 9, wherein the inorganic liquid contains magnesium chloride.
11. Pastöse Masse nach Anspruch 8, worin die Flüssigkeit Vanadium-Oxihalogenid, wäßrige oder wasserfreie Schwefelsäure, Kalilauge oder LiAICl4/Sθ2 ist oder im wesentlichen enthält.11. Pasty mass according to claim 8, wherein the liquid is or essentially contains vanadium oxihalide, aqueous or anhydrous sulfuric acid, potassium hydroxide solution or LiAICl4 / Sθ2.
12. Pastöse Masse nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , worin die anorganische Flüssigkeit weiterhin einen hydrophilen organischen Zusatz, bevorzugt einen Alkohol, enthält.12. Pasty mass according to one of claims 8 to 11, wherein the inorganic liquid further contains a hydrophilic organic additive, preferably an alcohol.
13. Pastöse Masse nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Festsubstanz (C) ausgewählt ist unter Siθ2, Si3N4,13. Pasty mass according to one of the preceding claims, characterized in that the solid substance (C) is selected from Siθ2, Si3N4,
AI2O3, AIN, MgO oder Mischungen hieraus. AI2O3, AIN, MgO or mixtures thereof.
14. Selbsttragende oder auf einem Substrat aufliegende Schicht, umfassend eine heterogene Mischung aus14. Self-supporting layer or layer lying on a substrate, comprising a heterogeneous mixture of
(A) einer mindestens ein organisches Polymer enthaltenden oder hieraus bestehenden Matrix wie in einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 7 definiert,(A) a matrix containing or consisting of at least one organic polymer as defined in one of the preceding claims 1 to 7,
(B) einer elektrochemisch aktivierbaren, die Matrix nicht oder nicht wesentlich lösenden, anorganischen oder im wesentlichen anorganischen Flüssigkeit, und(B) an electrochemically activatable, inorganic or essentially inorganic liquid which does not or does not substantially dissolve the matrix, and
(C) ggf. einem pulverförmigen Feststoff, der gegenüber der elektrochemisch aktivierbaren Flüssigkeit im wesentlichen inert ist.(C) optionally a powdery solid which is essentially inert to the electrochemically activatable liquid.
15. Selbsttragende oder auf einem Substrat aufliegende Schicht nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht eine flexible Schicht ist.15. Self-supporting or on a substrate layer according to claim 14, characterized in that the layer is a flexible layer.
16. Schichtverbund mit elektrochemischen Eigenschaften, umfassend16. Layer composite with electrochemical properties, comprising
(1.) eine flexible, ein organisches Polymer enthaltende Schicht, die ein für positive Elektroden geeignetes Material enthält, (2.) eine Schicht gemäß einem der Ansprüche 14 oder 15, worin die elektrochemisch aktivierbare Flüssigkeit (B) ausgewählt ist unter Substanzen mit Elektrolyt-Eigenschaften, und(1.) a flexible layer containing an organic polymer, which contains a material suitable for positive electrodes, (2.) a layer according to one of claims 14 or 15, wherein the electrochemically activatable liquid (B) is selected from substances with electrolyte -Properties, and
(3.) eine flexible, ein organisches Polymer enthaltende Schicht, die ein für negative Elektroden geeignetes Material enthält.(3.) a flexible layer containing an organic polymer containing a material suitable for negative electrodes.
17. Schichtverbund mit elektrochemischen Eigenschaften, umfassend (1 ) eine Schicht gemäß einem der Ansprüche 14 oder 15, worin die anorganische Flüssigkeit ein flüssiges, für eine Kathode oder für eine Anode geeignetes Material ist,17. Layered composite with electrochemical properties, comprising (1) a layer according to one of claims 14 or 15, wherein the inorganic liquid is a liquid material suitable for a cathode or for an anode,
(2) eine flexible Schicht, die einen in eine organische Polymermatrix eingebetteten Festelektrolyten enthält, und(2) a flexible layer containing a solid electrolyte embedded in an organic polymer matrix, and
(3) eine flexible Schicht, die eingebettet in eine organische Polymermatrix flüssiges oder festes Elektrodenmaterial enthält, das die Gegenelektrode des Elektrodenmaterials der Schicht (1 ) darstellen kann. (3) a flexible layer which, embedded in an organic polymer matrix, contains liquid or solid electrode material which can be the counter electrode of the electrode material of the layer (1).
18. Schichtverbund mit elektrochemischen Eigenschaften nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich auf der Schicht mit positivem Elektrodenmaterial eine als untere Ableitelektrode dienende Schicht und auf der Schicht mit negativem Elektrodenmaterial eine als obere Ableitelektrode dienende Schicht aufgebracht ist.18 layer composite with electrochemical properties according to claim 16 or 17, characterized in that in addition to the layer with positive electrode material serving as a lower lead layer and on the layer with negative electrode material serving as an upper lead electrode layer is applied.
19. Schichtverbund mit elektrochemischen Eigenschaften nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zwischen der als untere Ableitelektrode dienenden Schicht und der Schicht mit positiven Elektrodenmaterial und/oder zwischen der als obere Ableitelektrode dienenden Schicht und der Schicht mit negativem Elektrodenmaterial eine dünne Kunststoffschicht vorhanden ist, die leitende, metallische Elemente oder Legierungen aus diesen Elementen enthält, die geeignet sind, Elektronen vom jeweiligen Elektrodenmaterial auf die jeweilige Ableitelektrode zu transportieren.19. Layered composite with electrochemical properties according to claim 18, characterized in that a thin plastic layer is additionally present between the layer serving as the lower discharge electrode and the layer with positive electrode material and / or between the layer serving as the upper discharge electrode and the layer with negative electrode material. which contains conductive, metallic elements or alloys of these elements which are suitable for transporting electrons from the respective electrode material to the respective discharge electrode.
20. Schichtverbund nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Kathodenmaterial ein in einem protonenabspaltenden Lösungsmittel, bevorzugt in H2O gelöstes Salz, bevorzugt ein Lithiumsalz ist und das Anodenmaterial ein aprotisches Material ist.20. Laminate according to one of claims 17 to 19, characterized in that the cathode material is a salt dissolved in a proton-releasing solvent, preferably in H2O, preferably a lithium salt and the anode material is an aprotic material.
21. Verwendung des Schichtverbundes nach einem der Ansprüche 16 bis 20 in einer Primärbatterie, einer Sekundärbatterie, oder einer Zersetzungsbatterie.21. Use of the layer composite according to one of claims 16 to 20 in a primary battery, a secondary battery, or a decomposition battery.
22. Verwendung eines Schichtverbundes gemäß Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten eine Dicke von etwa 10 μm bis etwa 2 mm aufweisen.22. Use of a layer composite according to claim 21, characterized in that the layers have a thickness of about 10 microns to about 2 mm.
23. Verwendung mindestens einer Schicht nach einem der Ansprüche 14 oder 15 in einer Niedertemperaturbrennstoffzelle, in Solarzellen oder in elektrochemischen Sensoren, insbesondere in einem elektrochemischen Sensor zur23. Use of at least one layer according to one of claims 14 or 15 in a low-temperature fuel cell, in solar cells or in electrochemical sensors, in particular in an electrochemical sensor
Feuchtigkeitsmessung.Moisture measurement.
24. Verfahren zum Herstellen einer pastösen Masse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein vernetzbares Präpolymerisat mit der elektrochemisch aktivierbaren Flüssigkeit (B) und ggf. mit dem Feststoff (C) zusammengegeben und mit diesen innig vermischt wird. 24. A method for producing a pasty mass according to any one of claims 1 to 13, characterized in that a crosslinkable prepolymer with the electrochemically activatable liquid (B) and possibly with the solid (C) are combined and intimately mixed with them.
25. Verfahren zum Herstellen einer pastösen Masse nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das organische Polymer, dessen Vorstufen oder dessen Präpolymere mit einem Plastifiziermittel und ggf. mit dem Feststoff (C) zusammengegeben und innig vermischt werden, anschließend ein Lösungsmittel zugegeben wird, in dem sich hauptsächlich der Plastifizierer löst, der in dem Lösungsmittel gelöste Plastifizierer aus der Masse wieder herausgewaschen und die Masse ggf. vom Lösungsmittel befreit wird, und schließlich die elektrochemisch aktivierbare Flüssigkeit (B) zugegeben wird.25. A method for producing a pasty mass according to any one of claims 1 to 13, characterized in that the organic polymer, its precursors or its prepolymers are combined with a plasticizer and optionally with the solid (C) and mixed intimately, then a solvent is added, in which mainly the plasticizer dissolves, the plasticizer dissolved in the solvent is washed out of the mass again and the mass is optionally freed from the solvent, and finally the electrochemically activatable liquid (B) is added.
26. Verfahren zum Herstellen einer selbsttragenden oder aufliegenden Schicht nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß als pastöse Masse eine solche eingesetzt wird, deren Matrix (A) aus einem vernetzbaren Polymeren oder Präpolymeren besteht und die aus dieser pastösen Masse erzeugte Schicht anschließend einer Vernetzung der Polymerkomponente unterzogen wird, die photochemisch, durch Elektronenstrahlen oder durch Wärme oder durch Eintauchen der Schicht in ein chemisches Vernetzungsmittel bewirkt wird.26. A method for producing a self-supporting or overlying layer according to one of claims 14 or 15, characterized in that the paste-like mass used is one whose matrix (A) consists of a crosslinkable polymer or prepolymer and the layer produced from this pasty mass is then subjected to crosslinking of the polymer component, which is effected photochemically, by electron beams or by heat or by immersing the layer in a chemical crosslinking agent.
27. Verfahren zum Herstellen einer selbsttragenden oder aufliegenden Schicht nach Anspruch 26, worin die Matrix (A) aus einem Harz besteht und die gebildete27. A method for producing a self-supporting or overlying layer according to claim 26, wherein the matrix (A) consists of a resin and the formed
Schicht mit Hilfe von UV- oder Elektronenbestrahlung ausgehärtet wird.Layer is cured with the help of UV or electron radiation.
28. Verfahren zum Herstellen einer selbsttragenden oder aufliegenden Schicht nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine pastöse Masse hergestellt wird, die aus einer heterogenen Mischung aus (A) mindestens einem organischen Polymer, dessen Vorstufen oder dessen Präpolymeren, einem Plastifizierer und einem Lösungs- oder Quellmittel sowie (C) ggf. einem pulverförmigen Feststoff besteht oder diese Komponenten enthält, die pastöse Masse anschließend in die gewünschte Schichtform überführt und in dieser Form durch Abdampfen des Lösungs- oder Quellmittels und ggf. weitere Maßnahmen verfestigt wird, daß anschließend mit Hilfe eines Lösemittels für den Plastifizierer dieser aus der verfestigten Schicht herausgelöst wird und schließlich die dadurch entstandenen Kavitäten durch Eintauchen in (B) eine elektrochemisch aktivierbare, die Matrix nicht oder im wesentlichen nicht lösende, anorganische oder im wesentlichen anorganische Flüssigkeit mit dieser befüllt werden. 28. A method for producing a self-supporting or overlying layer according to one of claims 14 or 15, characterized in that a pasty mass is produced which consists of a heterogeneous mixture of (A) at least one organic polymer, its precursors or its prepolymers, a plasticizer and a solvent or swelling agent and (C) optionally a powdery solid or contains these components, the pasty mass is subsequently converted into the desired layer shape and is solidified in this form by evaporation of the solvent or swelling agent and, if appropriate, further measures that then with the aid of a solvent for the plasticizer, this is dissolved out of the solidified layer and finally the cavities resulting therefrom by immersion in (B) an electrochemically activatable, the matrix which does not or essentially does not dissolve, inorganic or essentially inorganic liquid with di be filled.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganische oder im wesentlichen anorganische Flüssigkeit ein in einem zumindest teilweise organischen Lösungsmittel gelöstes Salz ist, und daß im Anschluß an das Befüllen der Kavitäten die organische Komponente des Lösemittels ausgetrieben und durch eine anorganische Komponente, vorzugsweise H2O, ersetzt wird.29. The method according to claim 28, characterized in that the inorganic or substantially inorganic liquid is a salt dissolved in an at least partially organic solvent, and that after filling the cavities, the organic component of the solvent is expelled and by an inorganic component, preferably H2O, is replaced.
30. Verfahren zum Herstellen eines Schichtverbundes nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils für eine Schicht vorgesehenen pastösen Massen nacheinander mit Hilfe eines Pastenauftragsverfahrens, besonders bevorzugt mit Hilfe eines Druckverfahrens, auf einem Substrat aufgebracht werden und die Schichten anschließend in ihren endverfestigten Zustand gebracht werden. 30. A method for producing a layer composite according to one of claims 17 to 20, characterized in that the paste-like masses provided for each layer are successively applied to a substrate using a paste application method, particularly preferably using a printing method, and the layers are subsequently applied in brought to their final solidified state.
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