FR2615658A1 - INSOLUBLE MIXED HEAVY METAL POLYSULFIDE CATHODES - Google Patents

INSOLUBLE MIXED HEAVY METAL POLYSULFIDE CATHODES Download PDF

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William Lee Bowden
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Abstract

ON UTILISE COMME CATHODES A TRES HAUTE DENSITE D'ENERGIE, DANS DES PILES ELECTROCHIMIQUES NON AQUEUSES, DES POLYSULFURES DE METAUX LOURDS MIXTES QUI SONT INSOLUBLES DANS LES ELECTROLYTES NON AQUEUX ET REPONDENT A LA FORMULE :M(1)NM(2)M(S)-2,DANS LAQUELLE M(1) ET M(2) SONT DES ATOMES DE METAUX LOURDS DIFFERENTS, N ET M SONT DES NOMBRES ENTIERS REPRESENTANT RESPECTIVEMENT LES ETATS DE VALENCE DE M(1) ET DE M(2), W ET X SONT DES NOMBRES ENTIERS REPRESENTANT RESPECTIVEMENT LA STOECHIOMETRIE DE M(1) ET DE M(2) DANS LE POLYSULFURE, S EST LE SOUFRE, NW MX 2Z ET Y EST SUPERIEUR A 4,5.AS CATHODES WITH VERY HIGH ENERGY DENSITY, IN NON-AQUEOUS ELECTROCHEMICAL CELLS, POLYSULFIDES OF MIXED HEAVY METALS WHICH ARE INSOLUBLE IN NON-AQUEOUS ELECTROLYTES AND COMPLY WITH THE FORMULA: M(1)NM(2)M(S) )-2, IN WHICH M(1) AND M(2) ARE DIFFERENT HEAVY METAL ATOMS, N AND M ARE INTEGER NUMBERS RESPECTIVELY REPRESENTING THE VALENCE STATES OF M(1) AND M(2), W AND X ARE INTEGER NUMBERS RESPECTIVELY REPRESENTING THE STOECHIOMETRY OF M(1) AND M(2) IN POLYSULFIDE, S IS SULFUR, NW MX 2Z AND Y IS GREATER THAN 4.5.

Description

- l - La présente invention est- relative aux suflures de métaux et enThe present invention relates to metal swellings and to

particulier à des polysulfures de métaux utilisés comme matières pour cathodes dans les piles électrochimiques non aqueuses. Le soufre élémentaire a une capacité électrochimique théorique extrêmement élevée (1,6 A-hr/g) et on l'a en fait utilisé comme cathode dans les piles électrochimiques. Toutefois, une telle  peculiar to metal polysulfides used as cathode materials in non-aqueous electrochemical cells. Elemental sulfur has an extremely high theoretical electrochemical capacity (1.6 A-hr / g) and has in fact been used as a cathode in electrochemical cells. However, such

utilisation du soufre a été limitée par divers inconvénients qui res-  sulfur use has been limited by various drawbacks which

treignent fortement la possibilité d'atteindre effectivement une telle capacité élevée et qui en outre ont empêché d'utiliser le soufre dans de nombreuses applications en piles. Le soufre est presque un isolant en présentant une *conductivité ionique et électronique très faible, alors qu'au moins une conductivité électronique de la matière de cathode est nécessaire pour arriver à une utilisation raisonnable de cette matière. De ce fait, des cathodes en soufre ont exigé des  strongly limit the possibility of effectively reaching such a high capacity and which, moreover, have prevented the use of sulfur in numerous battery applications. Sulfur is almost an insulator having a very low ionic and electronic conductivity, while at least an electronic conductivity of the cathode material is necessary to achieve a reasonable use of this material. As a result, sulfur cathodes required

inclusions massives, réductrices de capacité et formées par des conduc-  massive inclusions, reducing capacity and formed by conduc-

teurs électroniques sans activité cathodique. Dans des applications  electronic donors without cathodic activity. In applications

en piles à électrolyte solide il a fallu encore prévoir d'autres conduc-  in solid electrolyte batteries it was still necessary to provide other conduc-

teurs ioniques de faible capacité ou sans activité cathodique, réducteurs  ionic contents of low capacity or without cathodic activity, reducing agents

de capacité.of capacity.

En plus de sa faible conductivité, le soufre présente une pression de vapeur et une vitesse de dissolution relativement élevées avec la tendance résultante à une réduction de la durée des piles-par court- circuitage interne, en particulier lors d'un stockage à des températures élevées. De ce fait les cathodes en soufre n'ont généralement été utilisées que dans des piles pour températures élevées, dans lesquelles le soufre se trbuve à l'état fondu durant le fonctionnement avec une conductivité accrue, et dans lesquelles  In addition to its low conductivity, sulfur has a relatively high vapor pressure and dissolution rate with the resulting tendency to reduce battery life by internal short-circuiting, especially when stored at temperatures high. As a result, sulfur cathodes have generally been used only in high temperature cells, in which the sulfur is found in the molten state during operation with increased conductivity, and in which

le soufre fondu est nécessairement totalement enfermé.  the molten sulfur is necessarily completely enclosed.

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- 2 - Pour utiliser au moins partiellement la capacité inhérente du soufre, on a utilisé comme cathodes des sulfures de  - 2 - To use at least partially the inherent capacity of sulfur, sulphides of

métaux, tels que PbS, AgS, etc., en particulier dans les piles à élec-  metals, such as PbS, AgS, etc., especially in electric cells

trolyte solide. Bien que ces matières ne présentent pas la pression de vapeur ou la vitesse de dissolution élevées préjudiciables du soufre élémentaire, elles ne présentent pas non plus des capacités plus  solid trolyte. Although these materials do not exhibit the detrimental high vapor pressure or dissolution rate of elemental sulfur, they also do not exhibit higher capacities.

ou moins voisines de la capacité théorique du soufre.  or less close to the theoretical capacity of sulfur.

Des disulfures de métaux, tels que FeS2, CoS2 et NiS2, en raison de leur teneur relativement plus élevée en soufre, donnent des capacités plus élevées que les matières en monosulfures et on les a utilisés de façon efficace dans des piles, en particulier dans des piles opérant à des températures élevées. La capacité théorique du FeS2 par exemple est de 0, 730 A-hr/g, une capacité d'environ 0,700 A-hr/g étant en réalité obtenue. Les capacités de  Disulfides of metals, such as FeS2, CoS2 and NiS2, due to their relatively higher sulfur content, give higher capacities than monosulfide materials and have been used effectively in batteries, especially in batteries operating at high temperatures. The theoretical capacity of FeS2 for example is 0.730 A-hr / g, a capacity of about 0.700 A-hr / g being actually obtained. The capabilities of

ces matières ne pouvaient toutefois pas encore se comparer favo-  these subjects could not yet compare favorably

rablement à celle du soufre élémentaire.  that of elemental sulfur.

Une autre classe de sulfures de métaux comprend les composés d'intercalation de métaux de transition. Cette classe est exemplifiée de la meilleure manière par le disulfure de titane (TiS2). Des cathodes formées de ces matières conviennent le mieux pour des piles rechargeables à cause de la réversibilité totale des réactions d'intercalation avec les ions de métaux alcalins. Toutefois, ces matières donnent moins de capacité primaire que d'autres sulfures de métaux puisque le soufre lui- même ne participe pas à la réaction  Another class of metal sulfides includes transition metal intercalating compounds. This class is best exemplified by titanium disulfide (TiS2). Cathodes formed from these materials are most suitable for rechargeable cells because of the total reversibility of intercalation reactions with alkali metal ions. However, these materials give less primary capacity than other metal sulfides since the sulfur itself does not participate in the reaction

des piles électrochimiques.electrochemical cells.

Des polysulfures de métaux alcalins, tels que le Li2Sx etle Na2Sx, o x41, représentent une autre classe de sulfures  Another class of sulfides are alkali metal polysulfides, such as Li2Sx and Na2Sx, or x41.

de métaux que l'on autilisés comme cathodes dans les piles électro-  of metals which are used as cathodes in electro-

chimiques. Ces matières ont en fait montré des capacités relativement bonnes mais plusieurs désavantages importants. accompagnent leur utilisation. Les électrolytes non aqueux de piles comportant les cathodes en polysulfures de métaux alcalins ont tendance à devenir  chemicals. These materials have in fact shown relatively good capabilities but several significant disadvantages. support their use. Non-aqueous electrolytes from cells with alkali metal polysulfide cathodes tend to become

de plus en plus visqueux avec une perte concomitante de conducti-  increasingly viscous with a concomitant loss of conductivity

vité et une capacité nettement réduite de taux de décharge. En outre, les polysulfures de métaux alcalins sont au moins partiellement  speed and a significantly reduced capacity of discharge rate. In addition, the alkali metal polysulfides are at least partially

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- 3 -- 3 -

solubles dans les solvants d'électrolyte courants et sont, par conse-  soluble in common electrolyte solvents and are therefore

quent, sujets à provoquer une décharge en circuit ouvert des piles  quent, prone to open battery discharge

sur des périodes prolongées de temps.  over extended periods of time.

Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4.481.267 appartenant à la demanderesse décrit une nouvelle classe de matières formées par des polysulfures de métaux, que l'on utilise comme  U.S. Patent No. 4,481,267 to the Applicant describes a new class of materials formed by metal polysulfides, which are used as

cathodes dans les piles électrochimiques non aqueuses. Ces poly-  cathodes in nonaqueous electrochemical cells. These poly-

sulfures de métaux se caractérisent par un rapport atomique soufre/ métal de transition, qui est supérieur à 3,5/1. Des exemples de tels polysulfures sont CoS45, NiS45, CuS37 et FeS 5 Ces matières se rapprochent le plus de la capacité théorique du soufre, en présentant  Metal sulfides are characterized by a sulfur / transition metal atomic ratio, which is greater than 3.5 / 1. Examples of such polysulfides are CoS45, NiS45, CuS37 and FeS 5 These materials come closest to the theoretical capacity of sulfur, presenting

des capacités théoriques légèrement supérieures à 1,0 A-hr/g.  theoretical capacities slightly higher than 1.0 A-hr / g.

Ces polysulfures de métaux lourds peuvent se pré-  These heavy metal polysulfides can pre-

parer par précipitation au départ d'un mélange d'une solution aqueuse du chlorure de métal avec une solution aqueuse de polysulfure. Des  trim by precipitation from a mixture of an aqueous solution of metal chloride with an aqueous solution of polysulfide. Of

solutions appropriées de polysulfure se préparent à partir de poly-  suitable polysulfide solutions are prepared from poly-

sulfure d'ammonium ou de polysulfure de sodium par exemple. Dans  ammonium sulfide or sodium polysulfide for example. In

une demande de brevet aux Etats-Unis d'Amérique en suspens M-  a pending patent application in the United States of America M-

3912, on décrit un procédé de préparation de polysulfures de métaux lourds en utilisant du polysulfure d'ammonium. Ce procédé donne des produits qui, sauf le polysulfure de métal lourd, sont volatils et peuvent être éliminés par chauffage, ce qui simplifie ainsi la séparation. Lorsque des polysulfures préparés par ce procédé ou par le procédé décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4.481.267 ne sont pas chauffés, ils ont un rapport soufre/métal  3912, a process for the preparation of heavy metal polysulphides using ammonium polysulphide is described. This process produces products which, except heavy metal polysulfide, are volatile and can be removed by heating, thereby simplifying separation. When polysulfides prepared by this process or by the process described in U.S. Patent No. 4,481,267 are not heated, they have a sulfur / metal ratio

allant de 3,5/1 à 5/1. Bien que ces matières aient une activité catho-  ranging from 3.5 / 1 to 5/1. Although these materials have catholic activity

dique comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4.481.267, on a constaté qu'il y a moins de dégradation au stockage si les polysulfures de métaux lourds sont d'abord chauffés jusqu'à  As described in US Patent No. 4,481,267, it has been found that there is less degradation on storage if the heavy metal polysulfides are first heated to

une valeur de poids constant avant d'être transformés en cathodes.  a constant weight value before being transformed into cathodes.

Un chauffage sous vide jusqu'à un poids constant élimine le soufre faiblement lié et donne des polysulfures -présentant une proportionen  Heating under vacuum to a constant weight removes weakly bound sulfur and produces polysulfides - with a proportion of

soufre comprise entre 3,5/1 et 4,5/1.  sulfur between 3.5 / 1 and 4.5 / 1.

D'une manière générale, les polysulfures de métaux  In general, metal polysulfides

lourds mixtes de la présente invention répondent à la formule stoechio-  heavy mixtures of the present invention correspond to the formula stoechio-

2 6 1 5 65 82 6 1 5 65 8

- 4 - métrique M(l)M(2)S o M(1) et M(2) sont des atomes de métaux y lourds différents, S désigne le soufre, et y est supérieur ou égal à 4,5. Lorsqu'on utilise des métaux lourds mixtes dans la préparation du polysulfure, on a découvert que celui-ci a une teneur plus élevée de soufre après chauffage sous vide que lorsqu'on utilise un seul métal lourd. Ceci donne à son tour aux polysulfures de métaux lourds  - 4 - metric M (l) M (2) S o M (1) and M (2) are atoms of different heavy metals, S denotes sulfur, and y is greater than or equal to 4.5. When mixed heavy metals are used in the preparation of the polysulfide, it has been found that it has a higher sulfur content after heating under vacuum than when a single heavy metal is used. This in turn gives the heavy metal polysulfides

mixtes une capacité électrochimique plus élevée.  mixed higher electrochemical capacity.

La présente irivention a été faite lorsqu'on a mélangé une solution contenant des sels de deux métaux lourds différents avec une solution aqueuse de polysulfure de sodium. De façon plus particulière, lorsqu'on a mélangé une solution équimolaire aqueuse de FeSO4 et de CoSO4 avec un excès d'une solution aqueuse de polysulfure de sodium, on a eu une précipitation d'une matière qui, après lavage et séchage, s'est révélée être du Co2,3Fe 0,7S15. Cette matière a un rapport atomique soufre/métal de 5/1 après séchage sous vide à 110 C, ce qui est supérieur au rapport que l'on trouve normalement dans les polysulfures de métaux lourds simples après séchage sous vide à 110 C. Une modification de la concentration  The present invention was made when a solution containing salts of two different heavy metals was mixed with an aqueous solution of sodium polysulfide. More particularly, when an aqueous equimolar solution of FeSO4 and CoSO4 was mixed with an excess of an aqueous solution of sodium polysulfide, there was a precipitation of a material which, after washing and drying, was found to be Co2.3Fe 0.7S15. This material has a sulfur / metal atomic ratio of 5/1 after drying under vacuum at 110 C, which is higher than the ratio normally found in simple heavy metal polysulfides after drying under vacuum at 110 C. of concentration

des sels dans la solution initiale apporte un changement de la compo-  salts in the initial solution brings about a change in the composition

sition du polysulfure mixte de métaux lourds. En outre, un changement des métaux dans les sels mène à des polysulfures de métaux lourds mixtes d'une composition différente. Il est évident que n'importe quel sel métallique qui est soluble dans l'eau pourrait être utilisé dans la préparation d'un polysulfure mixte de métaux lourds. De tels sels sont notamment les sels de cuivre, de titane, de vanadium, de chrome, de molybdène, de tungstène, de fer, de ruthénium, de  sition of mixed heavy metal polysulfide. In addition, a change of metals in the salts leads to mixed heavy metal polysulfides of a different composition. It is obvious that any metal salt which is soluble in water could be used in the preparation of a mixed heavy metal polysulfide. Such salts are in particular the salts of copper, titanium, vanadium, chromium, molybdenum, tungsten, iron, ruthenium,

cobalt, de rhodium et de nickel.cobalt, rhodium and nickel.

En plus de la préparation au départ de solutions aqueuses, il est également possible de préparer des polysulfures de métaux lourds mixtes à partir de solvants organiques, tels que le diméthylformamide ou l'éther diéthylique. Au lieu de polysulfure d'ammonium, le soufre pourrait être fourni au départ de H2S et  In addition to the preparation from aqueous solutions, it is also possible to prepare mixed heavy metal polysulfides from organic solvents, such as dimethylformamide or diethyl ether. Instead of ammonium polysulfide, sulfur could be supplied from H2S and

au départ du soufre élémentaire lui-même.  from elemental sulfur itself.

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- 5 - Un avantage de la présente invention est que des polysulfures de métaux lourds mixtes peuvent être préparés et utilisés  An advantage of the present invention is that mixed heavy metal polysulfides can be prepared and used

comme matières à activité cathodique dans les piles électrochimiques.  as cathodically active materials in electrochemical cells.

L'électrolyte employé dans les piles pourrait être aqueux, non aqueux ou solide. Lorsque l'électrolyte est non aqueux, l'anode peut être  The electrolyte used in batteries could be aqueous, non-aqueous or solid. When the electrolyte is nonaqueous, the anode can be

constituée d'un métal alcalin ou alcalino-terreux, tel que le lithium.  made of an alkali or alkaline earth metal, such as lithium.

Un avantage supplémentaire est que les polysulfures  An additional advantage is that the polysulfides

de métaux lourds mixtes peuvent être préparés de façon plus écono-  mixed heavy metals can be prepared more economically

mique que les polysulfures de métaux lourds simples. A titre d'exemple, leo es le Co27 est un polysulfure qui convient comme matière de cathode mais est coûteux en raison du coût du cobalt. En remplaçant une partie du cobalt par un métal lourd different et moins cher, comme  mique as simple heavy metal polysulfides. For example, leo es Co27 is a polysulfide which is suitable as a cathode material but is expensive due to the cost of cobalt. By replacing part of the cobalt with a different and cheaper heavy metal, like

le fer, le coût de la matière de cathode diminue.  iron, the cost of cathode material decreases.

Un autre avantage est que les polysulfures de métaux lourds mixtes ne montrent pas toujours des propriétés semblables à celles des polysulfures de métaux simples correspondants. A titre  Another advantage is that mixed heavy metal polysulfides do not always show properties similar to those of the corresponding simple metal polysulfides. As

d'exemple, le Fe3S8 est très sensible à l'air et se décompose faci-  example, Fe3S8 is very sensitive to air and breaks down easily

lement. Par contre, un polysulfure de cobalt-fer ne présente pas  lement. On the other hand, a cobalt-iron polysulphide does not have

ce problème.this issue.

Un but de la présente invention est de prévoir des matières formées par des polysulfures de métaux lourds mixtes, qui soient utiles comme substances à activité cathodique dans les  An object of the present invention is to provide materials formed by mixed heavy metal polysulfides, which are useful as cathodically active substances in

piles électrochimiques.electrochemical cells.

Un autre but de la présente invention est de prévoir des matières formées par des polysulfures, qui soient moins chères à produire que les matières de polysulfures précédemment connues  Another object of the present invention is to provide materials formed by polysulfides, which are less expensive to produce than the previously known polysulfide materials.

tout en assurant au moins la même capacité.  while ensuring at least the same capacity.

Ces buts et avantages apparaîtront clairement des Exemples suivants. Il doit être entendu que ces Exemples sont  These goals and advantages will become apparent from the following Examples. It should be understood that these Examples are

simplement illustratifs et que l'on pourrait préparer d'autres poly-  simply illustrative and that we could prepare other poly-

sulfures de métaux lourds mixtes. En conséquence, les détails décrits dans ces exemples ne sont pas destinés à constituer tdes limitations quelconques de la présente invention. A moins d'indications contraires,  mixed heavy metal sulfides. Accordingly, the details described in these examples are not intended to constitute any limitations of the present invention. Unless otherwise indicated,

toutes les parties sont des parties en poids.  all parts are parts by weight.

6 -6 -

Exemple IExample I

On prépare une solution aqueuse qui est équimolaire  An aqueous solution is prepared which is equimolar

en FeSO 4 et en CoSO4. On y ajoute une solution aqueuse de poly-  in FeSO 4 and in CoSO4. An aqueous solution of poly-

sulfure de sodium. La quantité ajoutée de polysulfure de sodium est inférieure à la quantité nécessaire pour précipiter la totalité des.ions Co2+ et Fe2+. Il se forme un précipité noir que l'on sépare par filtration. Le précipité noir est lavé et ensuite séché sous vide à 110 C jusqu'à obtention d'un poids constant. Le polysulfure mixte résultant de métaux lourds a été analysé et on a constaté qu'il répond à la formule Co2,3Fe0 7S15. Ce polysulfure a un rapport atomique soufre/métal de 5/1, valeur qui est supérieure à celle que l'on trouve  sodium sulfide. The added amount of sodium polysulfide is less than the amount required to precipitate all of the Co2 + and Fe2 + ions. A black precipitate is formed which is separated by filtration. The black precipitate is washed and then dried under vacuum at 110 ° C. until a constant weight is obtained. The mixed polysulfide resulting from heavy metals was analyzed and it was found that it corresponds to the formula Co2.3Fe0 7S15. This polysulfide has a sulfur / metal atomic ratio of 5/1, a value which is higher than that found

généralement dans les polysulfures simples de métaux lourds.  generally in simple heavy metal polysulfides.

Exemple 2Example 2

On prépare une solution de (NH4)2MoS4 dans du diméthylformamide(DMF). A cette solution, on ajoute une solution  A solution of (NH4) 2MoS4 in dimethylformamide (DMF) is prepared. To this solution, we add a solution

de soufre élémentaire dans du DMF. On ajoute une quantité suffi-  of elemental sulfur in DMF. Add a sufficient amount

2 -22 -2

sante de soufre pour amener l'anion MoS42 a l'anion MoS 2. L'anion de polysulfure.précipite sous forme de (NH4)2MoS9 et on sépare  health of sulfur to bring the anion MoS42 to the anion MoS 2. The anion of polysulfide.precipitates in the form of (NH4) 2MoS9 and one separates

42 942 9

celui-ci par filtration. On ajoute alors le (NH4)MoS9 à une solution de CuCl2 dans du DMF. Le CuCI2 est en excès molaire par rapport au (NH4) 2MoS9. On ajoute de l'éther diéthylique jusqu'à ce que la solution devienne trouble. Cette solution est alors- refroidie et il se forme des cristaux de CuMoS9. Ce polysulfure mixte de métaux  this by filtration. The (NH4) MoS9 is then added to a solution of CuCl2 in DMF. CuCI2 is in molar excess with respect to (NH4) 2MoS9. Diethyl ether is added until the solution becomes cloudy. This solution is then cooled and crystals of CuMoS9 are formed. This mixed metal polysulfide

lourds a un rapport atomique soufre/métal de 4,5/1.  heavy has a sulfur / metal atomic ratio of 4.5 / 1.

Exemple 3 On prépare une solution aqueuse ammoniacale  Example 3 An aqueous ammoniacal solution is prepared

de NH4VO3. Cette solution est ensuite saturée par du H2S pour.  NH4VO3. This solution is then saturated with H2S for.

former du (NH4)V3S4 qui précipite sous forme de cristaux sombres.  form (NH4) V3S4 which precipitates as dark crystals.

Ces cristaux sombres sont séparés de la solution par filtration. Les cristaux séparés sont ensuite dissous dans une solution, aqueuse diluée d'hydroxyde de sodium. On ajoute ensuite du soufre avec agitation pour former du (NH4)3VS8. On ajoute ensuite une solution de chlorure de cobalt (Il) complexé avec de l'ammoniac pour former du Co3(VS)  These dark crystals are separated from the solution by filtration. The separated crystals are then dissolved in a dilute aqueous solution of sodium hydroxide. Then sulfur is added with stirring to form (NH4) 3VS8. A solution of cobalt (II) chloride complexed with ammonia is then added to form Co3 (VS)

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- 7 - Exemple comparatif A On a préparé des piles du type pastille, présentant un diamère externe de 24,5 mm et une hauteur de 3 mm, ces piles contenant chacune une anode formée d'une feuille de lithium (440 mA- hr) pressée sur une grille en nickel soudée au fond interne du logement de pile. Cette pile contenait un électrolyte de LiCIO4 0,75 M dans du carbonate de propylène et du déméthoxyéthane (rapport de 1/1 en volume). La cathode était constituée de 100 mg de Co257  Comparative Example A Batteries of the pellet type were prepared, having an external diameter of 24.5 mm and a height of 3 mm, these batteries each containing an anode formed from a lithium sheet (440 mA- hr) pressed on a nickel grid welded to the internal bottom of the battery compartment. This cell contained a 0.75 M LiCIO4 electrolyte in propylene carbonate and demethoxyethane (1/1 by volume ratio). The cathode consisted of 100 mg of Co257

conformé en un disque présentant une aire superficielle de 3 cm2.  shaped like a disc with a surface area of 3 cm2.

Une pile a été déchargée à un taux de décharge élevé (500.f) et a donné 800 mA-hr/g jusqu'à une tension de blocage de I V. Une autre pile a été déchargée à un faible taux de décharge (2 kSI) et a donné 1000 mA-hr/g jusqu'à une tension de blocage de I V. Ces deux décharges ont un plateau de tension principal à 1,8 V et un plateau plus court à 1,4 V. Exemple comparatif B On a fabriqué des piles du type pastille de la même façon que pour les piles de l'Exemple comparatif A, sauf que la cathode était constituée de 100 mg de Fe3S8. Une pile a été déchargée  One battery was discharged at a high discharge rate (500.f) and gave 800 mA-hr / g up to a blocking voltage of I V. Another battery was discharged at a low discharge rate (2 kSI) and gave 1000 mA-hr / g up to a blocking voltage of I V. These two discharges have a main voltage plateau at 1.8 V and a shorter plateau at 1.4 V. Comparative example B Pellet-type batteries were made in the same manner as for the batteries of Comparative Example A, except that the cathode consisted of 100 mg of Fe3S8. A battery has been discharged

à un taux élevé (500A) et une autre pile à un faible taux (2 k L).  at a high rate (500A) and another battery at a low rate (2 k L).

Chaque décharge a donné à peu près la même capacité de 900 mA-hr/g jusqu'à une tension de blocage de 1 V. Les décharges avaient deux plateaux de tension d'une durée approximativement égale, le premier à 1,6 V et le second à 1,4 V. Exemple 4 On a fabriqué des piles du type pastille de la même manière que pour les piles des Exemples Comparatifs A et B, sauf  Each discharge gave approximately the same capacity of 900 mA-hr / g up to a blocking voltage of 1 V. The discharges had two voltage plates of approximately equal duration, the first at 1.6 V and the second at 1.4 V. Example 4 Batteries of the pellet type were manufactured in the same manner as for the batteries of Comparative Examples A and B, except

que la matière de cathode était constituée de 100 mg de Co Fe S15.  that the cathode material consisted of 100 mg of Co Fe S15.

2,3 0,7 15'2.3 0.7 15 '

Une pile a été déchargée à un taux de décharge élevé (500f0) et a donné 1100 mA-hr/g jusqu'à une tension de blocage de I V. Une seconde pile a été déchargée à un faible taux de décharge (2 k ) et a donné 1300 mA-hr/g jusqu'à une tension de blocage de I V. Les deux décharges avaient deux plataux de tension d'une durée à peu près équivalente, le premier à 1,8 V et le second à 1,4 V. Ces résultats apportent deux preuves que le Co 2, 3Fe0,7S15 est une  One battery was discharged at a high discharge rate (500f0) and gave 1100 mA-hr / g up to a blocking voltage of I V. A second battery was discharged at a low discharge rate (2 k) and gave 1300 mA-hr / g up to a blocking voltage of I V. The two discharges had two voltage plates of roughly equivalent duration, the first at 1.8 V and the second at 1, 4 V. These results provide two proofs that Co 2, 3Fe0,7S15 is a

26 1 565826 1 5658

-8- matière nouvelle distincte et non pas un mélange des polysulfures de cobalt et de fer. La première preuve est que la capacité est supérieure à la somme des capacités des quantités nécessaires de polysulfures de cobalt et de fer. La seconde est l'absence d'un plateau de tension à 1,6 V qui existerait s'il y avait un polysulfure de fer  -8- distinct new material and not a mixture of cobalt and iron polysulfides. The first proof is that the capacity is greater than the sum of the capacities of the necessary quantities of cobalt and iron polysulfides. The second is the absence of a 1.6 V voltage plateau which would exist if there were an iron polysulfide

quelconque présent.any present.

Les matières formées par les polysulfures de métaux  Materials formed by metal polysulfides

lourds mixtes de la présente invention conviennent pour une utili-  heavy mixtures of the present invention are suitable for use

sation à la fois dans des piles électrochimiques aqueuses et dans des piles électrochimiques non aqueuses, puisque ces matières son insolubles dans les solvants aqueux et non aqueux courants. De tels solvants sont le carbonate de propylène,l'acétonitrile, le diméthoxyéthane, le dioxolane, la gamme-butyrolactone, le tétrahydrofuranne, le formiate de méthyle, le sulfoxyde de diméthyle, le dioxyde de soufre, des solutions alcalines aqueuses, etc. En outre, de tels polysulfures de métaux lourds mixtes sont intéressants à titre de cathodes à haute  both in aqueous electrochemical cells and in nonaqueous electrochemical cells, since these materials are insoluble in common aqueous and non-aqueous solvents. Such solvents are propylene carbonate, acetonitrile, dimethoxyethane, dioxolane, range-butyrolactone, tetrahydrofuran, methyl formate, dimethyl sulfoxide, sulfur dioxide, aqueous alkaline solutions, etc. In addition, such mixed heavy metal polysulfides are useful as high cathodes.

capacité dans des piles à électrolyte solide, dans lesquelles l'électro-  capacity in solid electrolyte batteries, in which the electro-

lyte est constitué de sels métalliques à conduction ionique à l'état  lyte consists of metallic salts with ionic conduction in the state

solide, tels que le Lil.solid, such as Lil.

Pour tirer plein parti des hautes densités d' énergie des matières formées par des polysulfures suivant la présente invention, il est préférable que ces matières soient utilisées dans des piles  To take full advantage of the high energy densities of the materials formed by polysulphides according to the present invention, it is preferable that these materials are used in batteries.

non aqueuses comportant des anodes en métal alcalin ou alcalino-  non-aqueous with alkali or alkaline metal anodes

terreux, par exemple en lithium, ces matières donnant des piles ayant des tensions typiques comprises entre 1,5 et 2 V. Bien que les polysulfures de métaux lourds mixtes cités dans les Exemples soient limités à deux métaux lourds différents seulement, il est possible de préparer des polysulfures de métaux  earthy, for example lithium, these materials giving batteries having typical voltages between 1.5 and 2 V. Although the mixed heavy metal polysulfides cited in the Examples are limited to only two different heavy metals, it is possible to prepare metal polysulfides

lourds mixtes constitués de trois métaux lourds différents ou plus.  mixed heavy consisting of three or more different heavy metals.

Ceci pourrait être fait en préparant une solution de trois sels de métaux lourds ou plus, à partir de laquelle le polysulfure mixte de  This could be done by preparing a solution of three or more heavy metal salts, from which the mixed polysulfide of

métaux lourds est précipité.heavy metal is precipitated.

Les Exemples précédents sont donnés à titre d'il-  The preceding examples are given by way of illustration.

lustration de la présente invention. Des changements pourraient être faits en ce qui concerne les métaux lourds particuliers, les -9-  lustration of the present invention. Changes could be made to specific heavy metals,

rapports des composants, la structure des piles, les parties consti-  component reports, battery structure, component parts

tutives de celles-ci, etc., sans sortir pour autant du cadre de la  supervision of these, etc., without thereby departing from the scope of the

présente invention.present invention.

-10--10-

Claims (11)

REVENDICATIONS I. Pile électrochimique comprenant une anode, un électrolyte et une cathode active solide, caractérisée en ce que cette cathode est constituée d'un ou plusieurs polysulfures de métaux lourds mixtes répondant à la formule: M(l)w+nM(2)X+m(Sy)z-2 dans laquelle M(l) et M(2) désignent des atomes de métaux lourds différents, n et m sont des nombres entiers représentant les états de valence respectivement de M(I) et de M(2), w et x sont des nombres entiers représentant respectivement la stoechiométrie de M(l) et de M(2) dans le polysulfure, S désigne le soufre, nw + mx = 2z et y est supérieur à 4,5.CLAIMS I. Electrochemical cell comprising an anode, an electrolyte and a solid active cathode, characterized in that this cathode consists of one or more mixed heavy metal polysulfides corresponding to the formula: M (l) w + nM (2) X + m (Sy) z-2 in which M (l) and M (2) denote different heavy metal atoms, n and m are whole numbers representing the valence states of M (I) and M ( 2), w and x are whole numbers respectively representing the stoichiometry of M (l) and M (2) in the polysulfide, S denotes sulfur, nw + mx = 2z and y is greater than 4.5. 2. Pile électrochimique suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les métaux lourds susdits sont choisis dans le groupe comprenant le cuivre, le vanadium, le molybdène, le fer  2. Electrochemical cell according to claim 1, characterized in that the aforementioned heavy metals are chosen from the group comprising copper, vanadium, molybdenum, iron et le cobalt.and cobalt. 3. Pile électrochimique suivant l'une ou l'autre  3. Electrochemical cell according to one or the other des revendications I et 2, caractérisée en ce que l'anode est constituée  of claims I and 2, characterized in that the anode consists d'un métal choisi parmi les métaux alcalins et alcalino-terreux.  of a metal chosen from alkali and alkaline earth metals. 4. Pile électrochimique suivant la revendication  4. Electrochemical cell according to claim 3, caractérisée en ce que l'anode est faite de lithium.  3, characterized in that the anode is made of lithium. 5. Pile électrochimique suivant l'une quelconque  5. Electrochemical cell according to any one des revendications I à 4, caractérisée en ce que l'un des métaux  claims 1 to 4, characterized in that one of the metals lourds est le cobalt.heavy is cobalt. 6. Pile électrochimique suivant l'une quelconque  6. Electrochemical cell according to any one des revendications I à 4, caractérisée en ce que l'un des métaux  claims 1 to 4, characterized in that one of the metals lourds est le molybdène.heavy is molybdenum. - 7. Pile électrochimique suivant l'une quelconque  - 7. Electrochemical cell according to any one des revendications I à 4, dans lequel l'un des métaux lourds est  claims 1 to 4, wherein one of the heavy metals is le vanadium.vanadium. 8. Pile électrochimique suivant I'une quelconque  8. Electrochemical cell according to any one des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'un des métaux  claims 1 to 4, characterized in that one of the metals lourds est le fer.heavy is iron. 9. Pile électrochimique suivant l'une quelconque  9. Electrochemical cell according to any one des revendications I à 4, caractérisée en ce que l'un des métaux  claims 1 to 4, characterized in that one of the metals 2 6 1 5 6 5 82 6 1 5 6 5 8 - 1I1 -- 1I1 - lourds est le cuivre.heavy is copper. O. Pile électrochimique suivant l'une quelconque  O. Electrochemical cell according to any one des revendications I à 4, caractérisée en ce que M(l) est le fer  of claims I to 4, characterized in that M (l) is iron et M(2) est le cobalt.and M (2) is cobalt. 11. Pile électrochimique suivant l'une quelconque  11. Electrochemical cell according to any one des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'électrolyte  of the preceding claims, characterized in that the electrolyte est un fluide et le polysulfure mixte de métaux lourds est sensiblement  is a fluid and the mixed heavy metal polysulfide is substantially insoluble dans cet électrolyte.insoluble in this electrolyte. 12. Pile électrochimique suivant la revendication  12. Electrochemical cell according to claim 11, caractérisée en ce que l'électrolyte fluide est non aqueux.  11, characterized in that the fluid electrolyte is non-aqueous. 13. Pile électrochimique suivant l'une quelconque  13. Electrochemical cell according to any one des revendications I à 10, caractérisée en ce que l'électrolyte est  of claims I to 10, characterized in that the electrolyte is une matière solide.solid matter. 14. Pile électrochimique non aqueuse, caractérisée en ce qu'elle comprend une anode en lithium, un électrolyte non aqueux liquide,et une cathode constituée d'un ou plusieurs polysulfures de métaux lourds mixtes ayant une formule stoechiométrique empirique  14. Non-aqueous electrochemical cell, characterized in that it comprises a lithium anode, a non-aqueous liquid electrolyte, and a cathode made up of one or more mixed heavy metal polysulphides having an empirical stoichiometric formula M(l)M(2)Sy, dans laquelle M(1) et M(2) sont des métaux lourds diffé-  M (l) M (2) Sy, in which M (1) and M (2) are different heavy metals rents choisis dans le groupe comprenant le cuivre, le vanadium, le molybdène, le fer et le cobalt, S est le soufre et y est supérieur  rents selected from the group comprising copper, vanadium, molybdenum, iron and cobalt, S is sulfur and is greater there ou égal à 4,5.or equal to 4.5.
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